流体力学流体性质讲解
流体力学 第1章(下) 流体的主要物理性质
连续介质假设
连续介质假设是将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空 间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。
为什么要做这样的假设呢？
对流体物质结构的简化，使我们在分析问题时得到两大方便： 第一，它使我们不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外 力作用下的宏观机械运动； 第二，能运用数学分析的连续函数工具。因此，本课程分 析时均采用“连续介质”这个模型。
和流层问距离dy成反比；
2．与流层的接触面积A的大小成正比；
3．与流体的种类有关；
4．与流体的压力大小无关。
动力粘滞系数μ
表征单位速度梯度作用下的切应力，
Байду номын сангаас
所以它反映了粘滞性的动力性质，因此 也称为动力粘滞系数。
单位是N/m2·s或Pa·s。
运动粘滞系数ν
理解为单位速度梯度作用下的切应力对单位体
2、流体质点和连续介质模型
流体质点的概念 流体质点也称流体微团，是指尺度大小同一 切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。 如何理解呢？
宏观上看（流体力学处理问题的集合尺度）：流体质 点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。
微观上看（分子集合体的尺度）：流体质点是一个足 够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以至于对 这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流 体物理特性的运动要素的物理量定义在流体质点上。
实例应用：以密度为例来说明物理量如何在流体质点上定义的。 假设流体微团的质量为Δm ，体积为ΔV ，则流体质点的密度 m 为Δm/ΔV lim
v 0
V
其中，ΔV的含义可以理解为流体微团趋于流体质点。
连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础：设 在t时刻，有某个流体质点占据了空间点（x,y,z)， 将此流体质点所具有的某种物理量定义在该时刻和空 间点上，根据连续介质假设，就可形成定义在连续时 间和空间域上的数量或矢量场。
流体力学知识点范文
流体力学知识点范文流体力学是研究流体静力学和流体动力学的一个学科，涉及到流体的运动、力学性质以及相关实验和数值模拟方法。
流体力学的应用广泛，包括气象学、海洋学、土木工程、航空航天工程等领域。
以下是流体力学的一些重要知识点。
1.流体的性质流体是一种能够自由流动的物质，包括气体和液体。
与固体不同，流体具有可塑性、可挤压性和物质变形后恢复自然形状的性质。
流体的密度、压力、体积、温度和粘度是流体性质的基本参数。
2.流体的运动描述流体的运动包括膨胀、收缩、旋转和流动等。
为了描述流体的运动，需要引入一些描述流体运动的物理量，如速度、流速、加速度和流量。
流体的速度矢量表示流体粒子的运动方向和速度大小。
3.流体静力学流体静力学研究的是在静压力的作用下，流体内各点之间的静力平衡关系。
流体的静力压力与深度成正比，由于流体的可塑性，静压力会均匀传输到容器中的各个部分。
流体静力学应用于液压系统、液态储存设备和液压机械等领域。
4.流体动力学流体动力学研究的是流体在外力作用下的运动行为。
流体动力学分为流体动力学和流体动量守恒两个方面。
流体动力学研究的是流体的速度和加速度，以及流体流动的力学性质。
流体动量守恒研究的是流体在内外力作用下动量的转移和守恒。
流体动力学应用于气象学、水力学、航空航天工程等领域。
5.流体的流动方程流体力学的基本方程是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程描述了流体的质量守恒原理，即质量在流体中是守恒的。
动量守恒方程描述了流体的动量守恒原理，即外力对流体的动量变化率等于流体的加速度乘以单位质量的流体体积。
能量守恒方程描述了流体的能量守恒原理，即流体在流动过程中能量的转化和传输。
6.流体力学问题的数值模拟由于流体力学问题具有复杂性和非线性性，很多问题难以通过解析方法得到解析解。
因此，数值模拟成为解决流体力学问题的一种重要方法。
数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和有限体积法等。
这些方法通过将流体力学问题离散化为一组代数方程来进行数值求解。
流体力学知识点大全
流体力学知识点大全流体力学是研究流体运动规律的一门学科，涉及流体的力学性质、流体力学方程、流体的温度、压力、速度分布等等。
以下是流体力学的一些主要知识点：1.流体的性质和分类：流体包括液体和气体两种状态，液体具有固定体积，气体具有可压缩性。
液体和气体都具有易于流动的特点。
2.流体力学基本方程：流体力学基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程描述了流体质量的守恒，动量守恒方程描述了流体动量的守恒，能量守恒方程描述了流体能量的守恒。
3.流体的运动描述：流体的运动可以通过速度场描述，速度场是空间中每一点上的速度矢量的函数。
速度矢量的大小和方向决定了流体中每一点的速度和运动方向。
4. 流体静力学：流体静力学研究的是处于静止状态的流体，通过压力分布可以确定流体的力学性质。
压力是流体作用在单位面积上的力，根据Pascal定律，压力在流体中均匀传播。
5.流体动力学：流体动力学研究的是流体的运动，通过速度场和压力分布可以确定流体的速度和运动方向。
流体动力学包括流体的运动方程、速度场描述和流动量的计算等。
6.流体的定常流和非定常流：流体的定常流指的是流体的运动状态随时间不变，速度场和压力分布在任意时刻均保持不变。
而非定常流则是指流体的运动状态随时间变化，速度场和压力分布在不同的时刻会有所改变。
7.流体的层流和湍流：流体的层流是指在流体中存在着明确的层次结构，流体颗粒沿着规则的路径流动。
而湍流则是指流体中存在着随机不规则的流动，流体颗粒方向和速度难以预测。
8.流体的黏性：流体的黏性是指流体内部存在摩擦力，影响流体的流动性质。
流体的黏度越大，流体粘性越大，流动越缓慢。
黏性对于流体的层流和湍流特性有重要影响。
9.流体的雷诺数：雷诺数是用于描述流体运动是否属于层流还是湍流的参数。
当雷诺数小于临界值时，流体运动属于层流；当雷诺数大于临界值时，流体运动为湍流。
10.流体的边界层：边界层是指在流体靠近固体表面的地方，速度和压力的变化比较大的区域。
流体的力学性质
r r r r pn n x px n y p y n z pz
z
p y
D
p x
r r r r p x ip xx jp xy kp xz r r r r p y ip yx jp yy kp yz r r r r p z ip zx jp zy kp zz
1.1
流体的易变形性和粘性
二、流体的粘性：
粘性：处于连续变形过程中的流体（处于运动状态） 具有抵抗剪切变形的能力，这种性质称为粘性。 我们感兴趣的是流体在运动过程中所受到的力，以 及这个力与流体变形之间的关系 — 粘性力。
粘性力 粘性摩擦力 物体的力作用在流体上， 使流体变形；流体对物体表现出粘性摩擦力
＝（p,T）＝（T）
气体和液体的粘性系数随温度的变化规律并不一样：
当温度升高时，液体粘性系数下降
气体粘性系数升高
气体和液体的粘性随温度的变化：
• 引起气体粘性的主要因素是分子之间的动量交换， 温度升高，交换增强，粘性升高； • 引起液体粘性的主要因素是分子之间的（内聚力）， 温度升高，内聚力（分子之间的吸引力）减小，粘性 下降
（3）、声速：
p EV a
a 水 1450 m / s
气体的可压缩性：
气体的可压缩性与液体不一样，其值与压缩过程有关。
等温过程：
dp
d
p
EV p
等熵过程：
dp
d
p
EV p
不可压缩流体：
V 0
或者
EV
的流体
1.3
液体的表面张力
1. 表面张力 （surface tension）：
流体力学基础流体的性质与流体力学原理
流体力学基础流体的性质与流体力学原理流体力学基础——流体的性质与流体力学原理流体力学是研究流体运动和流体力学基本原理的学科，广泛应用于航空、航海、能源、化工等领域。
本文将介绍流体的性质以及流体力学的基本原理。
一、流体的性质流体指的是气体和液体，在力学中被视为连续介质。
流体具有以下几个主要的性质：1. 可流动性：与固体不同，流体具有较低的粘性和内聚力，因此可以流动。
流体的流动性使其在工程领域中应用广泛，并且流体力学正是研究流体流动的力学学科。
2. 不可压性：对于液体来说，密度变化相对较小，一般可视为不可压缩的。
而对于气体来说，变化较大的压力会引起密度变化，所以流体力学中对气体流动的研究需要考虑密度的变化。
3. 流体静力学压力：流体静力学压力是由于流体自身重力或外力作用下的压力差异引起的。
流体中的每一点都承受来自其周围流体的压力。
4. 流体动力学压力：流体动力学压力是由于流体的动力作用引起的压力差异。
当流体以较高速度通过管道或物体时，流体动力学压力扮演着重要的角色。
二、流体力学原理流体力学原理是研究流体运动的基本规律，它由庞加莱提出的运动方程、贝努利定律、连续方程等组成。
以下将分别介绍这几个基本原理：1. 流体运动方程：流体运动方程描述了流体在空间中运动的规律。
流体运动方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程指出质量在流体中不会凭空消失或产生；动量守恒方程描述了流体运动中受到的作用力和压力的关系；能量守恒方程则研究了流体在流动过程中的能量转化。
2. 贝努利定律：贝努利定律是流体力学中最为著名的定律之一。
它说明了在无粘度和定常状态下，流体在不同位置的速度、压力和高度之间存在着一种平衡关系。
贝努利定律在飞行器设计和管道流动等领域中有广泛的应用。
3. 材料导数：材料导数是流体力学中用来描述物质随时间变化的速率的重要概念。
对于流体来说，由于其非刚性的特性，物质随时间的变化需要通过材料导数来描述，它包括时间导数和空间导数。
流体的性质
D( ) ( ) (u )( ) D
式中，括弧内可以代表描述流体运动的任一物理
D( ) 量，如密度、温度、压强，可以是标量，也可以是矢量。 D ( ) 称为全导数， 为当地导数，u )( ) 为迁移导数。 (
材料工程基础
欧拉法优点:
一是利用欧拉法得到的是场，可用场论数学工具来研究。
x 3e
1
1, y e
1
1.
材料工程基础
dx dy ② 由流线方程 x y
积分得
( x )( y ) c1
c1 (1 ) 2
过（1，1）空间点有 故此流线方程为
( x )( y ) (1 )2
grange，1736－1813
Leonhard Euler，1707-1783
拉格朗日（Lagrange）法
欧拉（Euler）法
材料工程基础
2.2.1 拉格朗日法
（Lagrange） 又称随体法，在某一时刻，任一流体质点的位置为：
X=x (a，b，c， )
τ
y=y (a，b，c，τ)
二是加速度是一阶导数，而拉格朗日法，加速度是二阶导 数，所得的运动微分方程分别是一阶偏微分方程和二阶 偏微分方程，在数学上一阶偏微分方程求解容易。 三是在工程实际中，并不关心每一质点的来龙去脉。
材料工程基础
拉格朗日法与欧拉法比较
拉格朗日法
分别描述有限质点的轨迹
表达式复杂
欧拉法
同时描述所有质点的瞬时参数
-6
P一定, 温度升 高, 体积膨胀系 数增大。 60～70
556×10 548×10 539×10 523×10
流体力学基础讲解PPT课件
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。
流体的主要力学性质
微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换。
流体力学－－ Fluid Mechanics
天河学院 建筑工程系
Construction Engineering Department ，TianHe College
流体的黏性受温度的影响很大，而且液体和气体的黏性随温度的变化是不 同的。液体的黏性随温度升高而减小，气体的黏性随温度升高而增大。
造成液体和气体的黏性随温度不同变化的原因是由于构成它们黏性的主要 因素不同。分子间的吸引力是构成液体黏性的主要因素，温度升高，分子间的 吸引力减小，液体的黏性降低；构成气体黏性的主要因素是气体分子作不规则 热运动时，在不同速度分子层间所进行的动量交换。温度越高，气体分子热运 动越强烈动量交换就越频繁，气体的黏性也就越大。
二、流体的主要力学性质
2、粘性(viscosity)
y
F
U
b
uy
（1）牛顿内摩擦定律——Newton’s 实验
A
FU
du
Ab
dy
——内摩擦力。
Hale Waihona Puke 产生原因：分子引力；分子动量交换。
——动力粘性系数（Pa.s） 。 值越大，流体
越粘，抵抗变形运动的能力越强。
——运动粘性系数（m^2/s）。
二、流体的主要力学性质 2、粘性(viscosity) （2） 理想流体与粘性流体
理想流体： 的 0流体（无粘性流体）
粘性流体： 的0 流体（真实流体） （3） 牛顿流体和非牛顿流体
牛顿流体: c的on流st 体。剪应力和变 形速率满足线性关系。
非牛顿流体： (d的u 流dy体) 。剪切应力 和变形速率不满足线性关系。
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粘性、扩散性、热传导性
这种流体的输运性质，从微观上看，是通过分子的 无规则热运动及分子的相互碰撞实现的，分子在无 规则热运动中，将原先所在区域的流体宏观性质输 运到另一个区域，再通过分子的相互碰撞，交换、 传递了各自的物理量，从而形成新的平衡态。
流体的输运性质，主要指动量输运、能量输运、 质量输运，从宏观上看，它们分别表现为粘滞 现象、导热现象、扩散现象。
水 1.785 106 m2/s
1000C
水 0.282 103 Pa s
水 0.294 106 m2/s
-40C
空气 1.49 105 Pa s
空气 0.98105 m2/s
1000C
空气 2.18105 Pa s
空气 2.31105 m2/s
一般按具体流动中压缩程度的大小分类： 可压缩流 不可压缩流体
d 0
dt
一般地，当 / 5 时，按不可压缩流处理 一般情况下，水和其它液体认为不可压缩，可 忽略其密度变化。 低速气体流动(速度小于100米/秒)，通常也按不 可压缩流处理 也与研究问题有关，如空气中声波，要考虑压缩性。
它起源于分子间的相互作用和跨界面的动量交换
粘滞现象示意图
流体粘滞现象
A层流体具有较大的动量
B层流体分子具有较小的动量
（气体）分子无规则运动及碰撞导致A、B两层
流体动量发生变化，
（液体分子为分子间吸引力作用），在相邻流体
层间产生内摩擦，存在一个平行于流体层的剪切力。
动量定理
d
(
mv)
F
1
( T )p
1 v
v ( T )p
1
(
p
)T
1 v
(
v p
)T
（物性系数由实验测量确定）
d dp dT
dv dp dT
v
流体的压缩性
等温压缩系数的倒数为体积弹性模量E 表示体积相对变化所需的压强增量。
E
1
(
p
)T
p v(v )T
上没有维度的点。
准平衡假设
经宏观上这样选取尺度后，流体质点所具有 的宏观物理量，在流体域内是连续分布的， 从而才构成了各种物理量场，
注意：另一方面，对流体分子团（质点）进行 统计平均的时间dt, 也是微观上足够长，宏观上 足够短。 微观上，分子碰撞已经许多次，足够进行统计 平均得到稳定的数值. 而宏观上又足够的短，可以看作为一个‘瞬间’， 一个‘时刻’。
连续介质假设
连续介质假设认为：真实流体可近似地看 作是由紧凑连续分布的‘流体质点’ 所构成 的连续介质。
流体质点: 是大量流体分子的集合，而且
要求流体质点微观上是充分地大，以保证
流体质点中包含足够多的分子，对它们进行统计 平均能取得稳定的宏观量值，不会因少量分子出
入流体质点而影响该宏观量值。在宏观上要充 分地小,以致可以把流体质点近似地看成在几何
流体力学
基本概念
1. 流体的定义 2. 研究流体的连续介质模型 3. 流体的基本物理性质
流体定义
流体是气体和液体的总称。 大气和水是最常见的两种流体 。 流体力学中研究得最多的流体也是水和空气。
流体的主要特性就是它的“流动性”。
定义：流体就是在剪切外力的作用下会发生 流动（持续变形）的物体。
流体在静止时不能承受剪切力，不管多么小的
准平衡假设
假设流体质点内所经历的热力过程是局部准 平衡过程，即假设流体质点在偏离某一热力 平衡状态后会立刻恢复平衡并达到新的平衡
状态，具有时时确定并且随时间连续变化的 宏观物理特性参数值。
流体问题定义为：连续地充满整个流动空间 的‘流体质点’的运动问题。每个空间点和 每 个时刻都有确定的物理量（值），它们是空 间坐标和时间的连续函数。
空气的动力粘性系数比水小2个数量级，但空气的 运动粘性系数比水大。
空气的粘性系数随温度升高而增大，而水的粘性系 数随温度升高而减小。
牛顿流体
两个概念： 牛顿流体（作纯剪切运动时遵循牛顿粘性
定律的流体）. 即： 剪切应力正比于剪切应变率的流体。 如： 空气，水等 非牛顿流体 不满足牛顿粘性定律的流体。 如： 奶油、蜂蜜、沥青、水泥浆、大部分油类、 血液等。
事实合理性
空间 dx 冰点温度和一个大气压下，10-9厘米3的体积中 含有气体分子数为:2.71010个（分子） 水: 31013个分子
时间 dt 而在10-9厘米3体积内，10-6秒时间内，分子碰撞 1014次，而驰豫时间为10-9秒左右。 (驰豫时间为流体质点在失衡后达到新平衡的时间) 连续介质假设对一般气体和液体，均成立。
d dp
dv dp
v
实际流体都是具有可压缩性的。 气体比液体更易压缩。
• 液体的 E 随温度和压强而变，随温度变化不显著。液体的E
值很大，除非压强变化很剧烈、很迅速，一般可不考虑压缩 性，作不可压缩流体假设，即认为液体的E值为无穷大，密 度为常数。但若考虑水下爆炸、水击问题时，则必须考虑压 缩性。
E 越大， 越不易被压缩。
对完全气体，状态方程 pv=RT或 p=RT =1/T, =1/p
对均质液体而言，在正常条件下，它的状态方程为 密度=常数 0
流体的压缩性
由于液体的热容量很大（即加减很多热量， 而温度T变化很小），其压缩过程常可视为 等温过程。 液体的等温压缩系数在压力不是很高的 定温压缩过程中近似看作常数
切向应力，只要持续地施加，都能使流体流动 发生任意大的变形。
流动性
流体在静止时只有法向应力, 而没有切向应力。
一般都是各向同性流体 这与分子结构、分子间作用力性质相关。
连续介质假设
基本现象：流体由大量分子组成，分子间的真
空区其尺度远大于分子本身。每个分子无休止 地作不规则运动，相互间经常碰撞。因此流体 的微观结构和运动无论在时间和空间上都充满 着不均匀性，离散性和随机性。
系统会通过某种机理产生一种自发的过程，使之 趋向于一个新的平衡态。例如，当流体各层间速 度不同时，通过动量传递，速度趋向均匀；当流 体各处温度不均匀时，通过能量传递（传热）， 温度趋向均匀；当流体各部分密度不同时，通过 质量传递，密度趋向均匀。流体这种由非平衡态
转向平衡态时物理量的传递性质，统称为流体的 输运性质。
流体宏观物理性质
1. 易流动性 (已讲过) 2. 惯性（质量、密度） 3. 可压缩性 4. 粘性 5. 热传导 6. 扩散性 7. 表面张力特性
等等
流体的宏观性质是微观性质的统计平均。
惯性
惯性：物体保持原有运动状态的性质。 质量是用来度量物体惯性大小的物理量。 密度：单位体积内的质量。
密度 lim m dm 数学上，0 0 d
流体微团
流体微团：尺度无穷小的流体质点系 其中宏观物理特性值存在微分的差异。
p
p0
p x
dx
0
x
dx
连续介质假设:说明
另外，一个给定的体积能否看成流体质点， 还依赖于所研究问题的空间尺度。
对于研究对象的宏观尺度和物质结构的微观尺 度量级相当的情况，连续介质假设不适用。 如在分析空间飞行器和高层稀薄大气的相互作 用时，飞行器尺度与空气分子平均程尺度相当。
对运动—无滑移现象. 也称为粘附条件。
2 流速分布u沿y为线性分布 3 流体中所有各处的压力均相同。
u u0 y
4 F u0 A,或 F u0
h
h
Ah
流体的粘性：h较大时
流体的粘性
当速度分布为u(y)时，流体层y处的剪切应力
du
dy
为一维粘性流体的 牛顿粘性定律
可以用数学分析、场论等数学工具来研究
流体质点
流体质点具有时时确定并且随时间连续变化 的宏观物理特性参数值。
p p(x, y, z, t)
(x,
y,
z,
t)
(r,
t)
T T(x, y, z, t)
v v(x, y, z, t)
可以用数学分析、场论等数学工具来研究
流体质点尺度
常温下，水的体积弹性系数
E水 2.0 109 Pa
相对压缩（或密度增加）1%，需要增压
p 2.0107 Pa
约为 200 个大气压，即 2000m 水下的压强。 一般情况下可以认为水是不可压缩的。
流体的压缩性
实际流动问题中，关心的不是流体的压缩性能， 而是流体在流动过程中的实际压缩程度。
dm , d
M d
(x, y, z, t) (r, t) (x,y,z)空间位置
量纲： ρ=[ML-3] 单位： kg·m-3
密度
均质 M dm ,
V
d
dm d
M (x, y, z)d
比容(比体积)v：密度的倒数v=1/ 单位体积流体的重量：重度
非牛顿流体
有粘和无粘
du
dy
粘性力不占主导时， (粘性小，或速度梯度不大时)， 如远离物面的外流区域。 做无粘性的假设：理想流体。
理想流体：无粘流体
因此也无扩散和热传导。
0
0 粘性流体：
(实际流体)
粘性举例
粘性-理想（无粘）
流体的输运性
流体的输运性质 如果物质由于某种原因处于非平衡态，那么
=g (N/m3)
相对密度: d=/4度水
流体的压缩性
流体质点的密度随压力p或温度T而改变的性质