工程流体力学基础优秀课件 (2)

目前流体力学已经发展出许多分支，如：《环境流体力学》、 《计 算流体力学》、 《高等流体力学》、《电磁流体力学》、《化学流体力 学》、《生物流体力学》、《高温气体力学》 、《非牛顿流体力学》、 《工业流体力学》、《随机水流体力学》、《坡面流体力学》、《高速 流体力学》、《流体动力学》、《空气动力学》、《多相流体力学》、 《实验流体力学》、《爆破力》等。在公路与桥梁工程中，在地下建筑、 岩土工程、水工建筑、矿井建筑等土木工程等各个分支中，也只有掌握 好流体的各种力学性质和运动规律，才能有效地、正确地解决工程实际 中所遇到的各种流体力学问题。
三、连续介质模型
1.连续介质假设 在流体力学中假设流体是一种由密集质点（大小与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）组成、内部无空隙的连续体。
与一切物体一样。流体是由大量分子所组成，而分子之间由于其相互吸引和 排斥的分子力之作用，所有分子都在时刻不停地在运动着。液体和气体的分子运 动，比一般固体更为激烈，上面所谓流体的平衡和运动规律，不包括这里所说微 观上的分子运动。流体力学所要研究的是流体在宏观上的平衡和运动规律 具体 地说就是由外部原因，比如重力、压力差摩擦力等作用所引起的宏观运动，若把 物体的平衡状态，作为运动状态的特例，那么，流体力学的研究任务，就可简单 地说成是研究流体的宏观运动规律。
流体力学研究流体宏观机械运动的规律，也就是大量分子同机平均的规律性 1755年瑞士数学家和力学家欧拉（Euler．L．1701—1783）首先提出，把流体当 作是由密集质点构成的、内部无间隙的连续流体来研究，这就是连续介质假设
这里所说的质点，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。
二、流体力学的分类
是按其研究内容的侧重点不同，分为理论流体力学和工程流体力 学，理论流体力学主要运用严密的数学推理方法，力求结果的准确性和 严密性；工程流体力学则侧重于解决工程实际中出现的问题，而不去追 求数学上的严密性。从历史发展角度分为古典流体力学、试验流体力学 和现代流体力学，古典流体力学是在古典力学基础上，运用严密的数学 工具，建立有关理想流体及实际流体的基本运动方程，但实际情况往往 比理论假设不符。实验流体力学是工程技术人员用实验方法制定一些经 验公式，满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础。近来发展成的现代 流体力学是由实验方法和理论分析相结合，实践和理论并重的学科。
分子的存在和分子的运动，所关心的只是连续分布的质点，这些质点固然是由分 子所组成，但它不反映个别分子的运动、却反映并代表整体分子运动的统计平均 特性。当引用这样的模型——连续介质来代替所研究的流体时，则流体中的一切 力学特性如速度、压力、密度等都可看作为空间位置坐标的连续函数，使我们在 解流体力学问题时，就有可能利用数学工具来处理。
连续介质的质点有两个特点；—是其尺度相对于分子结构来说是足够大，大 到使每个质点都含有大量分子，从而能足够代表并反映整个质点中分子运动的统
计平均特性；另外，质点与所研究的流体空间相比较来说是足够小。小到几乎可
随心所欲地指定在任意空质假设，是为了摆脱分子运动的复杂性，对流体物质结构的简化。
工程流体力学基础课件
第一章 绪论
第一节 流体力学及其任务 第二节 流体力学及其任务 第三节 作用在流体上的力 第四节 流体的主要物理性质 第五节 牛顿流体和非牛顿流体
第一节 流体力学及其任务
一、流体力学的研究对象
1.基本概念 流体力学是研究流体的机械运动规律及其应用的科学，是力学的
分支学科。它是相对于一般力学和固体力学而言的。流体力 学的内容 包括三个基本部分：流体静力学、流体运动学和流体动力学，流体静 力学是研究流体（以水为代表的液体和以空气为代表的的气体）在静 止状态下的力学规律及其应用，它的结论对理想流体和粘性流体均适 用。流体运动学是研究流体的运动规律与力学规律及其应用的学科。 而流体运动学是一门研究流体的运动规律及其应用的学科。
（录象）表面张力a
（录象）表面张力b
易流动、容易压缩、均质、等向、无粘性的连续介质。
（录象）粘性a
（录象)粘性b
在低速的空气流动中，气体的压缩性并不明显，与液体的流动遵循
相同的运动规律，对空气来说，当其速度相当于音速的40％左右时，则 气体的压缩性就不能忽略不计了，这时气体的运动规律将由气体动力学
来进行研究。
按连续介质假设，流体运动物理量都可视为空间坐标的时间变量的连续函数，这
样就能用数学分析方法来研究流体运动连续介质，假设用于一般流动是合理有效
的。但是对于某些特殊问题，如研究在高空稀薄气体中的物体运动，分子平均自
由程度很大，与物体特征长度尺度相比为同量级，则不能使稀薄气体为连续介质。
2.连续介质模型 连续介质模型就是利用连续介质假定所建立的模型。在这个模型中，不关注
故在流体力学中我们假设液体是一种容易流动、不易压缩、均质、等向、
有粘性的连续介质。在发生水击应考虑其压缩性，而在产生汽蚀水击汽
蚀时需考虑其非连续性，此内容详见相关教材或参考书。 （录象） 布朗运动 气体与液体有所不同，它具有明显的压缩性，无固定容积，充满于
容器的整个空间，无自由表面。故在流体力学中我们假设气体是一种容
固体分子运动主要是围绕分子的平衡位置振动，而流体分子的运 动还有平移和旋转运动。因此，在宏观上，固体有固定形状；而流体则 易于流动变形，没有固定的形状，其中，液体一般具有不可压缩的特 性，有着固定的容积，一定量的液体不论在容器中(只要容器足够大)或 无限空间中，总是占有一定量的容积，不会充满于整个容器或无限空间 的。这时的液体总有一部分表面与周围的空气或其他气体介质相接触， 我们称之为自由表面。若周围的介质是别的不相混和的液体，则这种表 面称为液体分界面或简称分界面。
2.流体力学假设： 从物理学中已经知道，一切物质是由分子构成的。物质一般有三态
即固态、液态和气态。流体就包括了物质三态中的液态和气态两态，流 体的基本特征是具有流动性。所谓流动性是指流体的在微小剪力作用下 连续变形的特性。固体一般情况下没有流动性，在剪力作用下可以维持 平衡。所以流动性是区别流体和固体的力学特征。实际上有些固体在特 定的条件下也具有流动性，譬如沙在受热或扰动的情况下的流动。本课 程仅仅研究流体的有关问题。