绪论流体性质学时

2015年09月谢文忠工程流体力学

能源与动力学院

课程安排教材：梁德旺《流体力学基础》航空工业出版社参考书：杜广生《工程流体力学》中国电力出版社林建中《流体力学》清华大学出版社2005.9学时数：

44（理论课）+4（实验课）课程性质：专业必修课考核办法到勤率：10%缺课1次扣2分，缺课3次及以上取消考试资格平时作业：10%实验环节：10%期末考试：70%1、什么是流体？流体具有哪些性质？2、流体运动的描述方法?3、流体在静止或运动状态下必须满足哪些基本定律？

第一章绪论质量守恒动量守恒（牛顿第二运动定理）能量守恒（伯努利定律）（第3章）（第3章）（第1章）4、特定条件下的流体力学问题及其理论分析方法第一章绪论流体静力学相似原理与量纲分析流动损失与管路计算不可压平均势流理论边界层理论5、气体动力学（压缩性的影响）6、能够解决哪些工程流体力学问题？（第2章）（第4章）（第6章）（第7章）（第9、10、11章）（第2、3、4、5、6、11章）（第5章）流体力学：宏观力学。研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态特性，以及流体和相邻固体物面间有相对运动时的相互作用和流动规律。FluidMechanics,FluidHydrodynamics，Hydrodynamics研究对象：流体(Fluid)。包括液体(liquid)和气体(gas)。第一章绪论基本方法:数学工具+自然界三大守恒定理第一章绪论主要内容：了解流体力学的研究任务，感受学习意义连续介质的概念流体的定义流体的压缩性、膨胀性、粘性等流体基本性质难点：连续介质假设流体的粘性及粘性切应力公元前300多年李冰都江堰——深淘滩，低作堰1.1流体力学发展简史鱼嘴宝瓶口飞沙堰1.1流体力学发展简史达芬奇(14521519)——水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理阿基米德（公元前250年）——古希腊哲学家《论浮体》奠定了流体静力学的基础!1.1流体力学发展简史1686年牛顿——牛顿内摩擦定律（微积分）1647年帕斯卡——提出了流体静力学的基本关系式，推导了连通器原理和帕斯卡原理(1650)1.1流体力学发展简史1738年伯努利——伯努利方程1755年欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程(理论流体动力学的奠基人)1.1流体力学发展简史1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）1.1流体力学发展简史

1906年儒科夫斯基——找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系。

1903年普朗特——边界层理论

——近代流体力学的奠基人1.1流体力学发展简史圆柱绕流动画

1911年卡门——证明了圆柱尾流内涡街的稳定性，解释桥梁风振、机翼颤振等现象1.1流体力学发展简史

1945年周培源——发表了《关于湍流关联速度和湍流脉动方程的解》，首先提到了相关函数的微分方程，为现代湍流高阶矩模式理论奠定了基础。以后又提出了湍流的旋涡结构理论

20世纪30年代钱学森并同卡门一起提出了近似计算高亚声速流气动力的卡门―钱公式。20世纪40年代提出了跨声速流的相似律中国科学家1.1流体力学发展简史交通运输1.2流体力学在工程中的应用交通运输1.2流体力学在工程中的应用交通运输1.2流体力学在工程中的应用枪械1.2流体力学在工程中的应用能源、动力1.2流体力学在工程中的应用能源、动力液压千斤顶动画演示1.2流体力学在工程中的应用气象科学1.2流体力学在工程中的应用生命科学1.2流体力学在工程中的应用其他工业应用管道煤气、石油、自来水等输送大部分动力机械的工质均是流体高层建筑、大桥等电子元器件的冷却1.2流体力学在工程中的应用流体力学在身边1.2流体力学在工程中的应用流体力学在身边射程增至五倍？1.2流体力学在工程中的应用流体力学在身边1.2流体力学在工程中的应用流体力学在身边香蕉球动画演示1.2流体力学在工程中的应用1.3流体的连续介质假设动画演示流体连续介质假设:

将流体作为由无穷多稠密、没有间隙的流体质点构成的连续介质。（欧拉，1753）

在连续性假设之下，表征流体状态的宏观物理量在每个空间点和每个时刻都有确定的物理量（统计平均量），都是空间和时间的连续函数。空间点：流体质点占据的几何空间——临界体积1.3流体的连续介质假设流体质点密度:临界尺度:1.3流体的连续介质假设流体质点：包含有足够多流体分子的微团：

(1)在宏观上，流体微团的尺度与所研究物体的特征长度相比充分的小，小到在数学上可以作为一个点来处理。

(2)在微观上，微团的尺度和分子的平均自由行程相比又要足够大。1.3流体的连续介质假设

※

稀薄气体、激波之外的绝大多数流体力学问题，连续介质假设均成立

※

只有当物体的特征尺寸同流体的平均分子自由程相比为非常大时，连续介质假设才能成立。相关讨论

固体、液体和气体差异1.4流体的定义及特性1.4.1流体易变形性流体与固体的对比能够承受压力能够承受压力能够承受拉力不能承受拉力能够在静止状态下承受剪切力（动画演示）无法在静止状态下承受剪切力，剪切力再小导致流体无休止的变化（变形）在弹性范围内，剪切力撤除，恢复原状剪切力撤除无法恢复原状1.4流体的定义及特性固体流体有一定形状无一定形状

流体的定义:

在任何微小剪切力的作用下都能够发生连续变形（运动）的物质称为流体。包括——气体、液体1.4流体的定义及特性流体的压缩性:

在一定的温度下，单位压强增量引起的体积变化率定义为流体的压缩性系数。其值越大，流体越容易压缩，反之，不容易压缩。压缩系数:（1-2）体积弹性模量:压缩系数的倒数，反映材料抵抗弹性变形的能力。（1-3）1.4.2流体的压缩性和膨胀性1.4流体的定义及特性流体的膨胀性:流体温度变化体积改变的性质称为流体的膨胀性，膨胀性的大小用温度膨胀系数来表示。膨胀系数:（1-4）1.4.2流体的压缩性和膨胀性1.4流体的定义及特性不可压缩流体假设:通常要求1.4流体的定义及特性压缩性动画演示不可压缩流体假设:液体很小，即使并不很小，但仍能保持密度变化很小，作为不可压缩流体（水下爆炸例外）低速运动而温度差又不大的气体，密度变化很小，可视为不可压缩流体1.4流体的定义及特性流体的粘性现象演示1.4.3流体的粘性1.4流体的定义及特性流体的粘性:流体所具有的抵抗两层流体相对滑动或剪切变形的性质。反映流体抵抗变形的能力，但不能阻止流动！！流体粘性实验简单Cutte剪切流1.4.3流体的粘性1.4流体的定义及特性牛顿内摩擦定律:牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出假设：“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比”。（1686）一般，粘性剪切应力：（1-8）（1-7）液体粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定,而不是由速度决定。粘性切应力由流体元的角变形速率决定，而不是由变形量决定。1.4流体的定义及特性角变形速率：动力粘性系数:单位：牛秒/米²(N

S/㎡)或帕秒（Pa

S）运动粘性系数:单位：米²

/秒(㎡/S)1.4流体的定义及特性1.4流体的定义及特性1.4流体的定义及特性JohnMainstone沥青粘性极高，差不多是水的2300亿倍ThomasParnell1.4流体的定义及特性(1)粘性是实际流体的固有属性(2)当流体层之间存在相对运动时表现(3)一般均会消耗流体的机械能(4)摩擦力的方向判断－阻碍相对运动(5)分子粘性系数是流体热力学状态的函数，与流动情况无关关于粘性流体粘性成因:

流体内摩擦是两层流体间分子内聚力和分子热运动产生动量交换的宏观表现

液体：相邻两层作相对运动时，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（主导因素）1.4流体的定义及特性

气体：分子的随机运动范围大，分子间作用力小，流层之间的分子交换却很频繁。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：液体粘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。1.4流体的定义及特性1.4流体的定义及特性实验证明，P↑，↑。但是当P不是特别高时，P对影响很小，一般不考虑P对的影响对液体而言T↑，

??对气体而言T↑，

??壁面无滑移:

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。1.4流体的定义及特性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。1.4.4牛顿流体与非牛顿流体:

牛顿流体:

剪应力和变形速率