流体力学第二版(刘鹤年主编)第一章-绪论

重庆三峡学院土木工程学院制作人樊哲超《流体力学》多媒体课件第一章绪论内容流体力学的范畴流体力学的开展流体的主要物理性质流体力学的范畴流体力学的定义：是关于液体和气体的一门力学学科，其根本原理与固体力学相同。

生活中的各个方面都涉及流体力学问题：水在河里流动、建筑物的风压、水在地基中的流动

流体力学在土木工程中的应用水利工程江河海堤坝水库大坝水力电站桥梁、涵洞、倒虹吸管水利、建筑、路桥工程基坑排水地基抗渗稳定处理围堰新建给水排水工程、环境工程取水水处理输配水路桥工程排水地表水－截水沟、边沟、排水沟、急流槽、跌水等消能措施地下水－渗水暗沟、盲沟跨越河流、沟渠桥梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤第一章绪论学习要求：1、了解流体的主要物理力学性质，理解易流动特性和粘滞性，掌握牛顿内摩擦定律。2、理解质量力和外表力，掌握其表示方法。3、理解连续介质〔质点的概念〕、粘性流体、理想流体、不可压缩流体、可压缩流体。4、知道流体的研究方法。流体力学开展简史第一阶段〔16世纪以前〕：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段〔16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶〕流体力学成为一门独立学科的根底阶段第三阶段〔18世纪中叶-19世纪末〕流体力学沿着两个方向开展——欧拉、伯努利第四阶段〔19世纪末以来〕流体力学飞跃开展第一阶段〔16世纪以前〕：流体力学形成的萌芽阶段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅导滞〔洪水归于河〕公元前300多年李冰都江堰——深淘滩，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业开展系统研究古希腊哲学家阿基米德《论浮体》〔公元前250年〕奠定了流体静力学的根底第二阶段〔16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶〕流体力学成为一门独立学科的根底阶段1586年斯蒂芬——水静力学原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理〞1612年伽利略——物体沉浮的根本原理1686年牛顿——牛顿内摩擦定律1738年伯努利——理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程第四阶段〔19世纪末以来〕流体力学飞跃开展理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺——雷诺实验〔判断流态〕1903年普朗特——边界层概念〔绕流运动〕1933-1934年尼古拉兹——尼古拉兹实验〔确定阻力系数〕……流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科1-1流体力学的任务及研究对象液体与气体统称为流体。本书主要研究以水为代表的流体的宏观运动和平衡规律及其应用。流体的根本特征：易流动、不易压缩、均匀等向的连续体。各点性质相同同一点上各方向性质相同自然界物质的三种状态：固体、液体和气体液体的根本特征

根本特征——流动性固体——能保持固有形状和体积，可以承受拉力、压力、剪切力液体——不能保持固有形状，流动性，可以承受压力，不能承受拉力，运动的液体具有一定的剪切能力，但静止的液体那么不能抵抗剪切力。气体——易于压缩液体——不易压缩1-2连续介质假定〔宏观上〕假定流体所占据的空间完全由流体质点所充满而没有任何空隙的连续体。优点：①防止了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动②可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律1-2流体力学的研究方法1理论分析法2科学实验法3数值计算法①建立力学模型②建立数学方程③求解方程④实验验证①原型观测②模型试验③系统试验研究方法①有限差分法②有限元法③边界元法等如何学好流体力学1.认真听讲2.研读例题3.独立完成作业〔作业两周交一次，只用一个作业本〕作用在液体上的两种力液体无论处于平衡或运动状态，都受到各种力的作用。作用在液体上的力包括重力、惯性力、粘滞力、压力、外表张力等，按力的作用方式可以分为质量力〔重力、惯性力〕和外表力〔粘滞力、压力、外表张力〕两类，这种分类是为了便于进行液体运动受力分析，进而可以导出液体平衡或运动状态下的根本关系式。面力质量力：体力1-2流体的主要物理力学性质量纲—物理量的种类。如：长度、时间、质量等。一、易流动性单位—量度物理量的基准。量纲分为根本量纲和导出量纲流体在静止时不能承受切应力和不能抵抗剪切变形的性质称为流体的易流动性。二、惯性〔质量和密度〕惯性—物体保持原有运动状态的特性。惯性的大小以质量来度量。密度—单位体积流体所具有的质量，用符号ρ表示。密度的国际单位为：kg/m3。

物体中所含物质数量，称为质量。对于液体，一般情况下，压强和温度对ρ的影响极小。惯性力—由流体惯性引起的对外界抵抗的反作用力。F=－Ma通常取水的密度为：1000kg/m3。

三、重力特性〔重量和容重〕容重—单位体积液体所具有的重量，用符号γ表示。容重的国际单位为：N/m3或kN/m3。G=Mg液体受地球引力的性质，称为重力特性。式中：g—重力加速度，一般取g=9.8m/s2。γ=ρg水的容重为：9.8×103N/m3或9.8kN/m3。四、粘滞性运动的流体具有一定的阻抗剪切变形的能力，这种特性称为液体的粘性和粘滞性。由于流体中存在粘滞性，运动流体需要克服内摩擦力作功，因此它是流体在流动中产生能量损失的主要原因。静止时，流体没有抵抗剪切变形的能力，即流体具有易流动性。此处的内摩擦力就是粘滞力粘性对流体运动的影响：粘滞力：式中：τ—单位面积上的内摩擦力，称为内摩擦切应力μ—动力粘滞系数，单位为：帕斯卡·秒—流速梯度，即流速沿y方向的变化率牛顿内摩擦定律令：称为运动粘度对牛顿内摩擦定理的几点说明：1.液体：温度越高，粘度越小；气体刚好相反；物理意义：剪切变形速度；粘度与压强和温度相关2.上式不是对所有的液体都适用，仅适用于牛顿流体；3.牛顿流体：在温度不变的条件下，粘度值不变的流体；但凡满足上式关系的流体都是牛顿流体；4.水、空气、油类和水银等流体在一般温度下都是牛顿流体。假设没有粘性的液体〔粘度为0〕，成为理想液体。实际中不存在理想液体，都是有粘性的。表1-1水的黏度与温度的关系

表1-2空气的黏度与温度的关系

【例1-1】一平板距另一固定平板δ=0.5mm，二板水平放置，其间充满流体，上板在单位面积上为τ=2N/m2的力作用下，以u=0.25m/s的速度移动，求该流体的黏度。【解】由牛顿内摩擦定律

由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，可用增量来表示微分例题1-1五、压缩性和膨胀性压缩性—流体受压、体积缩小、密度增大的性质。

解除外力后又能恢复原状的特性，称为弹性。液体的压缩性和弹性，常用压缩系数κ

和弹性模量K来度量。式中：p—外加压强κ—压缩系数(m2/s)K—体积弹性模量(Pa)κ越大，液体越易压缩。膨胀性—流体受热、体积膨胀、密度减小的性质。液体的热膨胀性用热膨胀系数表示。表示在一定的压强下，温度升高一度，密度的相对减小率。假设液体的原体积为V，温度增加dT后，体积增加dV，热膨胀系数为：气体的可压缩性和热膨胀性气体具有显著的可压缩性，一般情况下，常见气体的密度、压强和温度三者之间的关系，符合完全气体状态方程R为气体常数，空气为287J/kg.K3.不可压缩流体实际流体都是可压缩的，但是有很多流动，流体的密度变化小，可以忽略。不可压缩流体是流体的每个质点在运动全过程中，密度不变化的流体。液体在前面的表格中可以看到其压缩系数很小，可按不可压缩流体处理。气体的可压缩性远大于液体，但是在土木工程中常见的气流运动中，管道不很长，气流速度不大，气体在流动过程中，密度也没有明显变化，仍可以作为不可压缩流体看待。六、外表张力特性当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生外表张力，出现一些特殊现象，例如空气中的雨滴呈球状，液体的自由外表好似一个被拉紧了的弹性薄膜等。外表张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称为内聚力。液体在外表张力作用下具有尽量缩小其外表的趋势。外表张力的大小，用外表张力系数σ度量。单位长度的外表张力，称为外表张力系数，单位为：N/m。外表张力系数σ随液体种类和温度而变化。外表张力是液体的特有性质。液体在细管中能上升或下降的现象称为毛细现象。液体在细管中上升或下降的高度与外表张力有关毛细现象水水银1-5流体的力学模型和研究方法一、流体力学模型1、理想流体2、不可压缩流体实际流体与理想流体的区别在于有无粘滞性。3、连续介质假设绪论小结本章概述了有关流体力学研究对象和研究方法的一些根本概念。