1.1 流体力学的基本性质

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1.1.1 流体的概念
（1） 什么是流体（fluid） ？（掌握）
流体与固体 有何区别?
能够流动的物体，指液体和气体的总称。
无一定形状、易于变形、有流动性
（2） 什么是流场 fluid field （掌握）
流体所占据的空间称为流场。
如速度场、压力场、密度场等
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规律 状态性质：可由克拉贝龙方程描述
pV nR*T mR*T M
P—压力（压强）,Pa ρ—密度,kg/m3 T—绝对温度,K M—气体分子量 kg/kmol R*—普适气体常数
8314.3J/kmol.K R—气体常数，J/kg.K
p m R T RT VM
R空气＝287 J/kg.K
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（3）什么是流体力学 (Fluid Mechanics) ？ 流体力学是力学的一个独立分支 是研究运动或静止状态的流体及流体对边界的后续作用。
这个边界可以是固体表面，也可以是流体与其它流体间 的界面
（4）什么是工程流体力学 fluid mechanics of engineering 特别强调工程应用性的流体力学，主要研究工业过程中常
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请问流体质点是下列指哪一项？
（1）几何的点 （2）流体的分子 （3）流体内的固体颗粒 （4）同流动空间（或设备）相比是极小量，同分
子尺寸相比是极大量（又含有大量分子微团）
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2．什么是理想气体性质？（了解）
概念 理想气体是指忽略分子大小及分子间相互作用的 气体 基本性质可分为： 状态性质 过程性质
见的流动现象和流动设备的规律，并以能解决实际问题为其基 本目标。
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1.1.2、流体力学研究的内容及方法有哪些？（了解） 1、研究内容：
流体静力学：静止状态下流体的力学分析。 流体动力学：
如质量、能量、动量平衡应遵循的规律，具体体现是连续性 方程、伯努利方程，动量守恒方程；
流体力学发展简史
牛顿 Isaac Newto
公元1642-1727 伟大的英国物 理学家、数学家、天文学家
贡献： 1687年牛顿在《自然哲学的数学原理》一书讨论了 阻力、波浪等问题，提出著名的“牛顿内摩擦定律”， 从而奠定了粘性流体动力学基础。
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伯努利（丹尼尔.伯努利） Daniel Bernoulli 公元1700-1782 瑞士科学家 ，写有
贡献： 1736年建立了理想流体运动微分方程及 其解，从而奠定了理想流体动力学基础
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第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）:流体力学沿着 两个方向发展——欧拉（理论）、伯努利（实验）
工程技术快速发展，提出很多经验公式 1732年 毕托——毕托管 （测流速） 1797年 文丘里—文丘里管（测流量）
流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新
分支和交叉学科
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雷诺（O.Reynolds）(1842－1912，爱尔兰 人，英国力学家、工程师 ）
贡献：
1883年通过对管流流动状态的实验观察研究，首 次发现流体两种流动状态---层流和紊流，同时建 立了流动现象相似的规律---只要管流的雷诺数相 等的两个流动现象是相似的。
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第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展
理论分析法与试验研究法相结合 量纲分析和相似性原理起重要作用
1883年 雷诺——雷诺实验（判断流态） 1904年 普朗特——边界层概念（绕流运动） 1933-1934年 尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻力系 数）…… 冯.卡门——建立卡门涡旋
1586年 斯蒂芬— 水静力学原理 1650年 帕斯卡— “帕斯卡原理” 1612年 伽利略— 物体沉浮的基本原理 1686年 牛 顿 — 牛顿内摩擦定律 1738年 伯努利— 理想流体的运动方程即伯努利方程 1775年欧拉 —理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程
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六十年代后期，逐渐形成流体力学与其他学科交叉 的分支学科
与计算机结合的计算流体力学。
与生物力学交叉的生物流变学
与电磁力学交叉的磁流体力学
与化学变化、物理变化相结合的物理-化学流体
动力学。
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思考题
在流体力学发展过程中做出突出贡献的有哪些 人物，他们的主要贡献是什么？
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普朗特（L.Prandtl， 公元1875－1953，德国力学家 ） 贡献：1904年建立了边界层理论，
将当时流体力学两个互不 相通的方向（数学理论流 体力 学和实验流体力学）结合起来，从而奠定了现代流体力学 的基础。此外在空气动力学、紊流理论研究也做了开创性 的贡献——“边界层理论”为标志。
1.1.3 流体力学的发展简史
第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段
如：大禹治水 公元前300多年
李冰父子----都江堰 (秦朝) 隋朝：南北大运河
是人类早期认识、研究流体运动规律并驾笃、利用流 体运动的典型范例
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流体力学进行系统的研究：
—古希腊哲学家阿基米德《论浮体》
方法：实验研究
贡献：
首次较系统地观察研究了水波、管流、涡
旋、水力机械、鸟的飞翔等流体动力学原理，
进行了大量的工程实践活动，在米兰附近建
了第一个小型水渠； 1493年首次根据鸟的
飞翔原理设计出一飞行器。
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流体力学发展简史
第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体 力学成为一门独立学科的基础阶段
流体在通道内的运动特征：如速度分布、压强分布、能量损 失等；
流体同固体间的相互作用。
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1.1.2、流体力学研究的内容及方法有哪些？（了解）
2、研究方法： 理论分析：
建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学控制方程，用数 学方法求解方程，检验和解释求解结果。
实验方法：
z 为了满足数学分析的需要，引入流体质点
流体质点：指能够保持流体宏观力学性（密 度、压力等）的最小流体微团。
P m
V x
1cm3的空气内有2.7×1019个分子。 注意：
y
m
V
lim
ΔV ΔV'
Δm ΔV
流体质点具有无线尺度，无热运动， 只在外力作用下作宏观平移运动。
将周围临界体积范围内的分子平均特 性赋于质点。
在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流 动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新 现象，检验理论结果。例：风洞试验
数值计算方法：
随着技算机技术的突飞猛进，过去无法求解的流体力学偏微分方 程可以用计算机数值方法求解。例：计算机模拟分解炉内的流场
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惯性：惯性就是物体维持原来静止或运动状态的物理性质 ，
是物体的固有属性。
— 惯性的大小用质量来度量，
— 流体力学中用密度描写单位体积内流体所具有
的惯性大小。 lim Δm
ΔV ΔV ΔV0
ρ(x,y,z,
)
lim
ΔV 0
Δm ΔV
dm dV
比容：密度的倒数，即单位质量流体所占有的体积。
1 ρ
第一章、流体力学及流体输送设备
§ 1.1、概述 § 1.2、流体静力学 § 1.3、流体动力学基础 § 1.4、流动流动的阻力和能量损失 § 1.5、管路计算基础 § 1.6、相似理论 § 1.7、流体输送设备（风机与泵）
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§ 1.1、概述
1.1.1 流体的概念 （了解） 1.1.2 流体力学的研究内容、方法（了解） 1.1.3 流体力学的发展简史 （了解） 1.1.4 流体的主要物理性质 （掌握） 1.1.5 流体的主要模型（熟悉）
？（掌握） 7．什么是流体的粘性性质？它是如何产生的？对流体运动会产生什么影响？
（掌握） 8．什么是牛顿内摩擦定律？它有何意义和用途？（掌握） 9．什么是流体的粘性系数和运动粘度？它有哪些基本特性？（掌握） 10．什么是流体的易变形性质？（掌握)
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1．什么是流体连续性性质？(掌握)
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1.1.4 流体的主要物理性质
1．什么是流体连续性性质？(掌握) 2． 什么是理想气体性质？（了解） 3．什么是流体的惯性性质？（掌握） 4．什么是流体的重力性质？（熟悉） 5. 作用在流体上的力是如何分类的？（掌握） 6 ．什么是流体的可压缩性、热胀性？根据此性质可将流体力学分为哪两种类型
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过程性质：
等温过程： 定压过程：
p1 p2 1 2 1T1 2T2
定容过程：
p1 p2 T1 T2
例如：气体初始状态和终态之间的ρ、V、T、P的关系为：
0
p p0
T0 T
V
V0
273 t 273
101.3 101.3
p
29源自文库
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3、什么是流体的惯性？（掌握）
指单位体积流体具有的重力 流体力学中常用重度表示重力特性。以 γ表示。
G g V
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5、作用在流体上的力是如何分类的？P9
质量力
（掌握）
（1）定义：作用于流体的每一个流体质点上的力，与流 体所具有的质量成正比，又称为体积力。
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斯托克斯 （George Gabriel Stokes）
公元1819-1903 英国数学家、力学家 贡献：
1845年改进了纳维粘性流体的运动微 分方程，建立了粘性流体运动微分方程， 称为纳维-斯托克斯方程(N-S)，奠定了 近代流体力学的基础
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V
V
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流体连续性假设 (continuous hypothesis)
流体是由连续排列的流体质点所构成的介质 在充满连续性流体介质的空间，流体有关的物理
参数不仅是空间和时间的连续函数而且是连续可 微的函数B (x, y, z, t) 适用条件 研究对象的特征尺寸（如管道管径、飞机长度） 远大于流体质点半径（L / R >100） 本课程所涉及流体力学均属于连续介质流体力学
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流体的密度
是流体重要的属性。 定义：单位体积流体所具有的质量 常见流体的密度：
水——1000 kg/m3 空气——1.293 kg/m3 水银——136000 kg/m3
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4、什么是流体的重力特性？（熟悉）
重力：流体受到地球引力作用的性质。 重度γ
理论 1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方
程组（N-S方程）
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纳维 Claude-Louis-Marie-Henri Navier 1785-1836 法国力学家、工程师 贡献：
1823年推广了欧拉理想流体 运动微分方程，考虑流体粘性， 建立了用实际粘性流体的运动微 分方程（只含一个粘性系数）
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冯.卡门 Theodore von Karma
公元1881-1963 美籍匈牙利力学家
贡献：
建立了卡门涡旋、升力面等理论，20世纪初在他 的推动下，空气动力学从流体力学发展出来形成 了独立的力学分支。
我国三大力学家郭永怀、钱学森、钱伟长是他的
学生
《流体动力学》等（其祖、父、弟、子皆 为著名科学家，科学史称伯努利家族） 贡献：
1738年建立了流体动力学最有应用价值的基本方程——伯努 利方程
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欧拉 Leonhard Euler 公元1707-1783 瑞士数学家、力学家 （是Daniel Bernoulli 父亲的弟子）
奠定了流体静力学的基础
阿基米德Achimedes(公元前287-212)
古希腊科学家
贡献：建立了包括物体浮力定律和浮体稳定性在内
的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。
是流体力学学科形成的第一创始人。
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达 ·芬奇 Leonardo da Vinc（1452-1519 ） 15世纪意大利文艺复兴时期著名艺术家、 科学家、工程师