第一章工程流体力学

F pn lim A0 A
七、 作用在流体表面上的力
2）法向应力和切向应力
F dF p lim n n A0 A dA
△Fp
△F △FT
F dF lim A0 A dA
△A

u 5
G
12Leabharlann mgsin sτ五、流体的粘性 4 粘性流体和理想流体
1）实际流体
具有粘性的流体（μ≠0）。
2）理想流体
忽略粘性的流体（μ=0）。
一种理想的流体模型。
五、流体的粘性 5 牛顿流体和非牛顿流体
1）牛顿流体
符合牛顿内摩擦定律的流体 如水、空气、汽油和水银等
τ
宾汉型塑性流体 假塑性流体 牛顿流体 膨胀性流体
是给水排水系统设计和运行控制的理论基础；
5.城市防洪工程：如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过 流能力等； 6.建筑环境与设备工程：如供热、通风与空调设计，以及设备的 选用等； 7.环境工程：水中、大气中污染物的迁移扩散，水厂与污水处理 厂工艺流程设计等。
飞机、火箭、卫星、航天飞机； 轮船、潜艇、汽车、地铁、隧洞； 涡轮机，水轮机，水泵，风扇； 大桥，大坝，高塔，烟囱； 环境污染物的迁移扩散； 人体内的血液流动； 江河湖海水体的流动， 气流的运动， 石油与天然气的输运等等。 都涉及到流体的流动，那么它们是如何运动的， 有着怎样的规律，这就是流体力学所研究的问题。
• 隋朝（公元587—610年）完成的南北大运河。
• 隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的赵州石拱桥——拱 背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。
常用单位制
分类：
国际单位制（SI）
单位制 国际单位制 基本因次 长度L 时间T 质量M 长度L 物理单位制 时间T 基本单位 米m 秒s 千克 kg 厘米 cm 秒s F＝ma 1g.cm/s2=1dgn(达因) 导出单位（量纲） F＝ma 1kg.m/s2=1N（牛顿）
物理单位制
工程单位制
质量M
克g
概念： 单位：表示物理量的大小，如小时、分、秒。 因次（量纲）：表示物理量的种类，如时间、长度、质量。
§1.1 流体的概念
一、流体的定义
自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态 流体包括液体和气体
具有流动性的物体（即能够流动的物体）
流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。
研究对象
研究内容
解决工程实 际问题
工程中的三大问题：
a. 流体荷载 （设计管道壁厚） （确定流量） b. 流体的输送能力
c. 流动的形态 （确定能量损耗）
工程流体力学
第一章 流体及其主要物理性质
主 讲：刘恩斌
石油工程学院
工程流体力学的发展简史
•流体力学的萌芽 ——2200年以前希腊学者阿基米德写的“论浮体”。
二、重度
G mg g V V
＝
三、流体的压缩性
流体体积随着压力的增大而缩小的性质。
1.压缩系数
单位压力增加所引起的体积相对变化量
p
dV / V dp
(m 2 / N )
2.体积模量
E 1
p

Vdp dV
( N / m2 )
四、流体的膨胀性
流体体积随着温度的增大而增大的性质。 1.体胀系数
3. 土木领域：建筑工程和土建工程中的应用。如坑基排水、路 基排水、地下水渗透、地基抗渗稳定处理、围堰修建、海洋平 台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等；
4.市政工程：如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、 泵站和 水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水
、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论
单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。
v
1

单位： m3/kg
混合气体的密度
混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。
1a1 2a2 ....... n an i ai
i 1
n
式中：1， 2，… n ——各组分气体的密度
a1， a2，… an——各组分气体所占的体积百分数
《工程流体力学》
西南石油大学石油工程学院
考核办法： 考试 70％ 作业 20％ 考勤 10％ 纪律：关闭手机、保持安静
一、课程的性质与目的
性质：石工、储运、土木、水利、建环、环境类专业的 一门必修的专业基础课程。 目的：学习专业理论，培养工程应用能力。 地位：前修课程：高等数学、物理学、理论力学、材料 力学；后续课程：水文学、土力学、水力学、工程地质 等。并直接服务于工程应用。
dM dV
M V
常见流体的密度：
水——1000 kg/m3 空气——1.23 kg/m3 水银——136000 kg/m3
单位：kg/m3
相对密度
流体的密度与4oC时水的密度的比值。 f d w
式中，f ——流体的密度（kg/m3） w——4oC时水的密度（kg/m3）
比容
2）非牛顿流体
不符合牛顿内摩擦定律的流体
0 τ
o
du dy
如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。
六、表面张力
1 表面张力现象
水滴悬在水龙头出口而不滴落； 细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）； 铁针浮在液面上而不下沉。
2 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
单位温度增加所引起的体积相对变化量
dV / V dt
t
(1 / K )
五、流体的粘性
1. 粘性的定义
流体内部各流体微团之
间发生相对运动时，流体 内部会产生摩擦力阻力
（即粘性力）的性质。
五、流体的粘性
2.牛顿内摩擦定律
五、流体的粘性
2.牛顿内摩擦定律
(1) 牛顿平板实验
y U
dy
当h和U不是很大时，两平板间 沿y方向的流速呈线性分布
当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大 压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计
例1：一底面积为0.4×0.45 m2，高为0.01 m的木块，质量为5 kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，如图所示，已 知木块运动速度u =1 m/s，油层厚度 = 0.1 mm，由木块所带 动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘度。
五、流体的粘性
3.粘度
流体粘性大小的度量,由流体流
h dy
y U u+du u
动的内聚力和分子的动量交换引起。
(a)动力粘度
y
o


du / dy
单位Pa·s或N·s/m2
物理单位制中，1P（泊）=0.1Pa·s，1P=100cP (b)运动粘度
/
单位m2/s
物理单位，St(斯)(cm2/s)=10-4m2/s，1St=100cSt
u U U y 或 du dy h h
1 运动较慢的流体层在较快 的流体层带动下才运动； 2 快层受到慢层的阻碍，不 能运动得更快； 3 相邻流体层发生相对运动， 产生切力和阻力，构成了内 摩擦力。
u+du u
h y
o
五、流体的粘性
(2) 牛顿内摩擦定律
du 实验表明，对于大多数流体，存在 T A dy
因此，以分子为对象研究流体运动规律极其复杂。
在实际工程中，所研究的流体的空间尺度远比分子尺寸大 得多，而且要解决的问题也不是流体微观运动特性，而是 流体宏观运动特性，即大量分子运动的统计平均特性。
欧拉提出了连续介质假说： 流体所占有的空间连续而无空隙地充满着流体质点
采用流体连续介质假设的优点
y
单位面积上的剪切力：
dy
U u+du u
du dy
牛顿内摩擦定律表明：
h y
o
⑴粘性切应力与速度梯度成正比； (2)比例系数称动力粘度，简称粘度。
(3)粘性切应力与角变形速率成正比；
五、流体的粘性
(2) 牛顿内摩擦定律
dudt A dy d a B b
C
D
dudt tgd d dy d du dt dy
力, 单位长度上的这种拉力称为表面张力。
3 毛细现象
内聚力：液体分子间相互制约，形成一体的吸引力称为内聚力。 附着力：当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的 吸引力称为附着力。 毛细管中液体的上升或下降
1 2 d cos( ) d hg 4 4 cos( ) h gd
• 1755年欧拉在名著《流体运动的一般原理》中提出理想流体概念，并建立
了理想流体基本方程和连续方程，从而提出了流体运动的解析方法，同时 提出了速度势的概念。
• 1781年拉格朗日首先引进了流函数的概念。
• 1823年法国工程师Navier，1845年英国数学家、物理学家Stokes提出了著 名的N-S方程。 • 1876年雷诺发现了流体流动的两种流体：层流和紊流。
五、流体的粘性
3.粘度
(3) 粘度的影响因素 温度对流体粘度的影响很大
液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。
粘度 液体 气体
o
温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓ 气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。 温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑
气体 温度
七、 作用在流体上的力
两类作用在流体上的力：表面力和质量力 1 质量力
作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。
f Xi Yj Zk
例如：重力、惯性力、磁力
七、 作用在流体上的力
2、表面力：作用在流体表面，与表面积成比的力 1）应力