哈工大流体力学课件

2 黏性 定义：当流体处于运动的状态下，若流体质点 间存在相对运动，则质点间要产生内摩擦力 （黏滞力），抵抗其相对运动，这种性质称为 流体的黏性。
牛顿内摩擦定律：流体的内摩擦力（剪切力）
T与速度梯度du/dy成比例；与流层的接触面积
A成比例；与流体的性质有关；与接触面上的
压力无关。（流体的重要特征！）
2）反复的风振引起结构物或结构构件发生疲劳损害； 3）超高层建筑、高耸结构、大跨度屋盖、膜结构建筑。。。
超高层建筑风工程问题
风阻尼器
4 流体的力学特征
固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。 可保持固定的形状和体积； 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸 变形。任何微小切力作用，都会使流体流动，直到切 力消失，流动才会停止。不能保持固定形状；
或 T = μA du
τ = μ du
dy
dy
速度梯度与剪切应变率关系：
dγ ≈ tan(dγ ) = dudt ⇒ du = dγ
dy dy dt
τ = μ dγ
dt
动力黏度μ ：流体黏性大小的度量。数值随流 体种类而不同，并随压强、温度而变化。单位： Pa·s。 ▇ 流体种类：相同条件下液体的黏度一般大 于气体的黏度； ▇ 压强：常见的液体（如水）、气体等，黏 度值随压强的变化不大，一般可忽略不计； ▇ 温度：是影响黏度的主要因素。当温度升 高时，液体的黏度减小，气体的黏度增加。
流体力学
第一章 绪 论
第一节 流体力学及其任务 第二节 作用在流体上的力 第三节 流体的主要物理性质
第一节 流体力学及其任务
1 定义
流体力学：研究液体（主要是水）和气体的平衡和机械运动
的规律及其应用的科学。→ 水力学
工程流体力学：包括流体力学（或水力学）的基本原理及其 在工程（水利、环境、土木、交通）上的应用。
lim
ΔA→0
ΔΤ ΔA
2 质量力（体积力）
定义：作用在流体体积内每个质点上的力；大
小与流体质量成正比。最常见的质量力有重力、
Baidu Nhomakorabea
惯性力。
单位质量力：单位质量流体所受到的质量力，
单位：m/s2
fB
=
FB m
= Xi
+ Yj + Zk
各坐标上分量：
⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪⎩
X Y Z
= = =
FBx
Vρ κ = 1 dρ
ρ dp
可压缩流体：流体密度随
0.56 0.54
水的压缩系数/(*10-9/P
压强变化不能忽略的流体。 0.52 0.5
5at 10at
20at
不可压缩流体：流体密度 0.48 0.46
40at 80at
随压强变化很小，流体的 0.44
0.42
密度可视为常数的流体。
0
10
20
液体：可保持固定体积，不易压缩； 气体：不能保持固定体积，易被压缩。 流动性：静止时剪切力的存在导致的连续变形的特性。
5 连续介质假设 （1）流体的微观描述 分子之间不连续且有空隙，大量分子的无规则 运动 （2）连续介质假设 流体是由密集质点构成，内部无间 隙的连续体 （3）优点 可以利用连续函数的数学分析方法。适用于工 程等宏观的流体力学问题
（3）实验方法（实验流体力学） 通过实验研究流体的规律，为实际工程服务
7 流体力学的发展
8 课程基本要求 （1）性质：流体力学是研究液体（或空气） 机械运动规律及其应用的专业基础课程。研究 对象为流体，研究内容为机械运动规律和工程 应用，经典力学中的理论仍适用。 （2）目的：通过各教学环节，使学生掌握流 体运动的基本概念、基本理论、基本计算方法 与实验技能，培养分析问题的能力和创新能力， 为学习专业课程，并为将来在实际工程领域从 事专业技术工作打下基础。
m FBy
m FBz
m
重力：⎪⎧ ⎨
X Y
=0 =0
⎪⎩Z = −g
第三节 流体的主要物理性质
1 惯性
定义：物体保持原有运动状态的性质。当流体
受外力作用使运动状态发生改变时，流体的惯
性引起的对外界抵抗的反作用力称为惯性力。
密度：惯性大小的度量，表示单位体积的质量。
ρ=m
V
，单位：kg/m3。
液体密度一般可认为常数，气体密度随压强和 温度变化。
6 流体力学的研究方法 （1）理论方法（理论流体力学） 针对流体的物理性质和流动特征，通过建模， 利用数学方法求出理论结果； 优点：理论解具有普遍性，各因素之间关系明 确；可用于检验数值计算的准确性。 缺点：除极少数简单问题外，大多数工学范畴 的湍流问题都难以获得理论解。
（2）数值方法（计算流体力学, CFD） 针对流体理论模型，通过数值解法求出流场的 近似流动规律；
温度/oC
（通常情况下，液体、土木工程领域的气体可看作不
可压缩流体！）
体积弹性模量Κ：压缩系数的倒数。单位：Pa
Κ = 1 = −V dp = ρ dp
κ
dV dρ
4 热膨胀性 定义：流体因温度￪ ，分子间距离￪ ，体积￪ ， 密度￬。同时温度下降后可以恢复原状的性质。 热膨胀系数αv：一定压强下，温度增加一个单 位，体积的相对膨胀率。单位：1/K或1/oC
运动黏度ν： ν = μ 单位：m2/s。
ρ
讨论： 1）对于相互接触的两个流层，各自受到的内 摩擦力大小相等，方向相反； 2）内摩擦力虽然是流体抵抗相对运动的性质， 但它不能从本质上制止流动的发生； 3）若流体流层间没有相对运动，则不会发生 内摩擦力。
牛顿流体和非牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律 的流体为牛顿流体（常见流体），反之为非牛 顿流体。 无黏性流体：是指无黏性（μ=0）的一种假想 流体。人为定义的一种力学模型，实际不存在， 实际流体有黏性。不考虑黏性可使流动分析大 为简化，从而得出理论分析结果。
第二节 作用在流体上的力
1 表面力 定义：通过直接接触作用在流体接触表面的力； 大小与受作用的流体表面积成正比。如固体边 界对流体的摩擦力。 应力：单位面积上的表面力，单位：N/m2或 Pa；
压应力（压强）：垂直于
隔离体表面的应力
pA
=
lim
ΔA→0
ΔP ΔA
切应力：平行于隔离体表
面的应力
τ
A
=
3 可压缩性 定义：流体因压强￪ ，分子间距离￬，体积￬ ， 密度￪。同时压强撤除后可以恢复原状的性质。 压缩系数κ：一定温度下，压强增加一个单位， 体积的相对缩小率。单位：1/Pa
κ = − dV V = − 1 dV
dp V dp
∵ dm = d(ρV ) = ρdV +Vdρ = 0 ⇒ − dV = dρ
2 组成
流体静力学：研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作 用于流体上的各种力之间的关系； 流体动力学：研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与 运动要素之间的关系，以及流体的运动特性与能量转换等。
3 流体力学在土木工程领域的应用
代表：风工程学科→工程结构的抗风问题
1）风力过大，结构物或结构构件产生过大挠度或变形，发生 机构不稳定或破坏；
αv
=1 V
dV dT
=−
1
ρ
dρ
dT
水的热膨胀系数/(*10-4/oC
8 7 6 5 4 3 2 1 0
1
100
200
压强/a t
1-10oC 10-20oC 40-50oC 60-70oC 90-100oC