流体力学学习课件第一章绪论(流体力学)

质量力
表面力
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1.2.1 表面力 定义
——作用在流体表面上，与作用面面积成正比的力。
分类
法向力
与作用面正交的力 “FP ”
切向力
与作用面平行的力 “FS ”
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表示方法
通常用应力来表示。
设作用在面积为 A 的流体上的表面力分别 是： 法向力
FP
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市政
London Sewer
交通
Culverts
岩土工程
Groundwater and Seepage
结构
Snow Load
结构
Wind Load
1.2 作用在流体上的力
流体发生机械运动的内因是流体的物理力学性
质， 而其外因是流体所受外力。 在工程流体力学中，为了分析方便，一般可 将作用在流体上的力分为以下两大类：
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1.1 流体力学及其任务
1.1.1 流体力学的研究对象 力学 基础学科，它同数、理、化、天、地、生并列 为七大基础学科。 流体力学 是力学的一个分支，流体力学是研究流体静止 或运动的力学规律及其在工程技术中的应用。
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•
流体最主要的物理特性
呈现流动性？
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1.1.2 连续介质假设
连续介质假设
连续介质假设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。 目的
可以采用连续函数来描述流体中的物理参数。
流体力学研究流体的宏观机械运动，它研究的是流体的宏观特性， 认为流体是由空间上连续分布的流体质点组成的连续介质 。 —— 欧拉，1755
理论分析 基本假设 数学模型 解析表达
数值计算
数学模型
数值模型
数值解
实验研究
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模型试验
量测数据
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理论分析： 将普遍规律、公理，如：
牛顿定律
能量守恒原理、
力系的平衡定律、
动能定律
动量定律等
用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程，
优化方程，结合边界条件、限定条件求解。
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数值计算： 利用计算机技术，数值求解描述 液体运动的微分方程、积分方程等， 得到问题的数值解。
FP FS A
切向力
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FS
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则其应力分别是： （1）法向平均应力：
p
Fp A
Fp A
该点压应力： （2）切向平均应力：
p lim
ΔA0
Fs A
该点切应力：
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lim
A 0
Fs A
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1.2.2 质量力
定义 —— 作用在每个流体质点上，与流体 的质量成正比的力。 分类 地球对流体质点的引力
流体力学
李传奇 土建与水利学院
教学基本内容
第一章 第二章 第三章 第四章
第六章 第七章 第八章
绪论 流体静力学 流体运动学 流体动力学基础
流动阻力与水头损失 孔口、管嘴和有压流 明渠流动
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第一章 绪论 第一节 流体力学及任务 第二节 作用在流体上的力 第三节 流体的主要物理性质 第四节 牛顿流体与非牛顿流体
流体
固体
有无固定的 体积？ 流体 气体 液体 无 有
能否形成 自由表面？ 否 能
是否容易 被压缩？ 易 不易
力学模型
• 质点 • 刚体：有质量 • 固体：有质量，有变形，可抵抗拉、压、 剪切力 • 流体：有质量，有变形，不可抵抗拉力， 静止时不能抵抗剪切力。（流动性）
•
流体力学的主要研究内容
1. 流体在外力作用下，静止与运动的规律； 2. 流体与边界的相互作用。 固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界：飞机、船只等
1.1.2 连续介质假设
流体的组成：由大量不断运动的分子组成,
分子之间有间隙，不连续。 流体质点(fluid particle)：又称“流体微团” 相对于一般问题中的宏观特征尺寸小到可以被看成一个 点但是仍含有足够多个流体分子。
2.7 1016 个分子
1mm3空气
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( 1个大气压，00C)
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试验研究： 对有关问题进行物理模型实验试验
例如，水力学试验研究
其成果是检验水力学理论的唯一标准
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1.1.4 流体力学与土木工程
流体力学的应用——不胜枚举
（1）在土建工程中的应用。如路基排水、地下水渗透等。 （2）在市政工程中的应用。如桥涵孔径设计、给水排水系统、隧 洞通风、排水等。 （3）城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用力与渗流问题、防 洪闸坝的过流能力等。 （4）其它应用：气象，航空，动力工程，生物医学，体育等等。
（1）密度（Density）：是指单位体积流体的质量。 z
V
lim
y （2）容重（Specific Weight）：指单位体积流体的重量。
均质流体内部各点处的密度均相等：
M V 0 V
单位：kg/m3
o A
M V

x
lim
均质流体内部各点处的容重均相等： = G/V （3）容重与密度的关系： = g 水(4˚C）的密度常用值： =1000 kg/m3 ； =9800 N/m3； 空气(20˚C)的密度常用值： =1.205 kg/m3 ； =11.82 N/m3。
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则有：
f y = Fy / M f z= F / M
Fy 、 Fz
z
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（2）当流体处于绝对静止时：
fx= 0
有：
z
fy= 0
o
y
g
fz= -g x
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1.3 流体的主要物理性质
1、惯性 2、粘性
3、可压缩性和热膨胀性
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1. 3.1 惯性
“M g ”
重力 流体作变速运动时，因惯性 惯性力
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使流体质点所受的力。 “ -
M a”
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表示方法：
通常用单位质量力来表示。
单位质量力——作用在单位质量流体上的质量力。
（1）单位质量力的表示方法：
f x = Fx / M
假设流体的质量为
M，所受质量力为 F，力
在直角坐标轴上的分量 分别为： Fx 、
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连续介质模型并不是对物质的真实描述，而只是
一个数学模型。这个模型为运用数学方法解决流
体力学问题带来方便，并且在此基础上所得 结果 在绝大多数情况下也符合实际。
连续介质模型不成立的例子： 稀薄气体中航天器的飞行问题，微尺度流动问题。
1.1.3 流体力学的研究方法
1、理论分析法 2、实验研究法（原型实验与模型试验） 3、数值计算法 三种研究方法的关系：各有长短，可相互补充。