流体力学 第1章 绪论
01第一章 绪论 《流体力学(第4版)》罗惕乾(电子课件)
E dp dv v
其中E为体积弹性模量，v为流体体积，负号是因为当受压时dp>0体 积减小dv<0，考虑到一定质量的流体 m=ρv = 常数, 其密度与体积成 反比:
dv vd 0, 即 dv d v
体积弹性模量可写为： E ddp(N /mddp2)
dt
d
dt
其中比例系数μ是反映粘性大小的物性参数，称为流体的粘性系数或粘度。
考虑如上图的流体元变形，因为Δ=（u+du)dt-udt=dudt,
又Δ= dytgdθ=dydθ，所以单位时间内的角变形 d等于速度梯度
dt
dd。uy
从而得到著名的牛顿粘性公式：
du
dy
其中τ的单位是帕：N/m2，流体粘性系数μ的单位是：N.s/m2
(3)表面张力σ（N/m) 液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向
产生的拉力, 单位长度上的这种拉力称为表面拉力。
2、毛细现象
(1)内聚力，附着力
液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。
(2)毛细压强
由表面张力引起的附加压强称为毛细压强
3.毛细管中液体的上升或下降高度
d cos( ) 1 d 2hg
慢的趋势，而快层对慢层有向前的牵扯使其有变快的趋势
Δ
u+du τ
dy
d
u
t
t+dt
流体相邻层间存在着抵抗层间相互错动的趋势，这一特性称为流
体的粘性，层间的这一抵抗力即摩擦力或剪切力，单位面积上的剪
切力称为剪切应力τ
牛顿提出，流体内部的剪切力τ与流体的角变形率 成d正比（注
意对于固体而言，τ 与θ 成正比）
流体力学2020_01_绪论-雨课堂
第一章绪论人类生活在一个被大气包围的星球上，而这颗星球表面的3/4又被广阔的海洋覆盖，我们的生活一刻也离不开流体。
流体力学在工业和日常生活中都有着广泛的应用，例如：飞行器、舰船、港口、石油平台、桥梁、水库、城市给排水管网、化工机械、动力设备、医疗设备等的设计需要流体力学；气象、海况和洪水的预报需要流体力学；大气、海洋、湖泊、河流和地下水中环境污染的防治也需要流体力学。
因此，掌握一定的流体力学知识和方法实在是有必要的。
本章内容提要：1）什么是流体？什么是流体力学？2）流体力学的研究方法；3）流体的主要物理性质；4）流体质点的概念和连续介质模型（或连续介质假定）。
连续介质假定是整个流体力学的基石之一，务必深入理解。
1.1 流体力学的研究对象和任务流体力学属于力学的一个重要分支，它是研究流体在各种力的作用下的平衡（静止）和运动规律的一门科学。
Fluid mechanics is the study of fluids either in motion (fluid dynamics) or at rest (fluid statics) and the subsequent effects of the fluid upon the boundaries, which may be either solid surfaces or interfaces with other fluid (Frank M. White).传统上，流体力学的研究对象包括液体（liquid）和气体（gas），二者统称为流体。
近年来，等离子体也被纳入流体力学的研究范畴，因此等离子体在某些情况下也被视为流体。
本书将要讨论的流体限于液体和气体。
此外，在流体力学研究中，通常从形态上将物体分为固体（solid）和流体（fluid）两类。
流体力学研究的是流体中大量分子的宏观运动规律，而不是具体的分子运动，属于宏观力学的范畴。
这一点在本章第3节中将具体讨论。
第1章 流体力学绪论 矿山流体机械
第一节 流体力学概述 流体力学发展简史
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基础阶段 第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个
方向发展——欧拉、伯努利 第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展
第一篇 流体力学基础
流体力学是研究流体运动和平衡规律及 其应用的科学，是力学的一个重要分支。
流体力学研究的对象——液体和气体。来自流体力学的研究内容：1、关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止 （或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力 之间的关系，这一部分称为流体静力学；
2、关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态 时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系， 以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称 为流体动力学。
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着
两个方向发展——欧拉（理论）、伯努利（实验）
工程技术快速发展，提出很多经验公式
1769年 谢才——谢才公式（计算流速、流量）
1895年 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）
1732年 比托——比托管（测流速）
1797年 文丘里——文丘里管（测流量）
理论
流体力学在煤矿中的应用
矿山通风、排水、压气，水力采煤、 重力选矿，气力、水力运输，采煤机、 支架、机床设备的液压系统等。
第1章 绪论
本章学习目标：
掌握液体和气体流动性的区别； 掌握流体密度和重度的概念及计算； 掌握流体的压缩性和膨胀性特点； 掌握牛顿黏性定律及黏性的度量方法。
流体力学发展简史 流体力学的研究方法 流体的主要物理性质
矿山流体机械
龙岩学院物理与机电工程学院 陈虹微
流体力学重点概念总结
第一章绪论表面力：又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。
它的大小与作用面积成比例。
剪力、拉力、压力质量力：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。
重力、惯性力流体的平衡或机械运动取决于：1.流体本身的物理性质（内因）2.作用在流体上的力（外因）流体的主要物理性质：密度：是指单位体积流体的质量。
单位：kg/m3 。
重度：指单位体积流体的重量。
单位： N/m3 。
流体的密度、重度均随压力和温度而变化。
流体的流动性：流体具有易流动性，不能维持自身的形状，即流体的形状就是容器的形状。
静止流体几乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，仅能抵抗压力。
流体的粘滞性：即在运动的状态下，流体所产生的阻抗剪切变形的能力。
流体的流动性是受粘滞性制约的，流体的粘滞性越强，易流动性就越差。
任何一种流体都具有粘滞性。
牛顿通过著名的平板实验，说明了流体的粘滞性，提出了牛顿内摩擦定律。
τ=μ(du/dy)τ只与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。
动力粘度μ：反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2运动粘度ν：ν=μ/ρ第二章流体静力学流体静压强具有特性1.流体静压强既然是一个压应力，它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向，即垂直于作用面，并指向作用面。
2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关，即同一点上各方向的静压强大小均相等。
静力学基本方程: P=Po+pgh等压面：压强相等的空间点构成的面绝对压强：以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强 Pabs相对压强：以当地大气压为基准起算的压强 PP=Pabs—Pa（当地大气压）真空度：绝对压强不足当地大气压的差值，即相对压强的负值 PvPv=Pa-Pabs= -P测压管水头：是单位重量液体具有的总势能基本问题：1、求流体内某点的压强值：p = p0 +γh；2、求压强差：p – p0 = γh ；3、求液位高：h = （p - p0）/γ平面上的净水总压力：潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P，大小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。
流体力学基础知识
目 录 Contents
一 绪论 二 流体静力学 三 流体运动学 四 流体动力学
第一章： 绪论
1.1 流体力学的研究对象
流体力学是研究流体平衡与运动的规律以及它与固 体之间相互作用规律的科学。
其中流体包括液体和气体，相对于固体，它在力学 上表现出以下特点： 流体不能承受拉力。 流体在宏观平衡状态下不能承受剪切力。 对于牛顿流体（如水、空气等）其切应力与应变的时间 变化率成比例，而对弹性体（固体）来说，其切应力则 与应变成比例。
• 数值方法 计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一
1.4 流体力学的发展史
• 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基础阶段 • 第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方
向发展——欧拉、伯努利 • 第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展
体静力学的基础
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基础阶段
• 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——物体沉浮的基本原理 • 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
1.2 连续介质模型
• 连续介质 流体微元——具有流体宏观特性的最小体积的流体团
• 理想流体 不考虑粘性的流体
• 不可压缩性 ρ=c
1.3 流体力学的研究方法
理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充
流体力学基础知识
第一章，绪论1、质量力：质量力是作用在流体的每一个质点上的力。
其单位是牛顿，N。
单位质量力：没在流体中M点附近取质量为d m的微团，其体积为d v，作用于该微团的质量力为dF，则称极限lim(dv→M)dF/dm=f，为作用于M点的单位质量的质量力，简称单位质量力。
其单位是N/kg。
2、表面力：表面力是作用在所考虑的或大或小得流体系统（或称分离体）表面上的力。
3、容重：密度ρ和重力加速度g的乘积ρg称容重，用符号γ表示。
4、动力黏度μ：它表示单位速度梯度作用下的切应力，反映了黏滞性的动力性质。
其单位为N/（㎡·s），以符号Pa·s表示。
运动黏度ν：是单位速度梯度作用下的切应力对单位体积质量作用产生的阻力加速度。
国际单位制单位㎡/s。
动力黏度μ与运动黏度ν的关系：μ=ν·ρ。
5、表面张力：由于分子间的吸引力，在液体的自由表面上能够承受的极其微小的张力称为表面张力。
毛细管现象：由于表面张力的作用，如果把两端开口的玻璃细管竖立在液体中，液体就会在细管中上升或下降h高度的现象称为毛细管现象。
6、流体的三个力学模型：①“连续介质”模型；②无黏性流体模型；③不可压缩流体模型。
（P12，还需看看书，了解什么是以上三种模型！）。
第二章、流体静力学1、流体静压强的两个特性：①其方向必然是沿着作用面的内法线方向；②其大小只与位置有关，与方向无关。
2、a流体静压强的基本方程式：①P=Po+rh，式中P指液体内某点的压强，Pa(N/㎡)；Po指液面气体压强，Pa(N/㎡)；r指液体的容重，N/m³；h指某点在液面下的深度，m；②Z+P/r=C（常数），式中Z指某点位置相对于基准面的高度，称位置水头；P/r指某点在压强作用下沿测压管所能上升的高度，称压强水头。
两水头中的压强P必须采用相对压强表示。
b流体静压强的分布规律的适用条件：只适用于静止、同种、连续液体。
3、静止均质流体的水平面是等压面；静止非均质流体（各种密度不完全相同的流体——非均质流体）的水平面是等压面，等密度和等温面。
流体力学第一章 绪 论 第二章 场论与正交曲线坐标
全书分上下两册，三篇，十五章。上册包括第一篇“流体力 学基础”和第二篇“流体动力学基本原理及流体工程”，具体内 容为：绪论、场论与正交曲线坐标、流体静力学、流体运动学、 流体动力学微分形式基本方程、流体动力学积分形式基本方程、 伯努利方程式及其应用、量纲分析和相似原理、流动阻力与管道 计算、边界层理论、流体绕过物体的流动和气体动力学基础。下 册包括第三篇“计算流体动力学”，具体内容为：计算流体动力 学的数学物理基础、流体动力学问题的有限差分解法和流体动力
第一节 第二节 第三节 第四节
连续性方程 动量方程 动量矩方程 能量方程
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第七章 伯努利方程式及其应用
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
伯努利方程式及其限定条件 实际流体的伯努利方程式 实际流体的总流伯努利方程式 相对运动的伯努利方程式
伯努利方程式的应用
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第八章 量纲分析和相似原理
流体力学第一章 绪 论 第二章 场论与正
交曲线坐标
前言
本书是为高等工科院校非力学专业硕士研究生流体力学课程 教学编写的。考虑到教学时数有限，所以有些内容并未深入展开。 本书重点放在流体力学的基本概念、基本理论和解决流体力学问 题的基本方法上，目的在于为研究生开展课题研究和将来从事工 作提供必需的较为坚实的流体力学基础知识，同时也兼顾到工程 技术人员和科技工作者的需要。
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第一章 绪 论
第一节 流体力学的研究对象和发展历史
自Newton(1642-1727)提出了三大运动定律和线性流体的粘性定律以后， 流体力学得到了较大的发展。十八世纪的一大批数学家如Bernoulli、 Euler、 Lagrange、 Laplace等在理想流体的假定下取得了许多无摩擦流 动问题的研究成果，如Euler的运动微分方程和其积分形式——Bernoulli 方程。但理想流体的假定有较大的局限性，工程实际中的大多数流动无 不受流体粘性的影响。当时的工程师们开始抵制这种他们认为不切实际 的理想流体流动理论，在几乎完全依赖实验的基础上发展了一门新的科 学——水力学。这样的实验科学家有Weber、Hagen、Poiseulle、Darcy 等。他们通过实验得到了诸如明渠流动、船舶阻力、管道流动、波动等 问题的有用数据。
(完整版)流体力学知识点总结汇总
流体力学知识点总结 第一章 绪论1 液体和气体统称为流体，流体的基本特性是具有流动性，只要剪应力存在流动就持续进行，流体在静止时不能承受剪应力。
2 流体连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的，内部无空隙的连续体来研究。
3 流体力学的研究方法：理论、数值、实验。
4 作用于流体上面的力（1）表面力：通过直接接触，作用于所取流体表面的力。
作用于A 上的平均压应力作用于A 上的平均剪应力应力法向应力切向应力（2）质量力：作用在所取流体体积内每个质点上的力，力的大小与流体的质量成比例。
（常见的质量力：重力、惯性力、非惯性力、离心力）单位为5 流体的主要物理性质 （1） 惯性：物体保持原有运动状态的性质。
质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。
常见的密度（在一个标准大气压下）： 4℃时的水20℃时的空气（2） 粘性ΔFΔPΔTAΔAVτ法向应力周围流体作用的表面力切向应力A P p ∆∆=A T ∆∆=τAF A ∆∆=→∆lim 0δAPp A A ∆∆=→∆lim 0为A 点压应力，即A 点的压强 ATA ∆∆=→∆lim 0τ 为A 点的剪应力应力的单位是帕斯卡（pa ），1pa=1N/㎡，表面力具有传递性。
B Ff m =2m s 3/1000mkg =ρ3/2.1mkg =ρ牛顿内摩擦定律： 流体运动时，相邻流层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。
即以应力表示τ—粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。
由图可知—— 速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度） 粘度μ是比例系数，称为动力黏度，单位“pa ·s ”。
动力黏度是流体黏性大小的度量，μ值越大，流体越粘，流动性越差。
运动粘度 单位：m2/s 同加速度的单位说明：1）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。
2）液体 T ↑ μ↓ 气体 T ↑ μ↑ 无黏性流体无粘性流体，是指无粘性即μ=0的液体。
无粘性液体实际上是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模型。
(完整版)流体力学
第1章绪论一、概念1、什么是流体？在任何微小剪切力持续作用下连续变形的物质叫做流体（易流动性是命名的由来）流体质点的物理含义和尺寸限制？宏观尺寸非常小，微观尺寸非常大的任意一个物理实体宏观体积极限为零，微观体积大于流体分子尺寸的数量级什么是连续介质模型？连续介质模型的适用条件；假设组成流体的最小物质是流体质点，流体是由无限多个流体质点连绵不断组成，质点之间不存在间隙。
分子平均自由程远远小于流动问题特征尺寸2、可压缩性的定义；作用在一定量的流体上的压强增加时，体积减小体积弹性模量的定义、与流体可压缩性之间的关系及公式；Ev=-dp/（dV/V）压强的改变量和体积的相对改变量之比Ev=1/Κt 体积弹性模量越大，流体可压缩性越小气体等温过程、等熵过程的体积弹性模量；等温Ev=p等嫡Ev=kp k=Cp/Cv不可压缩流体的定义及体积弹性模量；作用在一定量的流体上的压强增加时，体积不变Ev=dp/(dρ/ρ）（低速流动气体不可压缩)3、流体粘性的定义;流体抵抗剪切变形的一种属性动力粘性系数、运动粘性系数的定义、公式；动力粘度：μ，单位速度梯度下的切应力μ=τ/（dv/dy)运动粘度：ν，动力粘度与密度之比，v=μ/ρ理想流体的定义及数学表达;v=μ=0的流体牛顿内摩擦定律(两个表达式及其物理意义）；τ=+-μdv/dy（τ大于零）、τ=μv/δ切应力和速度梯度成正比粘性产生的机理，粘性、粘性系数同温度的关系；液体：液体分子间的距离和分子间的吸引力，温度升高粘性下降气体：气体分子热运动所产生的动量交换，温度升高粘性增大牛顿流体的定义；符合牛顿内摩擦定律的流体4、作用在流体上的两种力。
质量力：与流体微团质量大小有关的并且集中在微团质量中心上的力表面力：大小与表面面积有关而且分布在流体表面上的力二、计算1、牛顿内摩擦定律的应用－间隙很小的无限大平板或圆筒之间的流动.第2章流体静力学一、概念1、流体静压强的特点;理想流体压强的特点(无论运动还是静止）；流体内任意点的压强大小都与都与其作用面的方位无关2、静止流体平衡微分方程，物理意义及重力场下的简化微元平衡流体的质量力和表面力无论在任何方向上都保持平衡欧拉方程 =0 流体平衡微分方程重力场下的简化：dρ=—ρdW=—ρgdz3、不可压缩流体静压强分布（公式、物理意义)，帕斯卡原理;不可压缩流体静压强基本公式z+p/ρg=C不可压缩流体静压强分布规律 p=p0+ρgh平衡流体中各点的总势能是一定的静止流体中的某一面上的压强变化会瞬间传至静止流体内部各点4、绝对压强、计示压强（表压)、真空压强的定义及相互之间的关系;绝对压强：以绝对真空为起点计算压强大小记示压强：比当地大气压大多少的压强真空压强：比当地大气压小多少的压强绝对压强=当地大气压+表压表压=绝对压强—当地大气压真空压强=当地大气压-绝对压强5、各种U型管测压计的优缺点；单管式：简单准确；缺点：只能用来测量液体压强，且容器内压强必须大于大气压强，同时被测压强又要相对较小，保证玻璃管内液柱不会太高U：可测液体压强也可测气体压强；缺：复杂倾斜管：精度高;缺点：?？6、作用在平面上静压力的大小（公式、物理意义）。
高等流体力学
概念第一章绪论连续介质：但流体力学研究的是流体的宏观运动，不以分子作为流动的基本单元，而是以流体质点为基本单元，把流场看做是由无数流体质点组成的连续体。
流体质点：流场中一个体积很小并可以忽略其几何尺寸，但与分子相比，这个体积可容纳足够多的分子数目的流体元，有一个稳定的平均特性，即满足大数定律理想流体：忽略流体黏性的流体，即μ=0.可压缩流体与不可压缩流体：简单地讲，密度为常数的流体为不可压缩流体，如水、石油及低速流动的气体。
反之，密度不为常数的流体为可压缩流体。
牛顿流体与非牛顿流体：根据流体流动时切应力与流速梯度之间的关系，即牛顿内摩擦定律。
凡是符合牛顿内摩擦定律的成为牛顿流体，如水、空气、石油等。
否则为非牛顿流体，如污泥、泥石流、生物流体、高分子溶液等动力粘度与运动粘度：动力粘度又成为动力黏度系数，动力黏度是流体固有的属性。
运动粘度又称为运动粘性系数，运动黏性系数则取决于流体的运动状态体积力与表面力：体积力亦称质量力，是一种非接触力，即外立场对流体的作用，且外立场作用于流体每一质点上，如重力、惯性力、离心力。
表面力是一种表面接触力，指流体与流体之间或流体与物体之间的相互作用，主要指压力、切应力、阻力等定常流与非定常流：又称恒定流与非恒定流。
若流场中流体质点的所有运动要素均不随时间变化，则这种流动称为定常流；反之只要有一个运动要素随时间变化则为非定常流大气层分为5层：对流层、同温层、中间层、电离层及外逸层第二章流体运动学描述流体质点的位置、速度及加速度的两种方法，即拉格朗日法和欧拉法质点导数：亦称随体导数，表示流体质点的物理量对时间的变化率，亦即跟随流体质点求导数那布拉P9流体质点的运动轨迹称为迹线流线：此曲线上任一点的切线方向就是该点流速方向依照一定次序经过流场中某一固定点的各个质点连线称为脉线，也叫序线。
流体线：在流场中任意指定的一段线，该段线在运动过程中始终保持由原来那些规定的质点所组成。
(完整版)流体力学 第一章 流体力学绪论
第一章绪论§1—１流体力学及其任务1、流体力学的任务：研究流体的宏观平衡、宏观机械运动规律及其在工程实际中的应用的一门学科。
研究对象：流体,包括液体和气体。
2、流体力学定义：研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用.3、研究对象：流体(包括气体和液体）。
4、特性：•流动(flow)性，流体在一个微小的剪切力作用下能够连续不断地变形,只有在外力停止作用后,变形才能停止。
•液体具有自由（free surface）表面，不能承受拉力承受剪切力（ shear stress)。
•气体不能承受拉力,静止时不能承受剪切力，具有明显的压缩性，不具有一定的体积，可充满整个容器。
流体作为物质的一种基本形态，必须遵循自然界一切物质运动的普遍，如牛顿的力学定律、质量守恒定律和能量守恒定律等。
5、易流动性：处于静止状态的流体不能承受剪切力,即使在很小的剪切力的作用下也将发生连续不断的变形,直到剪切力消失为止。
这也是它便于用管道进行输送，适宜于做供热、制冷等工作介质的主要原因.流体也不能承受拉力，它只能承受压力.利用蒸汽压力推动气轮机来发电，利用液压、气压传动各种机械等,都是流体抗压能力和易流动性的应用.没有固定的形状，取决于约束边界形状，不同的边界必将产生不同的流动。
6、流体的连续介质模型流体微团——是使流体具有宏观特性的允许的最小体积。
这样的微团，称为流体质点。
流体微团：宏观上足够大,微观上足够小。
流体的连续介质模型为:流体是由连续分布的流体质点所组成，每一空间点都被确定的流体质点所占据,其中没有间隙，流体的任一物理量可以表达成空间坐标及时间的连续函数，而且是单值连续可微函数。
7流体力学应用:航空、造船、机械、冶金、建筑、水利、化工、石油输送、环境保护、交通运输等等也都遇到不少流体力学问题。
例如,结构工程:钢结构，钢混结构等.船舶结构；梁结构等要考虑风致振动以及水动力问题；海洋工程如石油钻井平台防波堤受到的外力除了风的作用力还有波浪、潮夕的作用力等，高层建筑的设计要考虑抗风能力;船闸的设计直接与水动力有关等等。
流体力学基础(绪论) 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
可用连续函数描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力 学的问题。
体的力学模型（连续介质模型）
❖ 注意
稀薄气体动力学问题,连续介质模型不再适用(分子间距大)。
12
第一章 绪论
§1.3 流体的主要物理性质
❖ 惯性
密度
lim m
V 0 V
9
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展 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） ❖ 侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学 ❖ 侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学
8
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实验 经验公式： 1769年 谢才——谢才公式（计算流速、流量） 1895年 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数） 1732年 比托——比托管（测流速） 1797年 文丘里——文丘里管（测流量） 理论：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）
7
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实 验
工程技术快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实 地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这 些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有皮 托（H.Pitot）、谢才（A.de Chezy）、达西（H.Darcy）等。 提出很多经验公式：
《流体力学》课件-(第1章 绪论)
流体力学
流体
强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用 土建类专业常用
力学
宏观力学分支 遵循三大守恒原 理
水力学
水
力学
§1.1.1 流体力学的任务和研究对象
二、研究对象 流体 指具有流动性的物体，包括气体和 液体二大类。
流动性
•即 任 一 微 小 剪
切力都能使流体 发生连续的变形
•
流体的共性特征
基本特征：具有明显的流动性；气体的流动性大于液体。 流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力
二. 表面力 是指作用在所研究的流体表面上的力，它是相邻流 体之间或固体壁面与流体之间相互作用的结果。 它的大小与流体的表面积成正比； 方向可分解为切向和法向。
• 设 面 积 为 ΔA 的 流 体
nFLeabharlann 面元，法向为 n ，指 向表面力受体外侧， 所受表面力为 ΔF ，则 应力
F f n lim A0 A
第一阶段：古典流体力学阶段 奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D．)和他的 亲密朋友欧拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推导出了著 名的伯努利方程，欧拉于1755年建立了理想流体运动微分 方 程 ， 以 后 纳 维 (Navier,C .H.) 和 斯 托 克 斯 (Stokes ， G．G．)建立了粘性流体运动微分方程。拉格朗日 （Lagrange）、拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人， 将欧拉和伯努利所开创的新兴的流体动力学推向完美的分 析高度。
第1章 绪论 第2章 流体静力学 第3章 一元流体动力学理论基础 第4章 流动阻力与能量损失 第5章 孔口、管嘴出流和有压管流 第6章 量纲分析与相似原理
第一章 绪论
流体力学第1章绪论1
奖，1985年获国家科技进步奖特 等奖。1989年获小罗克维尔奖章 和世界级科学与工程名人称号，
1991年被国务院、中央军委授予 “国家杰出贡献科学家”荣誉称
号和一级英模奖章。
以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、 空 气动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性能 更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的 翅膀，把鸟托在空中。
19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传 统观念。
脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反
足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：
旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速，另一 侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯 效应。
混沌理论是非线性科学的重要基础，已成功地应 用于分形学甚至用于解释生命和社会学现象。
三、流体力学与工程技术
流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。 由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。
F-15
卡门、泰勒等众多科学家奠定了近代流体力学基础。
他阐明激波内部结构（1910）； 对大气湍流和湍流扩散作了研究 （1915，1921，1932）；得出同 轴两转动圆轴间流动的失稳条件 （1923），在研究原子弹爆炸中 提出强爆炸的自模拟理论（1946， 1950）；指出在液滴中起主要作 用的是表面张力而不是粘性力 （1959）等
最早的高尔夫球（皮革已龟裂）
后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。
这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。
流体力学名词解释
第一章绪论物质的三种形态：固体、液体和气体。
液体和气体统称为流体。
流体的基本特征：具有流动性。
所谓流动性，即流体在静止时不能承受剪切力，只要剪切力存在，流体就会流动。
流体无论静止或流动，都不能承受拉力。
连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体。
质点：是指大小同所有流动空间相比微不足道，又含有大量分子，具有一定质量的流体微元。
作用在流体上的力按其作用方式可分为：表面力和质量力。
表面力：通过直接接触，作用在所取流体表面上的力（压力、摩擦力），在某一点用应力表示。
质量力：作用于流体的每个质点上且与流体质量成正比的力（重力、惯性力、引力），用单位质量力表示流体的主要物理性质：惯性、粘性、压缩性和膨胀性。
惯性：物体保持原有运动状态的性质，其大小用质量表示。
密度：单位体积的质量，粘性：是流体的内摩擦特性，或者是流体阻抗剪切变形速度的特性。
=0的流体。
不可压缩流体：指流体的每个质点在运动全过程中，密度不变化的流体。
压缩性：流体受压，分子间距减小，体积缩小的性质。
膨胀性：流体受热，分子压缩系数：在一定的温度下，增加单位压强，液体体积的相对减小值，,体积模量体膨胀系数：在一定的压强下，单位温升，液体体积的相对增加值，(简答)简述气体和液体粘度随压强和温度的变化趋势及不同的原因。
答：气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小；液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度却随温度升高而增大，其原因是：分子间的引力是液体粘性的主要因素，而分子热运动引起的动量交换是气体粘性的主要因素。
\第二章流体静力学绝对压强pabs：以没有气体分子存在的完全真空为基准起算的压强。
相对压强p：以当地大气压pa为基准起算的压强，各种压力表测得的压强为相对压强，相对压强又称为表压强或计示压强。
真空度pv：绝对压强小于当地大气压的数值。
测量压强做常用的仪器有：液柱式测压计和金属测压表。
液柱式测压计包括测压管、U形管测压计、倾斜式微圧计和压差计。
流体力学-张也影-李忠芳 第1章-绪论
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、 航海产业发展 • 系统研究 古希腊哲学家阿基米德《论浮体》（公元前250年）奠 定了流体静力学的基础
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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基础阶段
• 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——物体沉浮的基本原理 • 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
流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势，不能承受 拉力，这是流体与固体在宏观力学行为方面的主要差异；微观 上，流体分子间吸引力小；
2. 流体质点
• 为了符合数学分析的需要，引入流体质点模型:流体中宏观尺寸 非常小，微观尺寸又足够大的任意物理实体。包含有足够多分子， 其形状可以任意划定。
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(1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平 移运动;
(2) 具有宏观物理特性---温度、压强、密度。。。
1mm3 体积 水: 3.31019 个分子 空气: 2.7 1016个分子
10-10mm3 体积 (相当于一粒灰尘体积)空气:
2.7 106个分子
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3. 连续介质模型：假设流体是由连续分布的 流体质点组成的介质。
(1)可用连续性函数u(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时 间变化；
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室内空气流速的测定 • 气流速度的测量高度，以离地面10cm和 100-120cm的高度为好。在这两个高度位 置正好是坐着的人着衣量少的脚踝关节部和 裸露的脖子、头的部位，对气流十分敏感。 • 在计测平面分布的场合，除了人员的工作位 置等具有代表性的位置外，在近壁面和空调 系统吹出口下方及近旁处也需设立测定点。 • 测量时，对于平均流速的测定要考虑到风速 仪的时间延滞性；对于测量风速变动的场合 要使用反应时间短的风速仪。
• 随着热湿环境研究工作的不断深入，发现 传统的单一以空气参数为控制目标的空调 方式已经越来越不能适应发展的需要了。 • 影响人体冷热感、舒适感的六大因素共同 作用于人体，可用热环境评价指标如SET*、 PMV等来衡量 • 要达到相同的SET*值可以有许多不同因素 的组合，研究这些参数的最佳组合。
代谢量及其测量方法 • 人的活动量或者作业强度可以用代谢量表示。 • 通常用单位体表面积、单位时间的代谢量表 示。如安静地坐在椅子上时为58.2W/m2。 • 代谢量如果对标准体格的成人而言，每人相 当于100W的电灯1个。 • 作为代谢量的基准单位，通常用met表示，l met就是安静时的代谢量58.2W。
空气流速及其测量 • 空气的流速是形成热环境的四个基本要素之 一，同时还直接关系到室内热量及粉尘、有 害气体等污染物的扩散。 • 空气的流速主要以平均风速进行评价。但是， 最近的研究发现，风速的不稳定度对人体的 气流感也有较大的影响。
空气流速及其测量 风速仪的种类 • 在室内热环境的测量中经常使用的风速仪有 热线风速仪、热敏电阻风速仪、晶体管式风 速仪等。
二、暖通空调系统与热湿环境 • 以往的空调系统主要是以空气环境为控制 主体，即室内空气的温度、湿度和速度。 • 室内空气环境的内、外扰最终是作用到室 内空气上，使室内空气的参数改变。 • 为了抵抗这个干扰、保持室内空气的参数 达到所需要的值，人们通过暖通空调系统 供冷(或供热)、加湿(或去湿)。
存在问题 • 影响人体冷热感、舒适感的环境因素不仅 仅是空气的温度、湿度、速度，还有环境 的平均辐射温度。 • 内扰、外扰或暖通空调系统，对室内空气 状态参数作用过程较慢，延滞性很大。 • 对于以控制空气参数为目的的空调系统， 其节能性较差。 • 采用辐射空调可改变送风温度，降低围护 结构耗热量。
室温的测定 • 测点位置通常是在离地面1~1.5m的高度 • 在ISO7726中推荐室温的测定高度为离地面 o.1m，0.6m，1.1m，1.7m。 • 对于不同的建筑、不同的空调系统、在不同 的时间其室温分布不同，因此，应根据具体 需要在有代表性的平面位置和高度位置布置 测点。 • 非稳态室温测定选择热惰性较小的温度计。 • 辐射影响较明显场合注意防止辐射的影响。
第一章 热、湿环境
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 热、湿环境的构成及对人体的作用 热、湿环境的评价方法与评价指标 热、湿环境基本参数的测量 暖通空调系统与热湿环境
§1-1 热、湿环境的构成及对人体的作用
一、影响人体与环境之间热湿交换过程的因 素 • 人体与环境之间的相互作用过程实际上就 是人体与环境之间的热湿交换过程，影响 这一过程的因素有 • 空气的温度、相对湿度、流速以及环境的 平均辐射温度构成了影响我们人体的热湿 环境。 • 人体的新陈代谢率和着衣热阻。
二、温度及其测量方法 温度的表示方法 • 摄氏温度(℃) • 华氏温度(F) • 绝对温度(K)
温度计的种类 • 热膨胀直读式温度计 • 热电偶温度计 • 电阻温度计
温度计的校正 • 为确保温度测量的精度，需要对测量用的温 度计进行校正(标定)，用作校正的温度计通 常采用水银温度计或者是已经用标准温度计 校正过的温度计。 • 对于采用了二次仪表的测试系统，由于使用 了连接测头和仪表较长的接线，则需要对包 括二次仪表在内的温度测试系统整体进行校 正。
• SET*以实际气温ts、平均辐射温度tr、风速 v、相对湿度rh、代谢量M、实际着衣热阻 Icl为输入值，用Gagge提出的人体二层生 理模型算出人体的平均皮肤温度tsk和汗湿 面积率ω 、结合热工学计算出通过皮肤面 的换热量Msk，在实际环境和标准环境等待 热感觉的条件下计算得出，即：
• 由于在计算SET*的过程中，全部考虑了热 环境的六大要素，因而可以说SET*比PMV具 有更加广泛的适用性。 • 通过试验，在舒适的条件下SET*的大致范 围，美国人为SET*=22.2－25.6℃，日本人 为SET*=22－26℃。 • 其它的评价指标，如：有效温度ET* 、作 用温度OT等。
电容式湿度计 电阻式湿度计
湿度的测量 • 湿度表示：绝对湿度、相对湿度、露点温度 • 在室内对湿度进行简易测定的场合，通常采 用数字式湿度计。 • 采用阿斯曼通风干湿球温度计测量湿度时， 为了使其达到平衡，每点测量需要3-5min以 上。即使是采用电阻和电容式湿度计，也要 考虑时间延滞性问题。 • 毛发式自动记录湿度计，主要用于以湿度管 理为目的的场合，如美术馆、博物馆等的湿 度测控常常采用。
• 代谢量的测定：直接法、间接法
§1-4 暖通空调系统与热湿环境
一、室内热湿环境的内扰与外扰 • 内扰：室内作用因素如室内的照明装置、 办公设备和人员向室内散热散湿。 • 内扰主要是通过对流、辐射和蒸发(或吸湿) 与室内进行热湿交换。 • 外扰：室内因素以外的作用因素如室外气 温、湿度、太阳辐射、室外风等。 • 外扰主要通过门窗辐射、围护结构热湿传 导以及室内外的空气交换进行热湿传递。
辐射的测定 • 热辐射的测定就是测定与人体进行辐射热交 换的墙壁、家具等表面的温度，通过计算求 出辐射热交换量和平均辐射温度， • 或者测定空间某点的辐射温度或辐射热量。
辐射的测定方法 • 接触法测定周围表面的温度，热电偶或半导 体温度计直接接触。 • 非接触法测定周围表面的温度，红外线辐射 温度计。 • 黑球温度计，测量无发热球的辐射与对流达 到热平衡时的温度，再求出平均辐射温度的 装置。
着衣量 • 单位是clo值，1clo相当于男性穿着反之越小。 • 一般厚衣服的clo值大，薄衣服的clo值小， 长衣服的clo值大，短衣服的clo值小，显然， 裸体时的clo值为0。
着衣热阻(clo)的测定 • 要精确测量着衣热阻值是困难的，不同面料 的衣服、人体的不同姿势、衣服的大小不同 时衣服的热阻是个同的。 • 温度测量法：在十分平静的环境中测量被试 验者着衣的表面温度tcl、衣服内的皮肤温 度tsk及作用温度to，(当气温和作用于人体 的平均辐射温度相等时可以用空气温度代 替)，根据热平衡: I 1/ 0.155htsk tcl / tcl to • 重量测量法 • 多件衣服的clo值
• 值得注意的是，在上述表示各热量的计算 式中，基本上是在人体舒适或接近舒适的 情况下导出的。特别足，皮肤平均温度tsk 只考虑了人体的代谢热M，而没有考虑其他 环境条件和着衣的影响；蒸发热E没有考虑 气温、辐射、风速和着衣的影响。 • 显然，当偏离舒适状态，PMV值较大时，将 与实际偏差较大。所以，运用PMV进行评价 应控制在PWV不超出±2(PPD=10％) ，最好 是在PW =±0.5(PPD＝10％)范围内使用。
• 组成热环境的各影响因素的不同组合，热 环境对人体可以有不同的作用效果，但也 可以有相同的作用效果。从暖通空调的角 度来看，不同的组合，暖通空调系统的能 耗是不同的。 • 因此，采用怎样的暖通空调方式、参数组 合才能使人体更舒适、暖通空调系统更易 于实现、更节能是热湿环境在暖通空调领 域的应用研究主要的课题之一。
二、人体与环境之间热湿交换 • 对流换热(C) • 辐射放热(R) • 皮肤表面蒸发放热(Esk) • 呼吸对流换热(Cres) • 呼吸蒸发放热(Eres)
• W为人体对外所做功，S表示人体储热量。
三、各影响因素对人体的作用密切相关 • 在一定的气温下，相对湿度越大，人体通 过蒸发的散热量就越少，越容易感到闷热， 反之会感到凉爽。 • 在一定的相对湿度下，气温越高通过对流 和辐射的散热量越少，人体感觉热，反之 人体感觉冷。 • 而当气温高一点湿度低一点的热环境和气 温低一点湿度高一点的热环境可能对人体 有相同的热作用效果。
• PPD：对温冷感的不满足率 • Fanger教授通过实验得到被实验者的PPD与 PMV的关系
• 从上式可以看出，即使PMV为0，平均也会有5％ 的人不满足，这说明了人体对冷热感觉存在个体 差异。 • 在ISO7730中，PMV作为标准的热环境指标被采用， 并将PMV=±0.5(PPD=10％)作为舒适域。
§1-3 热、湿环境基本参数的测量
一、热湿环境的基本参数 • 身体感觉冷热的环境基本要素如上所述有 六大要素：(1)空气温度；(2)空气湿度； (3)风速；(4)辐射温度以及在人体侧的着 衣的热特性；(5)着衣热阻和表示人体在体 内产生的热量；(6)代谢量。 • 不同环境、不同时间各要素对环境和人体 的作用大小不同。在实际中要根据实际情 况选择测定项目和相应的检测方法。
二 、新标准有效温度SET* • 是冷热感觉及人体与环境的热交换量与实 际环境等同的相对湿度为50％的标准环境 的气温。 • 由Gagge提出，并作为标准的体感温度被 ASHRAE采用。 • 标准环境是指相对湿度为rsh=50％、风速 为vs＝0.1m/s、人体代谢量Ms=1.0met，着 衣热阻Icls=0.6clo的环境。
平均辐射温度计算
tr 273.15 t g 273.15 2.47 108 v t g ta
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当气温与黑球温度之差小于2-3℃时，可简化为
tr t g 2.37 v t g ta
湿度的测量 • 湿度计的种类
毛发湿度计
阿斯曼通风干 湿球温度计
§1-2 热、湿环境的评价方法与评价指标
• 评价热湿环境就是将影响热湿环境的各要 素和人体生理学结合人的主观感觉构造一 个评价指标，这个指标反映人体对热湿环 境的真实感受。