工程流体力学1

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四、流体力学的研究方法及其应用
流体力学研究流体这样一个连续介质的宏 观运动规律以及它与其它运动形态之间的相互 作用，其研究方法有理论研究、数值计算和实 验三种，三种方法取长补短，相互促进，彼此 影响，从而促使流体力学得到飞速的发展。
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1.理论研究
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4.应用
流体力学在生产部门中有着非常广泛的应 用，可以这样说，目前已很难找出一个技术部 门，它与流体力学没有或多或少的联系。
航空工程和造船工业中，飞机和船的外形设 计；在水利工程中，大型水利枢纽，水库，水 电站，洪峰预报，河流泥沙；动力机械中蒸气 透平，喷气发动机，压缩机，水泵；在石油工 业中，油气集输，油、气、液的分离，钻井泥 浆循环，注水，压裂，渗流；金属冶炼和化学 工业等。
例如：在标准状态下， 1μm3任何气体含 有个分子2.69×107。 液体分子间距比气体小， 1μm3液体体积中有3.35×1010液体分子个。
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在大多数工程应用中，人们关心的是大量 分子的总体统计效应，而不是单个分子的行为， 流体力学的一切宏观参数（密度、温度、压强） 都是大量分子行为的统计平均值。当从宏观角 度研究流体的机械运动时，就认为流体物质是 连续。
在流体力学中，把流体质点作为最小的研 究对象，每个质点都含有大量的分子，故分子 随机出入该微小体积不会影响宏观特性，能保 持宏观力学特性。因此，有理由认为流体是连 续介质。
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连续性介质模型特点：
1).客观上存在宏观上足够小而微观上足够大的 小体积，这个小体积在几何上为一个点，此点称 为流体质点；
3).静止流体内不存在切应力。
流体与固体之间有如下区别：
1).固体有固定的形状，流体没有；
2).固体分子受相互之间的作用力束缚，只
能在平衡位置附近振动。流体分子之间作用力 比固体小，受切应力作用时能相互移动。
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3).切应力在静止固体内依然存在。 工程流体力学1
三、连续介质模型
流体是由大量分子组成，分子之间有间隙， 每个分子都在不断地作不规则的热运动。就微 观结构而言，流体内部有空隙，且不连续。但 是在一般情况下，即使在很小的流体体积内， 仍有大量的分子。
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在200C常温下，水的α=150×10-6(1/0C)，故 通常亦不考虑其膨胀性。在供热系统中，因水温
2). 流 体 由 连 续 排 列 的 流 体 质 点 组 成 ， 质 点 间 无间隙；
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3).流场中某空间点在某瞬时的流动参数， 由该瞬时占据该空间点的流体质点的宏观参数 确定。
4).流体的一切宏观参数一般是时间的连续 函数；
5).研究流体的宏观流动可应用数学分析工 具。
f＝F／M (m/s2)
f的矢量式为：
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f＝Xi+Yj+Zk
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§1.3 流体的压缩性与膨胀性
1.压缩性 流体的体积因压强的变化而改变，称为压
缩性。流体压缩性的大小可用体积压缩系数β 或弹性系数E来表示。设体积为V 的流体，当 压强增加dp时，体积减小了dV ，则单位压强 所引起的相对体积变化量，称为压缩系数β。
考虑压强和温度对密度的影响，才能确定β和
E 。若等温过程，气态方
，
，
故：
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在标准大气压下，对200C的空气，E=101325 （N/m2)。
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2．热膨胀
流体的体积因温度的变化而改变，称为膨胀 性，热膨胀系数一般用α表示。它表示在压强 不变时，温度升高1K氏度时流体体积的相对增 量，即：
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八、教学参考书
1.教材 《工程流体力学》，袁恩熙主编，石油工业出版
社，1986； 2.参考书：
1）《流体力学》，张兆顺，崔桂香主编， 清华大学出版社，1999；
2）《流体力学》，郑洽馀、鲁钟琪主编， 机械工业出版社，1980。
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§1 流体及其主要物理性质
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压缩系数的倒数称为体积弹性模量 E ，即：
由于ρV=m， ρ d V+ V dρ=0，故：
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液体的弹性模量受温度和压力影响很小， 通常把液体视为不可压缩流体，取水的弹性模 量为：
油的弹性模量为：
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对于气体，气体与液体不同，一般需同时
理论研究一般说来包括下列几个主要步骤：
1).通过实验和观察，对流体的物理性质及运 动的特性进行分析研究，根据不同问题分析哪 些是主要因素，哪些是次要因素，然后抓住主 要因素，忽略次要因素，对流体及其运动进行 简化和近似，设计出合理的理论模型。
2).对上述理论模型，根据物理上已经总结出 来的普遍定律（牛顿定律、热力学定律）以及 有关的实验公式，建立描述流体流动规律的封 闭方程组以及与之相应的初始条件和边界条件。
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流体力学与其它科学相互渗透，形成了 一系列的边缘学科，电磁流体力学，化学流体 力学，高温气体力学，爆炸力学，生物流体力 学，地球流体力学，非牛顿流体，多相流等。
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五、本课程的性质、目的与和任务
本课程是机械设计制造及其自动化专业的 专业基础课。主要任务是：通过各种教学环节， 使学生掌握流体力学的基本知识、原理和计算 方法，包括流体的基本性质，流体平衡及运动 的基本规律，简单的管路计算，能运用基本理 论分析和解决实际问题，并掌握基本的实验技 能，为从事专业工作、科研和其他专业课的学 习打下基础。
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5）.正确理解量纲分析和相似原理对实验 的指导意义；
6）.掌握流体在圆管中层流、紊流运动阻 力和水头损失的计算与实验研究方法，能够运 用基本公式和图表对简单串、并联管路进行分 析和计算；
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七、主要教学内容
1.流体及其主要物理性质 2. 流体静力学 3.流体运动 4.理想流体动力学 5.粘性流体动力学 6.不可压缩粘性流体运动 7.压力管路的水力计算 8.量纲分析与相似原理
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六、教学基本要求
1）.正确理解流体力学中的一些基本概念 和流动的基本特征；
2）.掌握研究流体运动的一些基本方法； 3）.熟练掌握平衡流体的压强分布规律以 及流体作用在壁面上的总压力的计算； 4）.熟练掌握连续性方程、伯努利方程、 动量方程，对工程中的一般流体流动问题具有 分析和计算的能力；
气体不仅没有固定的形状，也没有固定的 体积，极易膨胀和压缩，它可以任意扩散直到 充满其所占据的有限空间。液体的压缩性很小， 气体和液体的主要区别就是它们的可压缩程度 的不同。
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因此，流体具有如下特点：
1).没有固定形状；
2).无论有怎样小的切应力，流体将持续发 生切应变，即易流动性；
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二、 流体的基本特点
自然界的物质存在形式有五种状态，即固 体态、液体态、气体态、等离子态和凝聚态， 其中固体态、液体态、气体态是自然界和工程 技术领域常见的三种物质存在形式。
1.固体的特点
固体由于其分子间距离很小，内聚力很大， 所以它能保持固定的形状和体积，能承受一定 数量的拉力、压力和剪切力。
在实验研究在流体力学中有着广泛的应 用，它的主要特点是它能在所研究问题完全相 同或大体相同的条件下进行观察，其结果一般 说来是可靠的。但是实验方法往往受模型尺寸 的限制，相似准则不能完全满足。
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理论、计算、实验这三种方法各有利弊， 相互促进。实验用来检验理论结果和计算结果 的正确性和可靠性，并提供建立运动规律及理 论模型的依据。理论则能指导实验和计算，可 以把部分实验结果推广到一整类没有做的实验 现象中，计算可以弥补理论和实验的不足。
比重是一个无量纲的参数。
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§1.2 作用于流体上的力
作用于液体上的力很多，按性质可分为重 力、惯性力、弹性力、内摩擦力以及表面张力 等。它们分别对液体运动规律有着不同的影响。 这些力按其作用方式分为表面力和质量力两类。
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1.表面力
表面力连续作用于液体的表面，表面力又 可分解成垂直和平行于作用面的压力和切力。 表面力如边界对液体的反作用力，再如液体质 点之间的作用力在作用面上的表现。
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PPT文档演模板力学的研究对象
流体力学以流体为对象，研究流体静止 和运动的基本规律以及流体与固体的相互作用 的一门科学，是力学的一个分支。它包括流体 静力学和流体动力学，流体静力学研究流体静 止时力的平衡规律，流体动力学研究流体的运 动特性及运动时的力学规律。
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2.流体的特点
而流体则不同，由于其分子间距离较大， 内聚力很小，它几乎不能承受拉力和抵抗拉伸 变形；在微小剪切力作用下，流体很容易发生 变形或流动，所以流体不能保持固定的形状。
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3.液体与气体间的差异
液体分子内聚力却又比气体大得多，因为 液体分子间距离较小，密度较大，所以液体虽 然不能保持固定的形状，但能保持比较固定的 体积。
在研究流体力学规律之前，首先应了解 流体的主要物理性质，流体的主要物理性质有 易流动性，粘性，压缩性，表面张力等。