流体力学第一章绪论课件

《流体力学》电话：1875512818邮箱：课程安排学时数：32＝24（理论课）＋8（实验课）课程性质：专业基础课教材：李玉柱《流体力学》第2版,高等教育出版社参考书：吴持恭《水力学》第4版，高等教育出版社刘鹤年《流体力学》第2版，中国建筑工业出版社大连工学院《水力学解题指导及习题集》高等教育出版社王惠民《流体力学基础》第2版，清华大学出版社

第一章绪论第一章 绪论

§1.1

流体力学的任务及其发展简史§1.2 流体的主要物理力学性质§1.3

作用在流体上的力§1.4

流体的力学模型第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体和固体的区别：固体流体液体气体有无固定的形状有无无有无固定的体积有有无能否形成自由表面能能否能否承受一定的拉力能否否能否承受一定的剪切力能否（静止）否（静止）能否承受一定的压力能能易压缩第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体力学是研究流体各种力作用下的平衡和机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科，是力学的一个分支。二、流体力学的任务流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。流体力学遵循物质运动的普遍规律，如：牛顿第二定律，质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等。第一章绪论流体力学在工程中的应用航空航天航海船舶运动地效翼艇（WIG）海洋平台

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第一章绪论能源动力飞机发动机蒸汽机车流体力学在工程中的应用第一章绪论气象云图龙卷风气象科学流体力学在工程中的应用第一章绪论污水净化设备模型电厂冷却塔环境控制流体力学在工程中的应用第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体力学是人类同自然界作斗争、在长期的生产实践中发展起来的。三、流体力学的发展流体力学的西方史——古代流体力学的情况。

古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文《论浮体》，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。奠定了流体静力学的基础。

阿基米德（Archimedes，公元前287－212）第一章绪论16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体平衡和运动规律的认识才随之有所提高。§1.1流体力学的任务及其发展简史17世纪牛顿研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性定律。牛顿（Isaac.Newton，1643～1727）第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史一条途径是一些数学家和力学家，以牛顿力学理论和数学分析为基本方法，建立了理想液体运动的系统理论，称为“水动力学”或古典流体力学。代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、欧拉（L.Euler）纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）等。18至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1755年欧拉导出理想流体运动微分方程。欧拉（L.Euler，1707－1783）瑞士科学家第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史拉格朗日提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1821-1845年，纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）导出适用于实际流体运动的纳维埃-斯托克斯方程，即N-S方程。纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英国））第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1732年毕托发明了量测流体点流速的毕托管。1769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1856年达西提出了线性渗流的达西定律。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1883年雷诺（O.Reynolds）发表了关于层流、湍流两种流态的系列试验结果，又于1895年导出了紊流运动的雷诺方程。1904年普朗特（L.Prandtl）提出边界层概念，创立了边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算实际物体运动时的阻力。第一章绪论侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学。侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学。四、流体力学的研究方法

1.理论分析--运用经典流体力学的原理研究流体运动。

2.科学试验--通过试验的手段研究流体运动的规律性。

3.数值模拟—利用计算机数值求解描述液体运动的微分方程、积分方程等，得到问题的数值解。§1.1流体力学的任务及其发展简史第一章绪论流体的物理性质是决定流体流动状态的内在因素，所以我们先学习流体有关的几个物理力学性质。§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.1惯性惯性是物体保持其原有运动状态的一种特性，惯性的大小以质量来衡量，质量大的物体惯性大。一个物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的反作用力称为惯性力。第一章绪论§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.3粘性前面我们学习了流体具有流动性。流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质。这种变形亦称为减切变形。流体在运动状态下，内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗减切变形的性质称为粘性。也就是说：当流体处于运动状态时，流体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵制其相对运动，这种性质称为流体的粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力。观看录像演示第一章绪论§1.2流体的主要物理力学性质为了理解流体的粘性，如图所示，液体沿固定平面壁作平面直线运动，紧靠固体壁面的第一层水层粘在壁面上不动；第一层通过摩擦作用影响第二层的流速、第二层又通过摩擦（粘性力）作用影响第三层流速，依此类推。

一、粘性表象因各流层的不同，它们之间就有相对运动，上层的流得快，它就要拖动下一层，而下一层流得较慢，就要阻止上面一层，于是两层之间就产生内摩擦力，如图所示。流体粘性示意图流体粘性示意图第一章绪论由于运动流体内部存在摩擦力，于是流体在运动过程中为克服内摩擦力就要不断消耗流体的能量，所以说粘性是引起流体运动能量损失的根源，因此在分析和研究流体运动中流体的粘性占有很重要的地位。§1.2流体的主要物理力学性质由于内摩擦力与作用面平行，故称故称为切力，用切应力表示，记作，（单位用Pa，）

应指出，粘性对流体运动的影响极为重要。第一章绪论实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的二、牛顿内摩擦定律引入比例系数为式中，为动力粘度，简称粘度。为流速梯度。上式即为牛顿内摩擦定律，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。内摩擦力，即切应力存在§1.2流体的主要物理力学性质第一章绪论⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)粘性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。CDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：(4)运动粘度§1.2流体的主要物理力学性质观看录像演示第一章绪论温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。粘度的影响因素T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.296§1.2流体的主要物理力学性质水的粘度随温度的变化第一章绪论温度对流体粘度的影响很大温度压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑粘度的影响因素§1.2流体的主要物理力学性质第一章绪论三、牛顿流体和非牛顿流体1.牛顿流体

2.非牛顿流体

符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。§1.2流体的主要物理力学性质第一章绪论例题1：一平板在油面上做水平运动（如图所示），已知平板的运动速度为u=40cm/s，油层的厚度δ=5mm，油的动力粘度μ=0.1Pa·s，求作用在平板上的切应力。

解：因为油层的厚度δ很小，流层的流线分布可近似看做直线分布，即由牛顿内摩擦定律§1.2流体的主要物理力学性质第一章绪论

压缩性用体积压缩系数表示。§1.2.4压缩性及膨胀性压缩性：指流体受压,体积缩小,密度增大,除去外力后能恢复原状的性质膨胀性：指流体受热,体积膨胀,密度减小,温度下降后能恢复原状的性质1.压缩性

体积压缩系数指恒温下液体体积的相对缩小值与压强增值之比。

压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。§1.2流体的主要物理力学性质一、液体的压缩性及膨胀性第一章绪论流体压缩时其质量并不改变，故故所谓弹性模量E，乃体积压缩系数的倒数，即

水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然循环的热水采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。§1.2流体的主要物理力学性质2.膨胀性

膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起的体积变化率。第一章绪论

气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温度三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即

式中，p---为气体的绝对压强；

T---为气体热力学温度；

R---为气体常数，空气的气体常数是287J/（kg·K）。§1.2流体的主要物理力学性质二、气体的压缩性及膨胀性观看录像演示第一章绪论§1.2.5表面张力特性一、液体的表面张力1.表面张力现象水滴悬在水龙头出口而不滴落；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；铁针浮在液面上而不下沉。2.表面张力在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。§1.2流体的主要物理力学性质第一章绪论二、毛细管现象

直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，管中的液面会发生上升或下降的现象，称之为毛细管现象。§1.2流体的主要物理力学性质第一章绪论欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!第一章绪论§1.3作用在流体上的力作用在流体上的力有两种：表面力和质量力一、表面力应力即单位面积上的表面力。

表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力，常用应力来度量。1.表面力与作用面垂直的压应力2.表面力与作用面平行的切应力隔离体受力分析第一章绪论§1.3作用在流体上的力二、质量力

作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如重力，惯性力，磁力等。又称体积力。单位质量力分别投影在三个坐标轴上第一章绪论欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!第一章绪论§1.4流体的力学模型

定义：连续介质即假设流体是一种连续充满其所占空间毫无间隙的连续体。

连续介质的意义

连续介质的概念是瑞士学者欧拉在1753年提出的。避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律。§1.4.1连续介质模型观看录像演示第一章绪论

在流体力学中，为研究方便，提出了理想流体的概念。§1.4.2理想流体

理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的流体称为粘性流体或实际流体。我们研究流体的运动时，先把流体当成理想流体进行分析，然后再考虑粘性对粘性流体