工程流体力学 绪论 流体和流场的基本性质

工程流体力学EngineeringFluidMechanics第1章流体及流场的基本性质第2章流体静力学第3章理想流体流动的基本规律第4章黏性流体的运动规律第5章流体平面运动规律第6章气体动力学基础课程内容第1章流体及流场的基本性质本次课程内容绪论绪论流体力学：研究流体的运动和平衡的规律以及流体与约束其流动的固体壁面之间相互作用的一门科学。工程流体力学：研究流体静止和运动的力学规律及其在工程技术上的应用的一门学科。流体力学的应用领域

空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用。流体力学海洋

水利航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物绪论绪论航天航空工业

（空气动力学）流体力学的应用领域绪论造船工业

（水动力学）深潜达数百米的核动力潜艇；流体力学的应用领域石油化工工业单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台；绪论流体力学的应用领域绪论电力工业

水电站、火电站、核电站、地热电站汽轮机叶片水轮机流体力学的应用领域水利工程

水资源运用、泄洪消能、河道整治

绪论流体力学的应用领域大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。杨浦大桥绪论流体力学的应用领域21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报（卫星云图）绪论流体力学的应用领域流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动绪论流体力学的应用领域电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等大部分竞技体育项目与流体力学有关绪论流体力学的应用领域绪论流体力学的发展阶段第一阶段——经验阶段第二阶段——基础阶段第三阶段——分支阶段第四阶段——近代流体力学绪论第一阶段——经验阶段十七世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。

秦代，在公元前256-前210年间便修建的都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。流体力学发展阶段绪论第一阶段——经验阶段十七世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。

秦代，在公元前256-前210年间便修建的都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。流体力学发展阶段阿基米德Archimedes(285-212BC)达芬奇LeonardodaVinci(1452-1519)李冰绪论第二阶段——基础阶段

十七世纪～十八世纪中叶一些水力原理论著出现，流体力学成为独立学科的基础阶段。流体力学发展阶段伯努利DanielBernoulli(1700-1782)欧拉L.Euler(1707-1783)牛顿IsaacNewton(1642-1727)绪论第三阶段——分支阶段18世纪中叶至19世纪末的古典流体力学和水力学流体力学发展阶段纳维尔Navier(1785-1836)斯托克斯Stokes(1819-1905)雷诺Renolds(1842-1912)绪论第四阶段——近代流体力学阶段19世纪末至今流体力学发展阶段普朗特PrandtlL.(1875-1953)冯﹒卡门Von.Karman(1881-1963)卡门涡街流体及流场的基本性质流体的概念流体的物理性质流场连续性假定流体及流场的基本性质流体的概念流体：

是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质。它是气体和液体的通称。形态受到切应力作用切应力停止后承受力的特点流体变形很大，且一直持续下去变形无恢复只受压力，不受拉力和切力固体变形小且有限变形恢复或部分恢复能够承受压力，拉力和切力流体及流场的基本性质流体的概念液体气体微观分子排列紧密分子排列松散流动性易流动，只受压力，不受拉力和切力，没有固定形状，受到微小的剪切力就产生变形或流动有固定的体积没有固定的体积压缩性不易压缩易压缩黏性why？黏性大，随温度增加黏性下降→分子间的吸引力（内聚力）黏性小，随温度增加黏性上升→分子间的碰撞、动量交换流体的特点

流体及流场的基本性质流体的物理性质重度单位：N/m3单位：

kg/m3熟记：一.密度和比体积密度比体积单位：

m3/kg流体及流场的基本性质流体的物理性质一.密度和比体积液体：

当温度和压力变化较小时，密度值变化很小。气体：

密度随压力和温度的变化而变化，变化关系用热力学中理想气体状态方程来表示；温度一定时，密度与压力成正比，压力一定时，气体的密度与温度成反比。流体及流场的基本性质流体的物理性质二.压缩性和膨胀性单位：m2/N，Pa-1

可压缩流体不可压缩流体：密度ρ为变量，即ρ=ρ(x,y,z,t)：密度ρ为常数，即ρ=C

注：通常情况下，液体为不可压缩流体，气体为可压缩流体。压缩系数：（温度不变）水击现象,液压冲击,水中爆炸波的传播等问题。

在低温,低压,低速条件下,隧道施工,运营通风,气体输送,烟道流动等问题。------液体为可压缩流体------气体为不可压缩流体流体及流场的基本性质流体的物理性质二.压缩性和膨胀性膨胀系数：（压力不变）单位：/℃，/K气体状态方程：气体的膨胀性和压缩性根据气体状态方程计算：流体及流场的基本性质流体的物理性质三.黏性

牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出：相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为黏性力（内摩擦力）。•

库仑实验(1784)

库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的黏性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。流体及流场的基本性质流体的物理性质三.黏性•

黏性定义当流体流动时，流体层与层之间因相对运动而产生内摩擦力

（内力/黏性力）以反抗相对运动的性质•

黏性特性

黏性是流体抵抗变形的能力，是流体的固有属性，是运动流体产生机械能损失的根源流体及流场的基本性质流体的物理性质三.黏性

拉力T（内摩擦力）与接触面积A、速度梯度成正比，与流体的种类和温度有关，与流体受到的压力无关，即：或上两式均称为牛顿内摩擦定律。

牛顿内摩擦定律实验测得：流体及流场的基本性质流体的物理性质三.黏性速度梯度就是角变形速度

平衡流体不必考虑黏性的影响d

duxdtdyxyd

μ

——

动力黏度T的影响较大，P的影响不大；反应黏性大小的一个物理量，与流体种类有关流体及流场的基本性质三.黏性流体的物理性质ν

——

运动黏度

N.s/m2

或Pa.Sm2/S

流体黏性成因

流体内摩擦是两层流体间分子内聚力和分子动量交换的宏观表现。

当两层液体作相对运动时，两层液体分子的平均距离加大，吸引力随之增大，这就是分子内聚力。

流体黏性的成因

气体分子的随机运动范围大，流层之间的分子交换频繁。

两层之间的分子动量交换表现为力的作用，称为表观切应力。气体内摩擦力即以表观切应力为主。一般认为：液体黏性主要取决于分子间的引力，气体的黏性主要取决于分子的热运动。如图所示，转轴直径=0.36m，轴承长度=1m，轴与轴承之间的缝隙＝0.2mm，其中充满动力黏度＝0.72Pa.s的油，如果轴的转速200rpm，求克服油的黏性阻力所消耗的功率。

解：油层与轴承接触面上的速度为零，与轴接触面上的速度等于轴面上的线速度：设油层在缝隙内的速度分布为直线分布，即则轴表面上总的切向力为：克服摩擦所消耗的功率为：流体及流场的基本性质三.黏性流体的物理性质

满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。（1）理想流体：假想没有黏性的流体μ＝0，能量损失＝0（2）实际流体：又称为黏性流体，即真实流体

μ≠0，能量损失≠0

流体在运动中因克服摩擦力必然要做功，所以黏性也是流体中发生机械能量损失的根源。流体及流场的基本性质流场连续性假定流场流体质点流体及流场的基本性质流场连续性假定一.连续性假定1）质点的宏观尺寸非常小，即limΔV→0；2）质点的微观尺寸足够大；3）质点是一个物理实体；4）质点的形状可任意划定，以做到质点之间无缝隙。个分子

1mm3空气(1个大气压，00C)流体及流场的基本性质流场连续性假定一.连续性假定2）流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成是时间和空间连续分布的函数。1）流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占满空间而没有间隙。

在连续介质中，流体质点的一切物理量都是坐标与时间变量的函数，称为连续函数。如

p，v，a，ρ，…＝f（x，y，z，t）流体及流场的基本性质流场