流体力学基本概念

单位质量力
f
lim F m0 m
fxi
fy
j
fzk
fx
Fx m
fx
Fy m
fz
Fz m
§1.3 作用在流体上的力
1、质量力
质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比的力
质量力 —— 重力、惯性力、电磁力等
单位质量力
f
lim F m0 m
fxi
fy j
fzk
单位质量力只有重力时
密度
lim m
V 0 V
均质流体 m
V
常见的密度（一个标准大气压）
§1.4 流体的主要物理性质
1、易流动性
2、惯性
3、重力特性
重力特性：流体受地球引力作用的特性
均质流体 重度（容重）
非均质流体 重度（容重）
重力 比重
G mg V1
G
V
lim G
v0 V
g
§1.4 流体的主要物理性质
流体力学的任务及研究方法
● 流体力学的研究任务
● 流体力学研究方法
理论、实验和计算 流体力学——理论流体力学
实验流体力学 计算流体力学
流体力学的任务及研究方法
● 流体力学的研究任务 ● 流体力学研究方法
理论流体力学：
建立近似理论模型，数学方法求解，得出流体运动的内在规律
计算流体力学：
通过有限差分、有限元等数值计算方法对流体的运动直接数值 Fra Baidu bibliotek拟，得出流体运动规律
lim F
A0 A
ΔFn ΔF
ΔA ΔFτ
流体内部不能承受拉力， 法向力只有压应力即压强
流体相对运动时因粘 性而产生的内摩擦力
表面力具有传递性
§1.4 流体的主要物理性质
1、易流动性
流体的易流动性：任何微小的剪切力都可使流体连续变形的性质
特性：流体无一定形状 静止流体不能抵抗剪应力
2、惯性
惯性是物体维持原有运动状态的能力的性质
1、易流动性 2、惯性 3、重力特性
4、粘性
例：两平行平板间充满流体，假设下平板不动，上平板以一定速度运 动，帖近两平板的流体必粘附于平板平面上，紧帖于运动面上的流体 质点必以与运动平面相同的速度运动，而紧帖于下平面的流体质点的 速度为零，平面间流体层的速度各不相同，但按一定规律分布。运动 较快的流层可以带动较慢的流层，反之，较慢的流层又阻滞运动较快 的流层，不同速度流层间相互制约，产生类似面体磨擦过程的力。
液压、液力、气压传动机械：
机床、汽车、坦克、飞机、船舶、工程机械等
流体动力机械：
水泵、油泵、通风机、压气机等
以流体力学作为理论基础
§1.2 流体的概念
流体是由分子所组成的，分子之间有一定的空隙（气体 空隙较大，液体较小），这样就产生空间点上运动参数（速 度、压强、密度等）不定的问题。但由于流体力学是研究流 体宏观表象运动，并不考虑它的内部微观结构，因此以宏观 的质点作为介质的基本。
fx
Fx m
fy
Fy m
fz
Fz m
fz
mg m
g
fx 0 fy 0
fz g
2、表面力
表面力：外界对所研究流体表面的作用力， 作用在外表面，与表面积大小成正比
应力
lim F
A0 A
内法线方向：
法向应力——压应力
p lim Fn A0 A
（压强）
切线方向：
切向应力——剪切力
研究对象
研究方法
● 空气动力学 ● 船舶流体力学 ● 水力学 ● 液压流体力学
流体力学的任务及研究方法
● 流体力学的研究任务
流体力学－研究流体与流体、流体与固体相互作用， 研究流体平衡和运动规律的一门学科
流体力学的任务及研究方法
● 流体力学的研究任务 ● 流体力学研究方法
理论研究方法 力学模型→物理基本定律→求解数学方程→ →分析和揭示本质和规律
（1）粘性
粘性：流体具有抵抗其微团之间相对运动（剪切变形）的性质。 粘性力：流体微团之间相对运动的这种阻力。（内磨擦力，切向应力） 微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换
du 速度梯度：垂直速度方向速度的变化率 dz
z z dz
x
v u+du v
y
（1）粘性
z
v
E
z dz
u+du v
x
● 连续介质假设
假设流体是由连续充满空间的具有确定质量的流体微团 （或流体质点）组成。微团之间无空洞，在运动过程中相邻 微团不能超越也不能落后，微团变形过程中相邻微团永远连 接在一起。
§1.3 作用在流体上的力
1、质量力
质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比的力
质量力 —— 重力、惯性力、电磁力等
实验方法 相似理论→模型实验装置
相似理论
三峡库区重庆河段泥沙模型试验
南京国际商城（240m）风洞模型试 验
流体力学的任务及研究方法
● 流体力学的研究任务
● 流体力学研究方法
理论研究方法 力学模型→物理基本定律→求解数学方程→ →分析和揭示本质和规律
实验方法 相似理论→模型实验装置
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
流场分析
流体力学的任务及研究方法
● 流体力学的研究任务 ● 流体力学研究方法
理论研究方法 力学模型→物理基本定律→求解数学方程→ →分析和揭示本质和规律
实验方法 相似理论→模型实验装置
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
理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充
实验流体力学：
主要是风洞、水槽、流体机械等实验设备中进行的模拟实验或 实物实验。
流体力学的任务与研究方法
● 流体力学的研究任务 ● 流体力学研究方法 ● 课程侧重点
流体力学基本理论、流体力学在工程中的应用 应用侧重点：流体力学在机械工程中的应用
以流体能量作为原动力的机械：
水轮机、汽轮机、蒸汽轮机、喷气发动机、液体燃料火箭等
（2）牛顿内摩擦定律
根据牛顿总结：流体运动时，阻滞剪切变形的内摩擦力T与流 体运动的剪切变形角速度，即速度梯度成正比，与接触面积A 成正比，与流体性质有关，与压强无关。
z
v
E
z dz
u+du v
x
y
速度梯度： du ED ' tg(d ) / dt ≈ d
dz dzdt
dt
dθ是矩形ABCD在dt时间后的剪切变形角度，即表明速度梯度 实质上就是流体运动时的剪切变形角速度。
由于流体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻 滞变形的内摩擦力，可见，粘性表征流体抵抗剪切变形 能力。
y
微小矩形ABCD，AB层为u，CD层速度为u+du； 两层间距离为dz，经过dt时间后，ABCD→A’B’C’D’
ED ' DD ' AA' (u du)dt udt dudt
速度梯度：
du ED'/ dt
du ED ' tg(d ) / dt ≈ d
dz dzdt
dt
（1）粘性