流体力学-第一章

第一章绪论第二章流体静力学

第三章流体动力学

第四章理想流体动力学和平面势流

第五章实际流体动力学根底第六章量纲分析和相似原理

第七章流动阻力和能量损失

第八章边界层理论根底和绕流运动

第九章有压管流

第十章明渠流目录工程流体力学〔水力学〕第一节工程流体力学的任务及其开展简史一、工程流体力学的任务流体力学是力学的一个分支，是研究流体运动规律及其应用的一门学科。理论流体力学侧重于理论，采用严密的数学推理方法工程流体力学侧重于应用，解决工程实际问题现代水力学〔水力学〕研究对象是水流，侧重应用第一节工程流体力学的任务及其开展简史二、工程流体力学开展简史〔一〕工程流体力学的开展经历了三个阶段：(1)古典流体力学伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论根底，从而在此根底上形成了一门属于数学的古典流体力学。第一节工程流体力学的任务及其开展简史二、工程流体力学开展简史(2)实验流体力学由于所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学〞(3)现代水力学从19世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合，以解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体力学的内容也不断更新变化，在此根底上，最终形成了理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。第一节工程流体力学的任务及其开展简史二、工程流体力学开展简史〔二〕主要的流体力学事件：1783年拉格朗日首先引进了流函数的概念。

1826年法国工程师纳维，1845年英国数学家、物理学家斯托克思提出了著名的N-S方程。

1738年瑞士数学家：伯努利在名著《流体动力学》中提出了伯努利方程。

1755年欧拉在名著《流体运动的一般原理》中提出理想流体概念，并建立了理想流体根本方程和连续方程，从而提出了流体运动的解析方法，同时提出了速度势的概念。第一节工程流体力学的任务及其开展简史二、工程流体力学开展简史〔二〕主要的流体力学事件：1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多根本性质及旋涡运动理论，并于1887年提出了脱体绕流理论。1876年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流。

19世纪末，雷诺提出相似理论，实验和理论分析相结合

。

1904年普朗特提出了边界层理论。

20世纪60年代以后，计算流体力学得到了迅速的开展。流体力学内涵不断地得到了充实与提高。第一节工程流体力学的任务及其开展简史二、工程流体力学开展简史〔三〕我国水利事业的历史：公元前485年，开始修筑南北运河。公元前256—公元前210年间，修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程。特别是李冰父子领导修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉农田，并总结出“深淘滩，低作堰〞、“遇弯截角，逢正抽心〞的治水原那么。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经到达相当水平。西汉武帝〔公元前156-前87〕时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。一、连续介质假设第二节连续介质假设流体的主要物理性质工程流体力学主要研究流体的宏观运动，建立流体宏观物理量之间的关系式〔1〕从分子和原子微观出发，采用统计平均方法确定流体的物性〔2〕以连续介质假设为根底〔1753年，欧拉，流体力学中的一个带根本性的假设〕流体的微观结构和运动：离散性、不均匀性和随机性流体的宏观结构和运动：连续性、均匀性和确定性大量离散的分子或原子运动问题，近似为充满整个空间流体质点的运动问题，每个空间点和每个时刻都有确定的物理量，它们都是空间坐标和时间的连续函数，可以运用数学分析来建立和求解宏观物理量之间的方程。一、连续介质假设第二节连续介质假设流体的主要物理性质连续介质假设：认为流体是由比分子大很多的，微观上充分大，而宏观上充分小的分子团，可以近似地看成几何上没有大小和形状的一个点的质点所组成，质点之间没有空隙，连续地充满流体所占有的空间的连续介质。流体质点是微观上足够大、宏观上足够小的分子团，流体质点所具有的宏观物理量应该遵循物理学根本定律，如牛顿力学定律、质量和能量守恒定律、热力学定律等。流体流体质点〔分子团〕一、连续介质假设第二节连续介质假设流体的主要物理性质分子团的尺度：〔1〕微观充分大：和分子运动的尺度相比应足够的大，对分子团进行统计平均后能得到稳定的数值〔2〕宏观充分小：和所研究问题的特征尺度相比又要充分的小，使得分子团内平均物理量可看成是均匀不变的，可以把它近似看成几何上没有维度的一个点。统计平均的时间：〔１〕微观上充分长：分子碰撞已进行了许屡次，统计平均能得到稳定的数值〔２〕宏观上充分小：比特征时间短得多，可以把进行统计平均的时间看成一个瞬间。一、连续介质假设第二节连续介质假设流体的主要物理性质应用条件：〔１〕在一般情况下是被允许的。10-9cm3的体积内，气体有近3×1010个分子，水3×101３个分子10-6s时间内，气体分子要碰撞1014次。〔２〕在某些情况，如高空的稀薄气体不能作为连续介质来处理，一般认为海拔高度为50km以上的高空大气不作为连续介质。二、流体的主要物理性质第二节连续介质假设流体的主要物理性质(1)易流动性(2)质量密度重量(3)输运性质粘性热传导扩散(4)压缩性和膨胀性(5)外表张力特性(6)汽化压强二、流体的主要物理性质第二节连续介质假设流体的主要物理性质非均质流体密度

１易流动性：流体在静止时不能承受剪力、抵抗剪切变形的性质称为易流动性。不能抵抗拉力，而只能抵抗对它的压力。２质量密度重量表示物体惯性大小的物理量是质量。单体体积均质液体所具有的质量，称为密度。均质流体密度

重量

第二节连续介质假设流体的主要物理性质二、流体的主要物理性质一个任意的流体系统，无论初始的宏观性质如何，只要外界对它没有作用和影响，经过一定时间后，系统必将到达一个稳定的、宏观性质不随时间变化的状态。这种状态称平衡态。流体由非平衡态转向平衡态时物理量的传递性质，称为流体的输运性质。主要介绍动量输运，热量〔能量〕输运、质量输运。宏观上看，分别表现为粘滞现象〔粘性〕、传热现象〔热传导〕和扩散现象〔扩散〕。为了描述流体系统的非平衡态，一般都采用局域平衡假设，将系统划分成很多很小的区域，每一个这样的小区域处于平衡态，可以用确定的参量来描述。3输运性质粘性热传导扩散第二节液体的根本特性和主要物理力学性质输运性质粘性热传导扩散

流体运动时，具有抵抗剪切力变形能力的性质，称为粘性。当某流层对其相邻流层发生相对位移而引起剪切变形时，流体流层间也有摩擦力，称流体的内摩擦力〔粘滞力〕。牛顿平板实验所得的流体粘性及其规律—流体〔牛顿〕内摩擦定律。两块水平放置的水平平板，平板间距ｈ甚小，平板面积Ａ足够大下平板固定不动，上平板受水平力Ｆ的作用，在自身平面内以等速ｕ向右移动。〔1〕粘性上平板对流体的力Ｆ和下部流体对上部流体的切力Fs下部流体受上部流体所施加的同样大小而方向与Fs相反的力。上、下部流体相互作用在ｙ处平面上的这一对切力，即为内摩擦力，这个力一直传递到下平板。运动粘度，单位m2/s第二节液体的根本特性和主要物理力学性质流体〔牛顿〕内摩擦定律：单位面积的切力

是与流体粘性有关的一个系数，称粘度〔或动力粘度〕，单位为Pa·s。随流体的种类而不同，且随流体的压强和温度而发生变化。第二节液体的根本特性和主要物理力学性质速度梯度实际上是流体微元的剪切变形角速度。速度梯度du/dy就是直角变形速度。凡符合牛顿内摩擦定律的流体，称牛顿流体，如水，空气，汽油，煤油，乙醇等牛顿内摩擦定律只适用于流体质点作有条不紊的线状运动，彼此互不混掺的流动，而且对某些特殊流体亦不适用。牛顿内摩擦定律只适用于牛顿流体和层流运动。凡不符合的流体称为非牛顿流体，如聚合物液体、泥浆、血浆等。理想流体：假想的无粘性流体第二节液体的根本特性和主要物理力学性质〔1〕粘性圆筒侧壁上所受的切应力相应产生的力矩为圆筒底壁上所受的切应力相应产生的力矩转动力矩液体粘度第二节液体的根本特性和主要物理力学性质流体中的传热现象，根据它产生的物理原因，有热传导、热辐射和热对流由于流体的分子热运动而产生的传热现象为热传导，静水和运动流体都存在。由于流体电磁波辐射而产生的传热现象为热辐射，静水和运动流体都存在。由于流体宏观运动而产生的为热对流，仅在运动流体中存在。〔2〕热传导为热传导的傅里叶定律，qH表示单位时间通过单位面积的热量。dT/dy流体中温度沿y轴的空间变化率为热导率或导热系数第二节液体的根本特性和主要物理力学性质〔2〕热传导热传导规律—傅里叶定律实验证明，在单位时间内，从温度较高的一侧所传递的热量QH与这一指定平面所在处的温度梯度〔不太大的情况下〕成正比，也与指定面积大小成正比第二节液体的根本特性和主要物理力学性质流体中的传质现象，根据它产生的物理原因，有分子扩散、移流扩散、湍动扩散一种是流体中没有其他物质成分的单组分流体，可称单相流体或单相体。因其密度不同，由于流体的分子运动，将质量从密度大的地方向密度小的地方扩散，称自扩散。〔3〕扩散分子扩散，根据流体组成的成分有两种情况。另一种是流体中有其他物质成分的两种组分的混合体，可称两相混合流体或两相体，例如两不相混的液体或气体等。由于两相体中两种物质成分各自密度在各处不同，或仅其中一种物质成分的密度在各处不同，相互在另一种物质中扩散，这种扩散称互扩散。〔3〕扩散：分子扩散自扩散：单位时间通过单位面积传递的质量D为自扩散系数，单位m2/s。在实际工程中，流体的自扩散一般不予考虑。互扩散：仅考虑A种成分〔如污染物〕在B种成分中扩散的情况。DAB为两相体中A种成分在B种成分中的扩散系数，其值一般由实验确定。斐克第一扩散定律〔3〕扩散：分子扩散二、流体的主要物理性质第二节连续介质假设流体的主要物理性质压缩性和膨胀性当作用在流体上的压强增大时，体积减小、密度增大；压强减小时，其体积增大、密度减小的性质，称流体的压缩性，又称为流体的弹性。当流体所受的温度升高时，体积膨胀、密度减小；温度降低时体积收缩、密度增大的性质称为膨胀性。第二节液体的根本特性和主要物理力学性质〔1〕液体的压缩性和膨胀性〔体积〕压缩系数弹性模量(体积)膨胀系数第二节液体的根本特性和主要物理力学性质〔1〕液体的压缩性和膨胀性第二节液体的根本特性和主要物理力学性质压缩性和膨胀性

〔2〕气体的压缩性和膨胀性在温度不过低、压强不过高时，气体压强、温度与比体积〔密度的倒数〕或密度之间的关系服从完全气体。等温过程压缩系数绝热过程压缩系数等压过程膨胀系数第二节液体的根本特性和主要物理力学性质外表张力特性在液体自由外表的分子作用半径范围内，由于分子引力大于斥力，在表层沿外表方向产生张力，这种张力称外表张力。液体与气体相接触的周界面

液体与固体接触的周界面

两种不同液体接触的周界面

是自由外表上单位长度上所受的张力，随液体的种类、温度以及与它外表接触的物质而变化。水水银二、流体的主要物理性质第二节连续介质假设流体的主要物理性质液体分子逸出液面，向空间扩散的过程称气化，液体气化为蒸汽。汽化的逆过程称凝结，蒸汽凝结为液体。在封闭容器中的液体，汽化与凝结同时存在，当这两个过程到达动平衡时，即单位时间内汽化的分子数等于凝结的分子数时，宏观的汽化现象亦即停止。此时容器中的蒸汽称为饱和蒸汽，相应的压强称为饱和蒸汽压强或汽化压强。汽化压强一、质量力

第三节作用在流体上的力作用在隔离体内每一个流体质点上，其大小与质量成〔正〕比例的力，称质量力，如重力、惯性力。单位质量力作用在流体上的质量力，常用单位质量力来度量。二、外表力第三节作用于液体上的力作用于隔离体流体的外表，和作用的面积成〔正〕比例的力，称外表力。外表力可分为垂直于作用面的压力和沿作用面方向的切力。压力－液体单位面积上所受的压力称为压强切力－液体单位面积上的所受的切力称为切应力一、理论分析方法第四节工程流体力学的研究方法1.微元〔体〕分析法微元分析法