流体力学第一章教材

流体力学主讲人：能源教研室刘春慧

韩国军主编

机械工业出版社选用教材:《流体力学基础与应用》考试成绩分布:笔试占80%出勤占15%实验5%2024/5/313

第一章绪论第一节概述第二节流体的主要物理性质第三节作用在流体上的力§1-1概述流体力学：宏观力学的一个分支，研究流体在外力作用下的宏观运动规律以及流体和与之接触的物体之间相互作用。研究对象：流体，包括液体和气体。液体—

形状随边界变化，体积一定，密度一定，不易压缩，存在自由液面。气体—

既无形状，体积不定，充满边界，易于压缩。与固体的区别：在于它们对外力抵抗的能力不同，固体既能承受压力，也能承受拉力与切力；流体只能承受压力，一般不能承受拉力与切力。研究方法理论分析：建立理论模型(亦称数学模型），并且用数学方法求解规律。

实验研究：根据实际问题利用相似理论建立实验模型来进行求解。数值模拟：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。流体连续介质模型连续介质模型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，这就是1753年欧拉提出的“连续介质模型”。在连续性假设之下，表征流体状态的宏观物理量如速度、压强、密度、温度等在空间和时间上都是连续分布的，都可以作为空间和时间的连续函数。

流体质点：包含有足够多流体分子的微团，在宏观上流体微团的尺度和流动所涉及的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。而在微观上，微团的尺度和分子的平均自由行程相比又要足够大。失效情况:稀薄气体激波(厚度与气体分子平均自由程同量级)2024/5/317流体力学在工程上的应用空气和水是最常见的流体，人的生活离不开水和空气。在工农业生产和城市建设的各个领域有着广泛的应用。如：建筑、土木、环境、水利造船、电力、机械、石油、化工、航天航空、医药、核工程等。2024/5/318§1-2流体的主要物理性质一、惯性流体保持原有运动状态的性质。（一切物质都有惯性）表征惯性大小的物理量：质量

质量是流体惯性大小的表征。

单位体积流体的质量为密度（ρ），均质流体：

（kg/m3）体积质量2024/5/319二、重力特性流体受地球引力作用的特性为重力特性。表征重力特性大小的物理量：重量（重力）

单位体积流体的重量为重度或容重（γ），也用重度（容重）表征重力特性大小。

均质流体：

（N/m3）重量体积2024/5/3110重度与密度关系：g：重力加速度（=9.81m/s2）水银：ρ=13600kg/m3

，

=133375N/m3

水：ρ=1000kg/m3

，

=9807N/m3

干空气（一个大气压，20℃时）：ρ=1.2kg/m3

，

=11.7N/m3常用流体的密度和重度：2024/5/3111三、压缩性与热胀性压缩性：在温度不变的条件下，随压强的增大，流体体积减小，密度增大的性质。热胀性：在压强不变的条件下，随温度的升高，流体体积增大，密度减小的性质。液体的压缩性和热膨胀性

液体的压缩性与热胀性不很明显，用体积压缩率（

）和体膨胀系数（）表示其大小。（m2/N）（1/K）

原体积2024/5/3112

液体的体积压缩率和体膨胀系数很小。压强每升高一个大气压，水的密度约增加二万分之一。在常温下，温度每升高1℃，水的体积相对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如90～100℃，也只增加万分之七。

液体的压缩性和热膨胀性2024/5/3113

不可压缩流体就是被忽略了压缩性的流体，它是实际流体在某种条件下的简化力学模型。

工程上常把液体看成是不可压缩流体。

气流速度不大，远小于声速（约340m/s）,气体在流动过程中，密度没有明显变化，仍可作为不可压缩流体处理。不可压缩流体的概念2024/5/3114四、粘滞性流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质。u=f（y）u0u=0

粘性是流体特有的属性2024/5/3115内摩擦力的计算（N）牛顿内摩擦定律：dudyu0流层间的内摩擦力流体的粘滞系数流层间的接触面积速度梯度两流层间无相对运动时，内摩擦力为零。切应力：2024/5/3116用粘度（粘滞系数）表示流体粘性的大小不同流体，粘滞系数不同。同一流体的粘滞系数越大，流体粘性越强。同一流体的粘性随温度变化而变化。液体粘性随温度升高而减小，气体粘性随温度升高而增大。运动粘度（运动粘滞系数）：（m2/s）动力粘度（动力粘滞系数）：

（Pa.s）两者关系：2024/5/3117理想流体的概念

理想流体就是不考虑粘性的流体，它也是流体的一种力学模型。

粘性的存在，给流体运动规律的研究带来极困难。引入理想流体概念的好处：一方面，对于粘性不起作用或不起主要作用的问题，我们可以忽略流体的粘性。另一方面，对于粘性影响较大的问题，我们可先按理想流体来研究，得出理论结果；然后，再考虑粘性作用，对理论结果进行实验修正，从而简化了研究过程。一些昆虫可以停在水面上而不致沉入水里?表面张力和毛细现象由滴管口缓慢流出的液体不是连续的液流而是连串的液滴

叶面上的露珠，小水银滴，总是球形。

2024/5/3120五、表面张力特性表面张力是由于分子间的引力作用，在液体的自由表面上能够承受极其微小的拉力。水：水银：如:表面张力特性是液体的特有性质。表面张力特性用表面张力系数表示：

（N/m）2024/5/3121湿润与不湿润

若液体(如水)分子间的吸引力(称为内聚力)小于液体分子与固体分子之间的吸引力，也称为附着力，则液体能够润湿固体，反之不能湿润固体。水润湿固体不湿润固体水银水：水银：2024/5/3122毛细管现象毛细现象——竖直放在液体中的细管，由于表面张力作用，细管中的液面会发生上升或下降的现象。上升或下降的高度：

2Rh水银h水h测压管的管径为什么不能过细？2024/5/3123一、质量力

——作用在流体内所有流体质点上并与流体质量成正比的力。如：重力、惯性力等。质量力的表示方式：

一般将其沿三个垂直方向分解，分别用X、Y、Z表示单位质量力在上三个垂直方向上的分量。

如质量力只有重力时：X=0，Y=0，Z=-g单位质量力（m/s2）：§1-3作用在流体上的力质量力质量2024/5/3124

——作用于流体之间或流体与其它物体之间的接触面上，与受作用的表面积成正比的力。如：压力、摩擦力等。二、表面力表面力的表示方式：

一般将其沿法线方向和切线方向分解：ΔAΔFΔPΔT（Pa

）法线方向：压强:切线方向：（Pa

）切应力:

AτΔFΔPΔTΔAVn法向应力周围流体作用的表面力切向应力图1-7作用在流体上的表面力重力惯性力(大小与质量成正比)法向力（pa)切向力τ(作用于液体的表面)表面力质量力作用于流