济南大学流体力学课件-第一章 绪论.ppt

1、上 篇 流体力学(Fluid Mechanics）,第一章 绪 论(Introduction) 第一节 流体的定义、特征及连续介质假设 (Definition, Characteristics and Continuum Hypothesis of a Fluid) 1、定义：能够流动的物质。 根据其力学特征(mechanical characteristics)可以定义为： 受到任何微小剪切力(shear force)的作用都能够导致其连续变形的物质。 流体是液体(liquid)和气体(gas)的总称。,2、流体的主要特征(Basic Characteristics of a Fluid),

2、易流动性（力学特征，易变形）(Fluidity) 静止状态的流体(static fluid)不能承受剪切应力； 流体只能承受压力(compressive stress pressure)，不能承受拉力(tensile stress, tension)； 液体随其所在容器的形状而变，气体总能充满它所到达的全部空间。,3、 流体的连续介质假设（Continuum Hypothesis ）,1753年，欧拉（L.Euler）提出了连续介质假设， 为研究流体的宏观运动奠定了基础。,内容：,不考虑分子间存在的间隙，而把流体看作是 由无数连续分布的流体微团或质点组成的连续介质。,作用与意义： 连续介质模型

3、的假设使表征流体属性的物理量，如密度、压力（压强）、温度、速度、黏度、应力等都可以看成是连续分布的，可以用时间、空间的单值连续函数来表示，从而就可以以微分方程来描述流体的平衡、运动规律了。,一、流体密度与重度： 密度定义：单位体积的流体所具有的质量 物理意义：表示流体在空间分布的密集程度。,对于均质流体，各点密度相同，即：,对于非均质流体，各点密度不相同，在流体的空间中某点密度：,第二节 流体的主要物理特性(Physical Characteristics of a Fluid),重度：,对于均质流体,对于非均质流体,1、压缩性： 定义：在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩 小的性质 表示

4、方法：体积压缩系数 (The coefficient of compressibility),（1/Pa）,二、流体的压缩性与膨胀性,2、膨胀性： 定义： 在一定的压强下，流体的体积随温度的升 高而增大的性质 表示方法：温度膨胀系数(the coefficient of expansibility),（1/K）,实验表明: 液体不具有明显的压缩性与膨胀性 - 可以不考虑 气体的压缩性与膨胀性不同于液体，具有明显的压缩性与膨胀性的压缩性大得多，这是由于气体的密度随着温度和压强的改变将发生显著的变化。 对于理想气体，其密度与温度和压强之间的关系用热力学中的状态方程式表示，即,三、流体的黏性,2、定

5、义：流体在流动过程中由于流体之间的内摩擦力而 引起的阻碍流体运动的性质称为流体的黏性。,1、实验,内摩擦力的表示：用剪切应力（单位接触面积上的力）。,实验表明：剪切应力的大小同速度梯度du/dy成正比。 即：,式中黏度或黏滞系数(viscosity or absolute viscosity)。,N/m2（牛顿内摩擦定律）,黏度的单位是：N.s/m2或Pa.s 黏度的物理意义：表征单位速度梯度作用下的切应力，反映了流体黏性的动力性质，所以又被称为动力黏度。,与动力黏度对应的是运动黏度(kinematic viscosity)，二者的关系是,运动黏度物理意义： 单位速度梯度作用下的切应力对单位体

6、积的质量作用产生的阻力加速度。,（m2/s）,原因：分子之间的内聚力对液体黏性起主要作用。 当 温度升高时，分子间距离变大，内聚力相应变小，因而黏度下降。,液体黏度：随温度升高急剧下降。,3、黏性与温度的关系,气体黏度：随温度的上升而增大。,原因：相邻流层之间分子动量的交换对气体黏性起主要作用。 当温度升高时，气体的热运动加强，动量交换增多，各层之间的制动作用加大，因而黏度增大。,书上表1-1、1-2,混合气体的黏度，可以近似用下式来计算：,式中: Mm混合气体的分子量； m混合气体的黏度； Mi、i、i混合气体中各组分的分子量、体积百分数、黏度。,4、混合气体的黏度,液体与固体壁面相接触时，

7、当液体内聚力小于液体与壁面间的附着力时，液体的表面张力将使液体沿垂直管壁上升； 反之，当液体内聚力大于液体与壁面间的附着力时，液体的表面张力将使液体沿垂直管壁下降。,四、液体的张力特性(Surface Tension and Capillarity),表面张力定义： 当液体出现自由表面时，液体表面层中的液体分子都受到指向液体内部的拉力。,毛细现象：液体沿管壁上升或下降的现象,-表面张力系数, N/m.)、 -接触角、 -液体的重度 d-管内径,第三节 作用在流体上的力 -质量力与表面力,一、质量力(mass force)： 1、定义：指作用在流体某体积内所有流体质点上,并与这一体积的流体质量成正比的力。 例如：重力是最普遍的一个质量力（G=mg)。 其他质量力如：磁力场中的磁力； 电力场中的电动力； 加速运动中的惯性力。 2、度量方法：单位质量力f,单位：ms2。,在直角坐标系中，若质量力在各坐标轴上投影分别为dFx、dFy、dFz。设X、Y、Z为单位质量力在x、y、z轴向的分力，则单位质量力的轴向分力分别表示为:,在重力场中：,二、表面力(surface force),定义：指作用在流体中所取某部分流体体积表面上的