工程流體力學(xué)01

1、工程流體力學(xué)（緒論）,油氣儲運(yùn)教研室：邊娟,2,① 公共郵箱：yqcygcltlx@sohu.com 密碼：yqcy1234。分享教學(xué)資料②郵箱：bjdyxzh@126.com。③電話：18319756702 （6702）。,聯(lián)系方式：,關(guān)于本課程的幾點(diǎn)說明,教材：《工程流體力學(xué)》 楊樹人等 石油工業(yè)出版社,1.,課時(shí)：總共14×3,2.,關(guān)于本課程的幾點(diǎn)說明,學(xué)習(xí)基礎(chǔ)：高等數(shù)學(xué) 線性代數(shù) 理論

2、力學(xué) 材料力學(xué) 以及部分的矢量分析,1.,關(guān)于本課程的幾點(diǎn)說明,第一章 緒論部分,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,3. 流體力學(xué)在油氣儲運(yùn)中的應(yīng)用,4. 如何學(xué)好流體力學(xué),第一章 緒論部分,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),一、流體的定義、特征,1、定義：能夠流動(dòng)的物質(zhì)為流體，包括氣體和液體。力學(xué)定義，則在任何微小切力的作用下都能發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體。,2、特征：流動(dòng)性、壓縮、膨脹

3、性、粘性,第一章 緒論部分,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),剛體彈性體塑性體流體,無任何變形變形力與作用力大小成正比作用消失后只能部分恢復(fù)形狀無論作用多少力，其變形都將持續(xù)下去，直至剪切力消失剪切力,,剪切力,第一章 緒論部分,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),對“海底人”怎么看？,第一章 緒論部分,生命存活于海洋已經(jīng)40億年了。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,人類在空氣中已經(jīng)生

4、活了700萬年了。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,雖然生活在流體環(huán)境中，人們對于一些“司空見慣”的問題未必能道出隱藏其背后的“流體力學(xué)”的深意，例如：,1.高爾夫球的表面為什么是粗糙的？,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,高爾夫球的外表面為什么采用粗糙的，而不是光滑的？,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),

5、第一章 緒論部分,起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時(shí)用皮革制球。,最早的高爾夫球（皮革已龜裂）,后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。,光滑的球,表面有凹坑的球,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。,1. 認(rèn)識流體與

6、流體力學(xué),第一章 緒論部分,,,,,,馬車型,箱 型,流線型（甲殼蟲型）,船 型,魚 型,楔 型,汽車外形的演變與“流體力學(xué)”的發(fā)展有關(guān)嗎？,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,汽車阻力 汽車發(fā)明于19世紀(jì)末。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車高速前進(jìn)時(shí)的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論,因此早期的汽車后部是陡峭的，

7、稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約0.8。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論,空氣阻力系數(shù)：又稱風(fēng)阻系數(shù)，是計(jì)算汽車空氣阻力的一個(gè)重要系數(shù)。它是通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和下滑實(shí)驗(yàn)所確定的一個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)，用它可以計(jì)算出汽車在行駛時(shí)的空氣阻力?？諝庾枇κ瞧囆旭倳r(shí)所遇到最大的也是最重要的外力。風(fēng)洞就是用來產(chǎn)生人造氣流(人造風(fēng))的管道。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),風(fēng)阻系數(shù)＝正面風(fēng)阻力×2÷(空氣密度

8、5;迎風(fēng)面積×車速平方),第一章 緒論部分,實(shí)際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理，改進(jìn)了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,50～60年代又改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,80年代經(jīng)風(fēng)

9、洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，進(jìn)一步改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,經(jīng)過近80年的研究和改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，減少到原來的1/5。,1. 認(rèn)識

10、流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),流體力學(xué) Fluid Mechanics ：宏觀力學(xué)的一個(gè)分支，研究流體在外力作用下的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體和與之接觸的物體之間相互作用。,研究對象：流體(Fluid)。包括液體和氣體。液體— 無形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自由液面。氣體— 既無形狀，也無體積，易于壓縮。與固體的區(qū)別：在于它們對外力抵抗的能力不同，固體既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變

11、形；流體只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。,第一章 緒論部分,1. 認(rèn)識流體與流體力學(xué),第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,早在公元前，人類研究流體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)取得了不少的成就，如:,公元前2280年大禹治水,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,早在公元前，人類研究流體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)取得了不少的成就，如:,公元前3世紀(jì)，中國四川都江堰水利工程,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷

12、史,早在公元前，人類研究流體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)取得了不少的成就，如:,公元前4世紀(jì)，古羅馬供水系統(tǒng),第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,早在公元前，人類研究流體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)取得了不少的成就，如:,公元前3世紀(jì)，阿基米德浮力定律,,Archimedes(C. 287-212 BC)建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，編寫了流體力學(xué)第一部著作——“論浮體”，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。,第一章 緒論部分,2. 流

13、體力學(xué)的發(fā)展歷史,17世紀(jì),帕斯卡 靜止流體中流體的概念,,帕斯卡（Blaise Pascal ，1623－1662）1650年，帕斯卡提出了靜止流體中壓力的概念。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,17世紀(jì),牛頓 內(nèi)摩擦定律,,Newton(1642-1727) 1686年牛頓（Newton,I.）發(fā)表了名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》對普通流體的黏性性狀作了描述，即現(xiàn)代表達(dá)為黏性切應(yīng)力與速度梯度成正比—牛

14、頓內(nèi)摩擦定律。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,18世紀(jì)～19世紀(jì)，流體力學(xué)得到了較大的發(fā)展，成為獨(dú)立的一門學(xué)科。,伯努利 伯努利方程,,伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學(xué)家。 古典流體力學(xué)的奠基人是瑞士數(shù)學(xué)家他和他的親密朋友歐拉(Euler，L.)。 在1738年出版的名著《流體動(dòng)力學(xué)》中，建立了流體位勢能、壓強(qiáng)勢能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學(xué)

15、者的工作奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,18世紀(jì)～19世紀(jì)，流體力學(xué)得到了較大的發(fā)展，成為獨(dú)立的一門學(xué)科。,歐拉 連續(xù)介質(zhì)模型 歐拉方程,,歐 拉（L.Euler，1707－1783） 1755年發(fā)表《流體運(yùn)動(dòng)的一般原理》，提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程，給出了不可壓縮理想流體運(yùn)動(dòng)的一般解析方法。他提出了

16、研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應(yīng)當(dāng)滿足的運(yùn)動(dòng)條件和方程。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,18世紀(jì)～19世紀(jì)，流體力學(xué)得到了較大的發(fā)展，成為獨(dú)立的一門學(xué)科。,達(dá)朗貝爾 達(dá)朗貝爾佯謬,,達(dá)朗貝爾（J.le R.d‘Alembert,1717－1783） 1744年提出了達(dá)朗貝爾疑題（又稱達(dá)朗伯佯謬），即在理想流體中運(yùn)動(dòng)的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了理想流體假定的局限性。,第一

17、章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,18世紀(jì)～19世紀(jì)，流體力學(xué)得到了較大的發(fā)展，成為獨(dú)立的一門學(xué)科。,拉格朗日,,拉格朗日J(rèn). –L. Lagrange (1736-1813)提出了新的流體動(dòng)力學(xué)微分方程，使流體動(dòng)力學(xué)的解析方法有了進(jìn)一步發(fā)展。嚴(yán)格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運(yùn)動(dòng)開辟了道路。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,18世紀(jì)～

18、19世紀(jì)，流體力學(xué)得到了較大的發(fā)展，成為獨(dú)立的一門學(xué)科。,納維 斯托克斯 N-S方程,,納維（L.Navier，1785－1836，法國）,斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國））,納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運(yùn)動(dòng)微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分解為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運(yùn)動(dòng)。后來引用時(shí)，便統(tǒng)稱

19、該方程為納維-斯托克斯方程。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,19世紀(jì)末開始，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究逐漸密切結(jié)合起來。,雷 諾 流態(tài) 雷諾數(shù),雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動(dòng)阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。,第一章 緒論部分,2.

20、流體力學(xué)的發(fā)展歷史,現(xiàn)代意義上的流體力學(xué)形成于20世紀(jì)初，以邊界層理論為標(biāo)志,普朗特 邊界層理論,普朗特（L.Prandtl，1875－1953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機(jī)制。以后又針對航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機(jī)翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,20世紀(jì)，航空航天事

21、業(yè)方面取得了迅猛的發(fā)展。,儒科夫斯基 建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等,儒科夫斯基 H. E. (1847-1921)從1906年起，發(fā)表了《論依附渦流》等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高效能飛機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史

22、,我國,周培源,周培源 （1902－1993) 主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方面，即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教學(xué)并取得出色成果 。,第一章 緒論部分,2. 流體力學(xué)的發(fā)展歷史,我國,錢學(xué)森,錢學(xué)森（1911－2009）在動(dòng)力、制導(dǎo)、氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、計(jì)算機(jī)、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域具有豐富知識，為中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。,第一章 緒論部分,3.

23、 流體力學(xué)在石油儲運(yùn)中的應(yīng)用,地面集輸管網(wǎng)的工藝計(jì)算，以及設(shè)備的選型、運(yùn)行參數(shù)的確定等,第一章 緒論部分,3. 流體力學(xué)在石油儲運(yùn)中的應(yīng)用,原油、天然氣以及成品油長輸管網(wǎng)和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的工藝計(jì)算，管道的管徑、壁厚的確定，泵或者壓縮機(jī)的選型和安裝位置的確定等,第一章 緒論部分,3. 流體力學(xué)在石油儲運(yùn)中的應(yīng)用,油罐強(qiáng)度的校核、罐區(qū)管線的設(shè)計(jì)計(jì)算等等,第一章 緒論部分,3. 流體力學(xué)在石油儲運(yùn)中的應(yīng)用,油

24、品的裝卸時(shí)間的確定,第一章 緒論部分,3. 流體力學(xué)在石油儲運(yùn)中的應(yīng)用,油品、天然氣的計(jì)量,第一章 緒論部分,3. 流體力學(xué)在石油儲運(yùn)中的應(yīng)用,煉廠工藝設(shè)計(jì)中配管的工藝計(jì)算；油品的煉制過程中，油品在設(shè)備間輸轉(zhuǎn)的工藝參數(shù)的確定等,第一章 緒論部分,4. 如何學(xué)習(xí)“流體力學(xué)”,1.掌握從一般到特殊的學(xué)習(xí)方法從物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)普遍規(guī)律出發(fā)，掌握一般形式的基本方程組，再根據(jù)具體條件分析具體問題，派生方程只是基本方程在不同條

25、件下的簡化應(yīng)用。2.在掌握“三基”上下功夫掌握基本原理、基本概念、基本方法，反復(fù)訓(xùn)練，深刻理解。,第一章 緒論部分,4. 如何學(xué)習(xí)“流體力學(xué)”,3.認(rèn)真聽課，適當(dāng)記筆記對自己認(rèn)為的重點(diǎn)、難點(diǎn)認(rèn)真聽老師的講解和處理方法，對典型的課堂例題，應(yīng)記錄分析問題的思路、解題步驟。4.作好預(yù)習(xí)，有準(zhǔn)備地聽課對較難章節(jié)，一定要預(yù)習(xí)，看不懂的地方重點(diǎn)聽老師講解，要把70％的精力放在看書上，重要的是理解，不要死記硬背。,第一章

26、緒論部分,4. 如何學(xué)習(xí)“流體力學(xué)”,5.解題規(guī)范化，加強(qiáng)基本功訓(xùn)練作業(yè)最好抄題，便于復(fù)習(xí)時(shí)參考。根據(jù)不同的題型，認(rèn)真歸納，明確其中知識點(diǎn)，掌握解題思路和方法步驟，達(dá)到解題觸類旁通，舉一反三的目的。最重要的是自己做，杜絕抄襲！6.重視實(shí)驗(yàn)，親手去做對教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)都親自認(rèn)真去做，加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解、應(yīng)用和升華。培養(yǎng)獨(dú)立的動(dòng)手能力，也為將來進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連

27、續(xù)介質(zhì)假設(shè),2. 密度,3. 壓縮性和膨脹性,4. 粘性,5. 表面張力,6. 作用在流體上的力,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

28、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,從微觀角度分析：,流體,,分子,從單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)出發(fā)開始研究,,大量分子不停地做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，并且頻繁碰撞，則相應(yīng)的

29、物理量隨著時(shí)間做隨機(jī)的變化；,由于分子間存在空隙，物理量的空間分布是不連續(xù)的。,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),流體力學(xué)所研究的并不是流體個(gè)別分子的熱運(yùn)動(dòng)，而是研究由大量分子組成的流體在外力作用下而引起的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,,,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

30、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),若將研究對象擴(kuò)大到含有大量分子的流體團(tuán)。只要分子數(shù)足夠多，統(tǒng)計(jì)平均值在時(shí)間上是確定的，如分子速度 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

31、,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),臨界體積 具有的特點(diǎn)是： 宏觀上足夠??； 微觀上足夠大，包含的分子數(shù)足夠多，使得物理量統(tǒng)計(jì)平均值在時(shí)間上是確定的。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

32、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),若將臨界體積 所包含的流體微團(tuán)作為流體的最小基本單元，有兩個(gè)缺點(diǎn)： 雖然很小 ，其仍然有線尺度，不能與數(shù)學(xué)上的點(diǎn)的概念統(tǒng)一； 在流體流動(dòng)過程中，微團(tuán)將變形，不再符合點(diǎn)的概念。

33、,,若將臨界體積 所包含的流體微團(tuán)模型化，引出“流體質(zhì)點(diǎn)”的概念。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),“流體質(zhì)點(diǎn)”： 流體質(zhì)點(diǎn)無線尺度，流體質(zhì)點(diǎn)不作隨機(jī)運(yùn)動(dòng) ， 只在外力作用下作宏觀運(yùn)動(dòng)。,,,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

34、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),連續(xù)介質(zhì)假設(shè)： 1753年歐拉（Euler）首先采用連續(xù)介質(zhì)作為流體宏觀運(yùn)動(dòng)的模型，即不考慮流體分子的存在，把真實(shí)的流體看成是由無限多流體質(zhì)點(diǎn)組成的稠密而無間隙的連續(xù)介質(zhì)。,在流體質(zhì)點(diǎn)概念和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的基礎(chǔ)上： 每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)都具有確定的宏觀物理量， ； 根據(jù)物理學(xué)基本定律，可

35、建立該物理量滿足的流體運(yùn)動(dòng)微分方程； 數(shù)學(xué)求解，可獲得該物理量隨空間位置和時(shí)間連續(xù)變化的規(guī)律。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),對某一種實(shí)際流動(dòng)能否按連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下的理論來研究，有一個(gè)簡單的判斷式： 其中，d是就是前面所定義的極限體積的特征尺寸，如 ； 則 ； 是所研究的流體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下

36、，氣體的 約為10-7cm，液體的 約為10-8cm；,,0 ?C，標(biāo)準(zhǔn)壓力下，10-9cm3水含3.4×1013個(gè)分子氣體含2.7×1010個(gè)分子,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),L則為所研究流體中，宏觀物理量將發(fā)生顯著變化的特征長度，例如，所研究的是管道中的流動(dòng)，則特征長度可取管道直徑或長度，如果研究的是流體繞過物體的流動(dòng)，則可取物體的長度、寬度或高度作為特征長度。

37、 不適用的情況，高空稀薄氣體中航天器的運(yùn)行問題；血液在微細(xì)血管（直徑<10-3cm）的運(yùn)動(dòng)等,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),為了描述流體微團(tuán)的旋轉(zhuǎn)和變形引入流體質(zhì)元（流體元）模型： 流體元為由大量流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的微小單元， ； 由流體質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)形成流體元的旋轉(zhuǎn)和變形。,δz,δy,δx,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),流體

38、微團(tuán)大量流體質(zhì)點(diǎn)組成具有線性尺度效應(yīng)微小流體團(tuán),流體質(zhì)點(diǎn)微觀充分大，宏觀充分小不具有線性尺度效應(yīng)分子團(tuán),流體質(zhì)點(diǎn),流體微團(tuán),流體,,,變形、旋轉(zhuǎn)等,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1. 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),1.按連續(xù)介質(zhì)的概念,液體質(zhì)點(diǎn)是指____A.液體的分子 B.液體內(nèi)的固體顆粒 C.幾何的點(diǎn) D.一塊體積為無窮小的微量流體，包含有眾多分子，反映大量分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均值。,2.什么是連續(xù)介質(zhì)假

39、設(shè)？流體質(zhì)點(diǎn)是一塊體積為無窮小的微量流體，包含有眾多分子，反映大量分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均值。將流體視為由無數(shù)連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的連續(xù)介質(zhì)。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,2. 密度,2.1 單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為密度，以ρ表示，單位為 kg/m3 。表征流體的質(zhì)量在空間的密集程度。,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,2. 密度,,密度是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,2. 密度,

40、2.2 流體的比容：單位質(zhì)量的流體所占有的體積，用 表示，即：,2.3 液體的相對密度：指其密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下與4℃時(shí)液態(tài)水密度的比值。,這是一個(gè)定值，,2.4 氣體的相對密度：指氣體密度與特定溫度和壓力下空氣的密度（或氫氣）密度的比值，沒有統(tǒng)一的規(guī)定。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,2. 密度,2.5 流體的重度：流體單位體積內(nèi)所具有的重量稱為重度，或稱為容重、重率，以 表示，單位為

41、 。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,3. 壓縮性與膨脹性,,3.1 流體的壓縮性：指在溫度T不變的條件下，流體的體積會隨壓力的變化而變化的性質(zhì)。,問題：如何表示流體的可壓縮性大小？,壓縮系數(shù)：在給定溫度條件下，單位壓強(qiáng)所引起流體體積的變化率。,問題：1）為什么上式右邊要增加一負(fù)號？,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,3. 壓縮性與膨脹性,,流體被壓縮時(shí)，其質(zhì)量并不改變，根據(jù)

42、 ，微分得：,根據(jù)密度是否變化，將流體分為：,,說明：（1） 通常液體的壓縮性很小，一般視為不可壓縮流體。但當(dāng)壓強(qiáng)變化很大時(shí)，如水擊、水中爆炸等，則必須考慮壓縮性。（2） 氣體的壓縮性較大，一般將氣體視為可壓縮流體。但在流速比較低時(shí)，可按不可壓縮流體處理。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,3. 壓縮性與膨脹性,體積彈性系數(shù)(模量)：流體壓縮系數(shù)的倒數(shù)被稱作該種流體的彈性系數(shù)。,問題：1） 越大，表示越容易被壓縮

43、還是越不容易被壓縮？ 2） E越大，表示越容易被壓縮還是越不容易被壓縮？,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,3. 壓縮性與膨脹性,,3.2 流體的膨脹性：在壓力不變的條件下，流體的體積會隨著溫度的變化而變化的性質(zhì)稱為膨脹性。,問題：如何表示流體的膨脹性大??？,體積膨脹系數(shù)：在一定壓強(qiáng)P下，單位溫升引起的體積變化率，單位（K-1）。,膨脹性： 液體的膨脹系數(shù)較小，工程上一般不考慮液體的膨脹性； 氣體的膨脹系數(shù)較大，一

44、般應(yīng)考慮。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,,如果流體質(zhì)點(diǎn)沿著軸向運(yùn)動(dòng)，我們可以把管中流體流動(dòng)看作是許多無限薄的圓形流體層的運(yùn)動(dòng)。 流體層與層之間有相對運(yùn)動(dòng)，快層對慢層有一個(gè)托動(dòng)力，同時(shí)慢層對快層也有一個(gè)阻力，托動(dòng)力和阻力構(gòu)成一對作用力和反作用力，這就是粘性的表現(xiàn)。粘性：流體所具有的阻礙流體流動(dòng)，即阻礙流體質(zhì)點(diǎn)間相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)稱為粘滯性，簡稱粘性。這對大小相等方向相反的力稱為內(nèi)摩擦力或粘滯力。,第一章 流體

45、及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,4.2 粘性產(chǎn)生的原因： 流體內(nèi)摩擦力實(shí)質(zhì)上是流體微觀分子作用的宏觀表現(xiàn)。分析其產(chǎn)生的物理原因，需要從分子微觀運(yùn)動(dòng)來說明。 對于液體：由于分子間距小，在低速流動(dòng)時(shí)，不規(guī)則運(yùn)動(dòng)較弱，因此，粘性力的產(chǎn)生主要取決于分子間的引力。 對于氣體：由于分子間距大，吸引力很小，不規(guī)則運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，因此，其粘性力產(chǎn)生的原因主要取決于分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換。,第一章 流體及其

46、主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,氣體分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍大，流層之間的分子交換頻繁。,當(dāng)兩層液體作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，緊靠的兩層液體分子的平均距離加大，產(chǎn)生吸引力，這就是分子內(nèi)聚力。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,在自然界中，一切流體都具有一定的粘性，粘性是流體本身固有的物理特性，是一個(gè)重要的物理性質(zhì)，它對流體運(yùn)動(dòng)影響很大。粘性是流體中發(fā)生機(jī)械損失的根源。,4.3 牛頓內(nèi)摩擦定律 1686年牛頓提出牛頓內(nèi)摩擦定律。,實(shí)驗(yàn)方

47、法 設(shè)有兩個(gè)足夠大，相距y很小的平行平板。中間充滿一般的均質(zhì)流體，下板固定，上板在切向力T 作用下作勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為u0。平板面積A足夠大，以至于可忽略平板邊緣的影響。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,實(shí)驗(yàn)表明：運(yùn)動(dòng)平板所受到的阻力與其運(yùn)行速度、面積成正比，與兩平板的間距成反比，即,粘性系數(shù)或動(dòng)力粘性系數(shù),內(nèi)摩擦力或者粘性剪切力,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,,,推廣,注意：是指流體質(zhì)點(diǎn)間

48、沒有相對運(yùn)動(dòng)，即流體處于靜止或相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，不存在內(nèi)摩擦力，粘性表現(xiàn)不出來，但不能說流體沒有粘性。,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,4.4 粘性系數(shù)（粘度） 動(dòng)力粘度（粘度）的數(shù)值等于速度梯度引起的粘性切應(yīng)力的大小。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,在流體力學(xué)中，還常用動(dòng)力粘度和流體密度的比值來度量流體的粘度，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以符號 表示。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘

49、性,通常情況下形成流體粘性的因素有兩個(gè)方面：一是流體分子間的引力在流體微團(tuán)相對運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的粘性；二是流體分子的熱運(yùn)動(dòng)在不同流速流層間的動(dòng)量交換所形成的粘性。,,,當(dāng)溫度升高時(shí)：氣體的粘性增大，液體的粘性減小。,對于氣體，形成粘性的主要因素是分子的熱運(yùn)動(dòng),對于液體，形成粘性的主要因素是分子間的引力,4.5 溫度對粘度的影響,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,4.5 溫度對粘度的影響,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部

50、分,4. 粘性,理想流體是假想的流體模型，客觀上并不存在。實(shí)際流體都是有粘性的。,可以把實(shí)際流體看成理想流體的情況：實(shí)際流體的粘性顯現(xiàn)不出來，如靜止的流體、等速直線運(yùn)動(dòng)的流體等粘性不起主導(dǎo)作用,采用理想流體假設(shè)可以大大簡化理論分析過程。,4.6 理想流體：假設(shè)沒有粘性的流體，即μ=0。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,4. 粘性,牛頓流體,切向應(yīng)力和流體的速度梯度成正比的流體，即滿足牛頓粘性應(yīng)力公式的流體。,非牛頓流體,不

51、滿足牛頓粘性應(yīng)力公式的流體。其一般表示式為：,式中，??為流體的表觀粘度，k為常數(shù)，n為指數(shù)。,A：牛頓流體，如水和空氣B：理想塑性體，存在屈服應(yīng)力τ。如牙膏C：擬塑性體，如粘土漿和紙漿D：脹流型流體，如面糊,,4.7 牛頓流體和非牛頓流體,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,,,,表面張力液體表面總是取收縮趨勢，這種趨勢表明液體表面各部分之間存在相互作用的拉力，使其表面總是處于緊張狀態(tài)。液體表面單位長度上的這

52、種拉力就稱為表面張力，以σ表示，單位N/m,液體分子間存在吸引力，影響距離很小，在10-8-10-6cm，形成吸引力影響球。 水面下的影響球的吸引力達(dá)到平衡。在水面臨近，吸引力不能平衡，存在向下的合力。此合力把水面緊緊向內(nèi)部拉。在自由表面上處處產(chǎn)生拉力。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,毛細(xì)現(xiàn)象在表面張力作用下，管中液體將上升或下降一個(gè)高度，稱為毛細(xì)管現(xiàn)象。液體與固體接觸時(shí)，存在兩種力：①內(nèi)聚力：液體分子之間

53、的吸引力；②附著力：液體與固體分子間的吸引力出現(xiàn)兩種情形：①潤濕：內(nèi)聚力附著力，液體相聚成團(tuán)，不依附壁面。例如：水銀在細(xì)玻璃管中液面下降。`,表面張力在一般情況下可以忽略，而在毛細(xì)現(xiàn)象中不可忽略。,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,潤濕性壁面,非潤濕性壁面,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,毛細(xì)現(xiàn)象液體在細(xì)管中上升或下降的高度與表面張力有關(guān)。密度為ρ的液體在潤濕管壁的表面張力作用下，沿直

54、徑為d的細(xì)管上升，到h高度后停止，達(dá)到平衡狀態(tài)，即表面張力向上分力的合力與升高液柱的重量相等，設(shè)液面與固體壁面的接觸角(液體表面的切面與固壁表面的夾角)為Θ，則：`,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,1.下列敘述中_____是正確的。A.靜止液體的動(dòng)力粘度為0B.靜止液體的運(yùn)動(dòng)粘度為0C.靜止液體的受到的切應(yīng)力為0D.靜止液體的受到的壓應(yīng)力為02.流體的相對密度是某種流體的密度與____的比值。A.標(biāo)準(zhǔn)大

55、氣壓下0℃水的密度B.工程大氣壓下0℃水的密度C.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4℃水的密度D.工程大氣壓下4℃水的密度,C,C,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,3.在通常情況下，流體的粘性大小與流體的___有關(guān)。A.流速 B.流動(dòng)表面狀況 C.壓強(qiáng) D.溫度4.流體的膨脹系數(shù)與流體的____有關(guān)。A.溫度 B.壓強(qiáng) C.壓強(qiáng)和溫度 D.數(shù)量5.在相對流靜止流體中不存在____。

56、A.慣性力 B.切應(yīng)力 C.表面張力 D.重力6.與牛頓內(nèi)摩擦定律直接有關(guān)的因素是____A.切應(yīng)力和壓強(qiáng) B.切應(yīng)力和剪切變形速度C.切應(yīng)力和剪切變形 D.切應(yīng)力和流速。,D,C,B,B,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,5. 表面張力,7.水的動(dòng)力粘度隨溫度的升高_(dá)__A.增大 B.減小 C.不變 D.不定8.流體運(yùn)動(dòng)粘度ν的國際單位是____A.m2/s

57、B.N/m2 C.kg/m D.N.s/m2,B,A,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,6. 作用在流體上的力,1、流體每一質(zhì)點(diǎn)無論處于運(yùn)動(dòng)或平衡狀態(tài)，都受到各種力。,2、按作用方式分類：質(zhì)量力和表面力兩類。,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,6. 作用在流體上的力,質(zhì)量力 定義作用在流體內(nèi)部每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，大小與流體質(zhì)量成正比，并且集中作用在質(zhì)量中心上的力稱為質(zhì)量力。

58、 重力 質(zhì)量力 直線慣性力 曲線（離心）慣性力,,質(zhì)量力：是某種力場對流體質(zhì)點(diǎn)的作用力，它不需要與流體直接接觸。所以電場力、電磁力等也是質(zhì)量力。,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,6. 作用在流體上的力,質(zhì)量力單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力用f 表示，即：,

59、思考：質(zhì)量力只受重力的情況，則可表示為？,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,6. 作用在流體上的力,表面力 定義作用于所研究流體的表面上，并與作用面的面積成正比。單位面積上的表面力 可表示為：,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)部分,1、流體力學(xué)的任務(wù)是研究流體的平衡與宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,2、引入流體質(zhì)點(diǎn)和流體的連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)，把流體看成沒有間隙的連續(xù)介質(zhì)，則流體的一切物理量都可看作時(shí)空的連續(xù)函

60、數(shù)，可采用連續(xù)函數(shù)理論作為分析工具。,3、流體的壓縮性，一般可用體積壓縮系數(shù) 和體積模量 E來描述。在壓強(qiáng)變化不大時(shí)，液體可視為不可壓縮流體。,4、粘性是流體最重要的物理性質(zhì)。它是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，抵抗剪切變形的一種性質(zhì)。不同流體粘性的大小用動(dòng)力粘度 ? 或運(yùn)動(dòng)粘度 ? 來反映。溫度是影響粘度的主要因素，隨著溫度升高，液體的粘度下降。理想流體是忽略粘性的假想流體。,應(yīng)重點(diǎn)理解和掌握的主要概念有：流體質(zhì)點(diǎn)、流體的連續(xù)介質(zhì)模