流体力学课件

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流体力学——绪论-II阙仁波2023-9-14厦门大学嘉庚学院土木工程系2

流体力学与工程3:///wiki/Tacoma_Narrows_Bridge_(1940)TacomaNarrowsBridge

Atthetimeofitsconstruction(anditsdestruction),thebridgewasthethirdlongestsuspensionbridgeintheworldintermsofmainspanlength(853m),behindtheGoldenGateBridgeandtheGeorgeWashingtonBridge.4TacomaNarrowsBridge

5悬索桥抗风悬索桥采用刚性梁或刚桁架桥面有利于抗风，但却会增加钢的用量和造价。降低造价的尝试，酿成了塔科玛海峡大桥的事故。8级、67.5km/h，先上下波动近1m，后又左右摆动，幅度达8.5m。事故发生时，好莱坞有个拍摄组刚好在桥边拍摄电影，故记录下了桥垮的整个过程。美国空气动力学家冯.卡门研究了悬索桥的风荷载问题，于1954年在《空气动力学的开展》一书中分析说：塔科玛海峡大桥的设计者想建造一个较廉价的结构，采用了平板代替桁架作为边墙，不幸，这些平板引起了漩涡的发放，使桥身开始扭转振动，其破坏是振动与漩涡发放发生共振而引起的。TacomaNarrowsBridge采用板梁加劲梁高跨比1:350，细长未考虑脉动风涡动力作用导致风毁TacomaNarrowsBridge风毁后Goldengatebridge进行了加固1950年重修，桥面采用透风格栅加劲梁有孔，以削弱涡流，减轻作用的扭矩回到了气动性能好的空腹桁架梁成为二战前悬索桥的根本形式7“豆腐渣〞工程引发技术革新8美式悬索桥的桁架梁9欧式悬索桥采用设置钢横梁的单室箱梁10西堠门大桥别离式箱梁11边界层概念与绕流阻力ppmin真实流体理想流体EDxCABUmax边界层外边界yU(x)F分离点13边界层概念与绕流阻力流线型设计比方飞机、轮船渗流渗流——流体在孔隙介质中的流动地下水流动——水在土孔隙介质中的流动渗流理论在土木工程中为地下水资源的开发、降低地下水位、防止建筑物地基发生渗流变形、排水固结等提供了理论依据坝下渗流土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流水井渗流透水层不透水层天然水面漏斗状潜水面Q渗流作用造成大坝塌方雨后出现的山体滑坡事故2525基坑支护洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁渗透破坏－水力劈裂TetonDam(USA)九江大堤决口溃口原因：堤基管涌1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面找到2处进水口又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约62m的溃口。渗透破坏长江堤防工程堤基管涌发生开展过程示意图砂环管涌口粘性土砂性土渗水杂填土

管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。堤基管涌渗透破坏管涌砂环砂性土堤基管涌破坏示意图管涌破坏当管涌发生时，渗流将导致向源侵蚀，使堤防根底下部出现渗流通道当水头差足够大时，侵蚀将加速并掏挖堤防根底。形成通道后极易引起溃决渗透破坏Landslidedam33

流体力学与工程工程应用：航海航空军事水利

气象石油勘探给排水风荷载和风振动基坑排水和渗流水文暖通34

流体力学：研究流体的机械运动规律及其应用的学科流体本身的静止和运动状态流体和固体界壁间相对运动时的相互作用和流动规律静力学、运动学和动力学流体力学与数学、经典力学关系密切经典力学里的牛顿三大定律、动能定理、动量定理、守恒定理都可用到35

与固体界壁之间的关系分内容流体在内部管流流体在外部—绕流你中有我，我中有你第九章渗透课程内容构成根底局部〔流体力学的根本理论〕流体及物理性质流动分析根底微分形式的根本方程积分形式的根本方程量纲分析与相似原理专题局部〔流体力学的工程应用〕孔口、管嘴、有压管道流动明渠流动堰流及闸孔出流泄洪建筑物下游水流的衔接与消能渗流根底局部的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识，包括流体的：根底局部的另一目的是从物理学根本定律出发建立流体运动和力〔能量〕的定量关系，所用物理定律包括：输运特性〔如粘性等〕运动学特性〔如平移、旋转和变形规律等〕热力学特性〔如密度、可压缩性、状态方程等)其它特性〔如流态等〕质量守恒定律动量守恒定律能量守恒定律…38

物质形态固态液态〔常温常压：三态〕气态等离子态〔超气态〕将气体加热，当其原子到达几千甚至上万摄氏度时，电子将会被原子“甩〞掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，该种状态称做等离子态。闪电、流星及荧光灯点燃时，都是处于等离子态。可利用它放出大量能量产生的高温，切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反响等.在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态。宇宙中大局部发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。超固态当物质处于140万大气压下，物质的原子即可能被“压碎〞，电子全部被挤出〞原子，形成电子气体，裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，此即超固态。39

流动性：流体在剪切应力作用下能连续变形的特性流动性是固体与流体相区别的力学特性如斜坡上的流水，重力的切向分量。瀑布，可能重力全是切向分量流体不能承受拉力流体静止时不能承受剪力，或说，任何微小的剪力作用，流体都将连续不断地变形，即流动。40

连续介质假设微观上空间分布的离散导致不连续随机运动导致空间任一点上物理量随时间变化的不连续不连续性导致数学处理的困难宏观上，采用统计平均特性，把流体当做连续体来研究，即连续介质假设。按该假设，流体的物理量都可视为空间坐标和时间变量的连续函数连续介质假设使得我们可应用数学工具来研究力学除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析连续介质力学的两个分支——弹塑性力学和流体力学41

流体力学研究方法理论方法理论建模、边界条件、初始条件，数学求解，物理解释与应用。解析解数值方法数值建模、边界条件、初始条件，数值求解，物理解释与应用。数值解实验方法通过实验，检验理论的正确性，或提出经验公式和系数原型实验和模型实验第三章第七节量纲分析和相似原理是实验的理论根底42

流动状态的决定因素外因——力内因——流体的物理性质：惯性、黏性和压缩性43

作用在流体上的力——外表力和质量力〔体积力〕外表力——压应力和切应力注意:谈应力，都只能是指一点的应力44

作用在流体上的力——外表力和质量力〔体积力〕质量力〔体积力——从质量力到体积力隐含连续介质假设〕重力非惯性坐标系里的惯性力〔达朗贝尔原理〕正负号的规定：与坐标轴正向一致为正，反之，为负。45

注意正负号的数学和物理含义46

合力的大小外表力的合力=外表力x面积质量力的合力=质量力x质量47流体的主要物理性质惯性1、质量是惯性力大小的度量:F=ma2、密度—单位体积的质量3、重度—单位质量受到的重力纯洁水40C气体密度与随温度和压强变化48流体的主要物理性质黏性黏性是流体的内摩擦特性，表象为剪应力或内摩擦力49

本构关系〔应力-应变〔或应变率〕关系〕连续介质力学根本方程：平衡方程〔动力方程〕、几何方程、本构关系50流体的主要物理性质牛顿内摩擦定律

壁面不滑移假设由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动。库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设；壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑移条件。52流体的主要物理性质牛顿内摩擦定律速度梯度即为剪切应变率〔从空间的变化到时间的变化〕53流体的主要物理性质牛顿内摩擦定律剪应力与剪应变率成正比54牛顿内摩擦定律给出了流体在简单剪切流动条件下，剪应力与剪应变率的关系曲线。该种关系反映流体物料的力学性质，称为流变性55流体的主要物理性质符合牛顿内摩擦定律的流体，叫牛顿流体，否那么，为非牛顿流体。基于此，流体力学可分为牛顿流体力学和非牛顿流体力学。弹性力学本构关系〔弹性〕黏弹性力学本构关系〔流变性〕注意和在量纲上的差别56非牛顿流体非时变性非牛顿流体时变性非牛顿流体触变流体触稠流体粘弹性流体1、含水量不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。2、土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土微观结构随时间变化的宏观表现。流体力学在砂土液化所引起的侧向扩张位移计算、泥石流中的应用

粘土的触变性58流体的主要物理性质——动力黏度——运动黏度黏度系数越大，流动性越差黏度系数和运动黏度均为温度的函数，可根据温度查表得到

见课本表1-3、表1-459水VS.空气水的动力黏度和运动黏度随温度升高而降低。凝聚力空气的动力黏度和运动黏度随温度升高而增加。动量交换60无黏性流体〔理想流体〕不考虑黏性摩擦力，或黏性摩擦力不起主要作用，那么称该流体为理想流体注意：不能认为黏性摩擦力为零的流体即为理想流体如静止流体，速度梯度为零，黏性摩擦力为零理想流体是因静止流体是因〔从空间的均匀到时间的恒定〕61无黏性流体〔理想流体〕理想流体或静止流体中，只存在压应力，无剪应力62线性变化时，差代替微、差分代替微分6364例1-1——旋转圆筒粘度计注意：接触外表积的概念65可压缩性和热膨胀性

拉——伸压——缩热——胀

冷——缩

正应力——体变切应力——形变质量守恒——体变——密度变化温度、压强与体积进而密度的关系66可压缩性和热膨胀性可压缩性〔弹性〕：温度一定，压强变化时，体积变化，相应地，密度变化。外力除去后恢复原状。热膨胀性：压强一定，温度变化时，体积变化，相应地，密度变化。温度恢复，变形亦恢复原状。67液体的可压缩性和热膨胀性可压缩性由质量守恒故得：压缩系数是温度和压强的函数，可查表得到质量不变，体积的变化转化为密度的变化68体积弹性模量声速：如常温下：69热膨胀性：热膨胀系数是温度和压强的函数，可查表得到70线性变化时，差代替微、差分代替微分、、同理71水压缩系数和热膨胀系数都很小。一般情况下，均可忽略不计。特例：1)

有压管道中的水击、水中爆炸波的传播等，压缩性起关键作用。2)