材料工程基础教案

第一章 流体力学
1、导 论
1.2 流体的特征和连续介质假设
流体的定义和特征 流体：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形 的物质，称为流体。 特征：具有流动性。流体在静止时不能承受切向力，这显 然与固体不同。固体在静止时也能承受切向力，发生微微 小变形以抗拒外力，一直达到平衡为止。只要作用力保持 不变，固体的变形就不再变化。
乌氏粘度计
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1、导 论
1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
【例1-1】一平板距另一固定平板δ=0.5mm，二板水平放置， 其间充满流体，上板在单位面积上为τ=2N/m2的力作用下， 以μ=0.25m/s的速度移动，求该流体的动力黏度。 【解】由牛顿内摩擦定律
由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布， 可用增量来表示微分
流体平衡微分方程 在静止流体中任取一微元平行六面体的流体微团，如图2-3 所示。设微元平行六面体中心点处的静压强为p，则作用在 六个平面中心点上的静压强可按G.I.Taylor级数展开，例如： 在垂直于X轴的左、右两个平面中心点上的静压强分别为：
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2、流体静力学
2.2 流体平衡微分方程
第一章 流体力学
1、导 论
1.6 作用在流体上的力
表面力 是指作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，即该部 分体积周围流体或固体通过接触面作用在其上的力。如压力、 摩擦力 a点的法向应力和切向应力的 数学表达式分别为: (法向应力 P和切向应力τ的单位为Pa )
第一章 流体力学
1、导 论
第一章 流体力学
2、流体静力学
2.3 流体静力学基本方程
三个重要结论 (1)在重力作用下的静止液体中，静压强随深度按线性规律变化， 即随深度的增加，静压强值成正比增大。 (2)在静止液体中，任意一点的静压强由两部分组成：一部分是 自由液面上的压强p0；另一部分是该点到自由液面的单位面 积上的液柱重量ρgh。 (3)在静止液体中，位于同一深度(h＝常数)的各点的静压强相 等，即任一水平面都是等压面。
在工程上，不同压强和温度下气体的密度可按下式计算：
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1、导 论
1.4 流体的膨胀性和压缩性
可压缩流体和不可压缩流体 一定条件下，流体的密度不随压力变化而变化，称为不可 压缩流体，相反为可压缩流体。 液体—一般可认为是不可压缩流体 气体—可认为是可压缩流体
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1、导 论
当质量力仅为重力：X = 0，Y = 0，Z = −g
第一章 流体力学
2、流体静力学
2.1 流体静压强及其特性
在流体内部或流体与固体壁面所存在的单位面积上的法向作 用力称为流体的压强。当流体处于静止状态时，流体的压强 称为流体静压强，用符号p表示，单位为Pa。 流体静压强的两个基本特性： 1）流体静压强方向与作用面相垂直，并指向作用面的内法 线方向； 2）静止流体中任意一点流体压强的大小与作用面的方向无 关，即任一点上各方向的流体静压强都相同。
课程考核
• 考核方式：N+2，N为课程论文（2次）、实验设计、小测 验、分组讨论表现三项，“2”为笔记与考试。
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1、导 论
1.1 流体力学的任务及发展状况
研究对象
60年代以前，主要围绕航空、航天、大气、海洋、航运、 水利和各种管路系统等方面，研究流体运动中的动量传递 问题，即局限于研究流体的运动规律，和它与固体、液体 或大气界面之间的相互作用力问题。 60年代以后，能源、环境保护、化工和石油等领域中的流 体力学问题逐渐受到重视，这类问题的特征是：尺寸小、 速度低，并在流体运动过程中存在传热、传质现象。这样， 流体力学除了研究流体的运动规律以外，还要研究它的传 热、传质规律。
传质原理、干燥过程 量纲理论、相似理论
物理模拟、数学模拟 泵与风机、烟囱、换热器 流场、温度场、浓度场测 试技术
工程应用
工程测试技术与方法
参考资料
• 《热工基础》张学学，李桂馥 编，北京：高等教育出版 社，2006年第二版。 • 《化工传递过程基础》陈涛，张学亮 编，北京：化学工 业出版社，2010年第三版。 • 《流体力学》李玉柱，高等教育出版社.2008年第二版。 • 《传热学》赵镇南. 高等教育出版社. 2008年第二版。 • 《燃料及燃烧》韩昭沧. 冶金工业出版社. 1994年第二版。 • “James. R.Welty, Charles E. Wicks,Robert E. Wilson, Gregory Rorrer. “Fundamentals of Momentum and Heat, and Mass Transfer” (4th.). 2001。
1.6 作用在流体上的力
质量力 质量力是指作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体 积的流体质量成正比的力，又称体积力。在均匀流体中，质 量力与受作用流体的体积成正比。如：重力；惯性力；静电 力；电磁力；离心力。
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1.Baidu Nhomakorabea 作用在流体上的力
质量力
质量力的大小以作用在单位质量流体上的质量力，即单 位质量力来度量。在直角坐标系中，若质量力在各坐标 轴上投影分别为Fx，Fy，Fz，则单位质量力在各坐标轴 的分量分别等于：
2、流体静力学
2.3 流体静力学基本方程
力作用下的静力学基本方程式 在一盛有静止液体的容器上取直角坐标系（只画出OYZ平面， Z轴垂直向上）。这时，作用在液体上的质量力只有重力G = mg，其单位质量力在各坐标轴上的分力为 X = 0，Y = 0， Z = −g。即：
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2、流体静力学
如果静压强与法向不一致，则切身压强不 等于０，流体因剪切力作用便产生运动。 如右图：
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2、流体静力学
2.1 流体静压强及其特性
注意 静止流体中深度不同的点处流体的静压强是不一样的，而流 体又是连续介质，所以流体静压强仅是空间点坐标的连续函 数，即
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2、流体静力学
2.2 流体平衡微分方程
无机非金属材料科学与工程专业
材料工程基础 课程教案 主讲：胡坤宏
主要内容
篇内容 章内容
工程流体力学 工程的基本理论 热工基础
节主要内容
流体静力学、流体动力学、 流体流动及阻力 传导传热、对流传热、辐 射传热、燃料及燃烧
传质与干燥
工程研究基本理论 工程研究基本理论 和方法 工程研究基本方法 设备与工程应用
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1、导 论
1.3 流体的主要物理性质
流体的密度 密度
相对密度 流体的相对密度是指某种流体的密度与4℃时水的 密度的比值，用符号d来表示。
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1.3 流体的主要物理性质
比容(比体积)
重度
（N/m3）
流体的平均重度：γ=G/V （N/ m3），在地球质量重力 场作用下，流体的密度和重度的关系为 γ = ρg。
1、导 论
1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
影响黏性的因素 其它条件一定， 温度 黏度随温度升高而降低。 压力 其它条件一定， 黏度随压力升高而升高。 对液体来说，压力影响较小。
夏天与冬天相比， 何时倒油更容易？
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1、导 论
1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
理想流体假设 不具有黏性的流体称为理想流体（假设，实际不存在，黏 度很小的流体可以当作理想流体）。 黏度的测量 管流法 工业黏度计 落球法 恩格勒(Engler)黏度计 旋转法 Redwood黏度计 泄流法 美国采用Saybolt黏度计 其它方法
2.2 流体平衡微分方程
流体平衡微分方程
乘以dx，dy，dz， 然后相加并整理
全微分
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2、流体静力学
2.2 流体平衡微分方程
等压面 在流体中，压强相等的各点所组成的面称为等压面。即：等 压面内dp = 0，且
上式说明通过静止流体中的任 一点的等压面都垂直于该点处 的质量力。
第一章 流体力学
第一章 流体力学
1、导 论
1.3 流体的主要物理性质
比重（无量纲量）
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1.4 流体的膨胀性和压缩性
流体的膨胀性 在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质 称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数 β 来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引起 流体体积的相对增加量，即:
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1.1 流体力学的任务及发展状况
流体力学的研究内容 研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的运 动规律及其在工程技术领域中的应用。 流体力学的三大基础理论 流体静力学(fluid statics); 流体运动学(kinematics); 流体动力学 (fluid dynamics) 。
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1.4 流体的膨胀性和压缩性
流体的膨胀性
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1.4 流体的膨胀性和压缩性
流体的压缩性 在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称 为流体的压缩性。即:
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1.4 流体的膨胀性和压缩性
流体的压缩性 对于完全气体，其密度与温度和压强的关系可用热力学中 的状态方程表示，即：
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1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
【例1-2】长度L=1m，直径d=200mm水平圆柱体，置于内径 D=206mm的圆管中以u=1m/s的速度移动，间隙中油液的相对 密度为d=0.92，运动黏度ν=5.6×10-4m2/s，求所需拉力F？ 【解】间隙中油的密度为 动力黏度为 由牛顿内摩擦定律 由于间隙很小，速度可认为是线性分布
表示在重力作用下静止流体中各点的静水头都相等。
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2、流体静力学
2.3 流体静力学基本方程
压强与位置的关系
p p(z )
重力作用下静止均质流体
在一密闭容器中盛有密度为 ρ 的液体，若自由液面上的 压强为p0、位置坐标为z0，则在液体中位置坐标为z的任 意一点A的压强p为:
p0 hp z0 z
2.3 流体静力学基本方程
重力作用下的静力学基本方程式 对于均质不可压缩流体，密度ρ为常数。积分上式，得：
流体静力学基本方程
适用范围：重力下的平衡 状态均质不可压缩流体。
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2、流体静力学
2.3 流体静力学基本方程
流体静力学基本方程的物理意义和几何意义 物理意义：z－表示为单位重量流体对某一基准面的位势能； p/ρg－表示单位重量流体的压强势能。 几何意义：单位重量流体所具有的能量也可以用液柱高度来 表示，并称为水头。z－表示为单位重量流体的位置高度或 位置水头。p/ρg - 表示为单位重量流体的压强水头。位置水 头和压强水头之和称为静水头。
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1.2 流体的特征和连续介质假设
流体连续介质假设 流体微团为研究流体的基元。它是一块体积为无穷小的微 量流体，由于流体微团的尺寸极其微小，故可作为流体质 点看待。这样，流体可看成是由无限多连续分布的流体微 团组成的连续介质。这种对流体的连续性假设是合理的， 因为在流体介质内含有为数众多的分子。例如，在标准状 态下，lmm3 气体中有2.7×1016 个分子；lmm3 的液体中有 3×1019个分子。可见分子间的间隙是极其微小的。因此在 研究流体宏观运动时，可可以忽略分子间的间隙，而认为 流体是连续介质。
摩擦力
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1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
牛顿内摩擦定律
有的书上用η
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1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
牛顿内摩擦定律 流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力，则
在流体力学中还常引用动力黏度与密度的比值，称为 运动黏度用符号ν表示，即
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1.5 流体的黏性和牛顿内摩擦定律
流体的黏性 黏性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点 可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的 持续作用下，流体要发生连续不断地变形。但不同的流体 在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了抵 抗剪切变形能力的差别，这种能力就是流体的黏性。
流体平衡微分方程 处于静止状态下：作用在其上的外力在三个坐标轴上的分力 之和都等与零。例如，对于x轴，则为
整理上式，各项都除以微元体的质量ρdxdydz则得
同理得 用向量表示：
（欧拉平衡微分方程式，物理意义： 静止流体，某点单位质量流体的质 量力与静压强的合力相平衡。）
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2、流体静力学