流体力学01绪论详解

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想流体的概念
2021/4/23
• 不可压缩
2021/4/23
思考题
• (1)空气的体积弹性模数E
• (a). P
(b). T
• (c).
(d). RT
(a)
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思考题
• (2) ---------是非牛顿流体
• (a). 水
(b).空气
• (c).血液 (d).沥青
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• 教学重点:作用在流体上的力:表面力和质量力;
流体的连续介质模型、密度与重度、粘性与理想 流体模型、牛顿内摩擦定律、压缩性与不可压缩 性流体模型。
• 教学难点:表面力和质量力的区别,连续介质模
型、牛顿内摩擦定律。
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§1.1 流体力学的任务及其发展简史
一、流体力学的研究对象
流体力学是近代力学的一大分支,它是研究流体的平衡 和机械运动规律以及流体与周围物体之间相互作用的科学, 主要是确定流体的速度分布,压强分布与能量损失,以及流 体与固体相互间的作用力与作用力矩。
深刻理解。 3.认真听课,适当记笔记
对自己认为的重点、难点认真听老师的讲解和处理方法, 对典型的课堂例题,应记录分析问题的思路、解题步骤。
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4.作好预习,有准备地听课
对较难章节,一定要预习,看不懂的地方重点听老师讲 解,要把70%的精力放在看书上,重要的是理解,不要死记 硬背。
5.解题规范化,加强基本功训练
对某种流体而言,粘度值受温度的影响较大
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水和空气的物理性质
温度
T
(℃)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
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水的动力 粘度 μ
(10-3N·s/m2)
水的运动 粘度 ν
(10-6m2/s)
空气的动 力粘度 μ
(10-3N·s/m2)
空气的运 动粘度 ν
(10-6m2/s)
这三种研究方法各有所长,也各有所短。需要相辅相成 才有利于推进流体力学的发展。
现代流体力学已将这三种方法有机地结合起来,推动了 流体力学的飞速发展。
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• 侧重于理论分析的流体力学称为理论流
体力学
• 侧重于工程应用的流体力学称为工程流
体力学
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四、流体力学的发展史
古希腊的阿基米德对流体力学学科的形成作出第一贡献。 他建立了包括物理浮力定律和浮力稳定性在内的液体平衡 理论。奠定了流体静力学的基础。
流体力学中研究得最多的流体是水和空气。除水和空气 以外流体还包括作为汽轮机工作介质的水蒸汽、润滑油、石 油、含泥沙的水体、血液、溶化状态下的金属和燃烧后产生 的成分复杂的气体,高温条件下的等离子体等等。
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二、流体力学的任务
流体力学是一门即古老又新兴的学科,存在着极为 广阔的研究天地。
离心惯性力
--- ---
上式以向量形式表示。
G m g
F m a
FR m r 2
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二、表面力
表面力是作用在流体表面或截面上且 与作用面的面积成正比的力,表面力又称 面积力或接触力
⊿P
⊿F
⊿A
⊿T
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表面力分为压力和切力
作用于单位面积上的压力称为压强,以p表示
思考题
•(5)毛细液柱高度h与-----成反比

(A) 表面张力系数

(B) 接触角

( C) 管径

(D) 粘性系数
( C)
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伯 努 力 ——定常不可压缩流体的伯努力定理;
欧 拉 ——流体运动的描述方法和无粘性流体运动的方程组; 拉格朗日 ——流函数; 雷 诺 ——雷诺实验、雷诺方程式; 纳维-斯托克斯——粘性流体运动微分方程。
第四时期:二十世纪初叶至中叶。 普 朗 特 ——边界层理论。
第五时期:二十世纪中叶以后。 流体力学开始研究气象、海洋、石油、化工、能源、环
(1)密度
对于均质流体的密度:
对于非均质流体的密度:
2021容重)是单位体积流体的重量, 以符号γ表示,单位是N/m3
对于均质流体的密度: 对于非均质流体的密度:
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• 水和空气的密度(一个标准大气压下)
温度

空气
T
ρ
ρ
(℃)
(㎏/m3)
(㎏/m3)
流体力学
流体力学 泵与风机 蔡增基主编 中国建筑工业出版社
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第一章 绪 论
• §1.1 • §1.2 • §1.3 • §1.4
流体力学的任务及其发展简史 作用在流体上的力 流体的主要物理力学性质 流体的力学模型
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• 目的要求:了解流体力学课程在本专业中的应用,
认识到流体力学是建筑环境与设备工程专业主要 专业技术基础课,了解流体力学的研究对象、任 务以及流体力学的研究方法;掌握表面力和质量 力的区别。掌握流体的连续介质模型、流体的主 要物理性质:易流动性、密度与重度、粘性与理 想流体模型、压缩性与不可压模型、表面张力特 性、汽化压强特性。
流体力学的形成和发展大致分为五个时期:
第一时期:公元前二十世纪前。 抛射体在流体中的运动问题的提出。
第二时期:公元前二十世纪至十七世纪下叶。 阿基米德——浮力的定量理论; 马里奥特——测量运动物体阻力的天称; 帕斯卡 ——流体静力学的基本关系式;
第三时期:十七世纪下叶至二十世纪初叶。 牛 顿 ——粘性流体的剪应力公式;
宾厄姆塑性体
拟塑性流体
牛顿流体
0
0
du
0
dy
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例题
• 两平行平板间隙δ=1cm,水温为20℃,下
板固定不动,上板以u=2m/s的速度向右运 动。设流速沿间隙δ按线性分布。试求: (1)切应力τ沿间隙的分布 (2)薄板的面积为2m2,薄板的拖曳力。
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• 解:(1)查表得μ=1.005×10-3N·s/m2,
• 液体表面张力的大小可用表面张力系数σ表示,
σ的单位为N/m
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毛细现象
•由于表面张力的作用,管内的液体表面会高于或低于
管外的液面,称为毛细管现象
h
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接触角
P0 气体 P
R
液体
接触角概念:当液体与固体壁面接触时,在液体与固体壁
面接触处作液体表面的切面,此切面与固体壁面在液体内 部所夹部分的角度 称为接触角,当 为锐角时,液体润 湿固体,当 为钝角时,液体不润湿固体。
( C) (D)
思考题
• (3) 流体的粘性与流体的------无关 • (a). 分子内聚力 (b).分子动量交换 • (c). 温度 (d). 速度梯度
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(D)
思考题
•(4)温度升高时表面张力系数是--------

(A)增大

(B)减小

( C)不变
(B)
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p P A
p lim P dp A0 A dA
作用于单位面积上的切力称为切应力,以τ表示
A
lim d
A0 A dA
压强和切应力的单位:N/m2(Pa),KN/m2(KPa)
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§1.3 流体的主要力学性质
一、惯性
惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质。 表 征 某 一 流 体 的 惯 性 大 小 可 以 用 该 流 体 的 (1) 密 度,(2)重度(容重)。
水与玻璃的 = 80—900
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水银的 = 1380
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• 当温度为20℃时,水在玻璃管中的升高值
的计算公式
• 水银在玻璃管中的降低值的计算公式
• 计算公式中的单位以mm计
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§1.4 流体的力学模型
• 连续介质
• 流体的宏观特性和微观运动 • 质点的概念:宏观看非常小,可视为空间的一个
(2)F=T=τ·A=0.201×2=0.402N
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四、压缩性和膨胀性
• 压缩性 • 体积压缩系数
• β的单位为m2/N
• 流体的弹性模量
• E的单位为N/m2 • 液体的压缩性很小,一般可将水作为不可压缩液体处

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• 热胀性
• 体积膨胀系数
• a单位为T-1气体具有显著的压缩性和膨胀性 • 当气体运动速度小于一定的速度,如50m/s,可不考虑 其压缩性
作业最好抄题,便于复习时参考。坚持用物理方法解题, 要拆题型,认真归纳,明确其中知识点,掌握解题思路和方法 步骤,达到解题触类旁通,举一反三的目的。
6.重视实验,亲手去做
对教学大纲中规定的实验都亲自认真去做,加强对所学知 识的理解、应用和升华。培养独立的动手能力,也为将来进行 科学实验研究奠定基础。
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• 1856年达西提出了线性渗流的达西定律
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五、如何学好流体力学
1.掌握从一般到特殊的学习方法
从物体机械运动普遍规律出发,掌握一般形式的基本方 程组,再根据具体条件分析具体问题,派生方程只是基本方 程在不同条件下的简化应用。
2.在掌握“三基”上下功夫
掌握基本原理、基本概念、基本方法,反复训练,
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§1.2 作用在流体上的力
一、质量力 定义: 质量力是作用在流体的每一个质点(或微团)上的力,与流
体微团质量成正比并且集中作用在微团质量中心上。 ⊿FB ⊿m
为单位质量的质量力,简称单位质量力。其单位为N/kg或
m/s2,与加速度的单位因次相同。
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质量力
质量力
重力 直线运动惯性力
1.792
1.792
0.0172
13.7
1.519
1.519
1.308
1.308
0.0178
14.7
1.100
1.141
1.005
1.007
0.0183
15.7
0.894
0.897
0.801
0.804
0.0187
16.6
0.723
0.727
0.656
0.661
0.0192
17.6
• 凡是满足牛顿内摩擦定律的流体,称 为牛顿 流体;反之为非牛顿流体
例如:航空、航天、航海、天文气象、地球物理、水利 水电、热能制冷、土建环保、石油化工、气液输送、燃烧爆 炸、冶金采矿、生物海洋、军工核能、机械制造、机械工程 等等部门都有许多流体力学问题。
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三、流体力学的研究方法
流体力学有三种研究方法。一种是理论方法,分析问 题的主次因素提出适当的假定,抽象出理论模型(如连续 介质、理想流体、不可压缩流体等等),适用数学工具寻 求流体运动的普遍解。一种是实验方法,将实验流动问题 概括为相似的实验模型,在实验中观察现象、测定数据并 进而按照一定方法推测实验结果。再一种是计算方法,根 据理论分析与实验观测拟订实验方案,通过编制程序输入 数据,用计算机算出数值解。
点;微观看又很大,每个质点包含足够多的分子 并保持着宏观运动的的一切特性
• 连续介质模型将流体看作由无数没有微观运动的
质点组成的没有空隙的连续体,表征流体运动 的各物理量在时间和空间上都是连续分布 和连续变化的
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• 无黏性 • 实际流体总是存在粘性,实际流体称为
粘性流体
• 为简化研究,忽略流体的粘性,引入理
0
999.9
1.293
5
1000.0
1.270
10
999.7
1.248
15
999.1
1.226
20
998.2
1.205
25
997.1
1.185
30
995.7
1.165
35
994.1
1.147
40
992.2
1.128
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二、粘性
流体具有流动性,流体内部质点间或流层间因相对运动 而产生内摩擦力(内力)以反抗相对运动的性质(流体在流 动状态下抵抗减切变形的性质)称为流体的粘性。
在供热通风工程中,所遇到的大多数气体流动,速度 远小于音速,其密度变化不大(当速度等于68m/s时,密 度变化为1%;当速度等于150m/s时,密度的变化也只有 10 % ),可当作不可压缩流体看待。
2021/4/23
五、表面张力特性
• 液体表层的分子受到上下两侧分子的引力不同,
在合引力的作用下,液体表面仿佛是一张拉紧的 弹性膜。从宏观上看,这种存在于液体表面上的 拉力称为液体的表面张力
保和建筑等领域中的流体力学问题,并与有关邻近学科相互 渗透,形成许多新分支。
2021/4/23
• 1732年皮托发明了量测流体流速的皮托管
2021/4/23
• 1738年伯努利给出理想流体运动的能量方

2021/4/23
• 1755年欧拉导出理想流体运动微分方程
2021/4/23
• 1769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式
⊿v⊿ ⊿
2021/4/23

牛顿内摩擦定律
2021/4/23
• 流速梯度可以表示为流体的切应变率或
角变形率
dudt u+du
dy d
u
2021/4/23
• 流体的运动粘度和动力粘度
• 动力粘度μ的单位为N/m2·s • 运动粘度ν的单位为m2/s • 流体的粘度与流体的种类、温度和压强有关。但
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