工程流体力学(水力学)-第1章绪论

流体力学在水利建设中有着广泛的应用。人们修建水库，既可以引水灌溉， 利用水能发电，还具有防洪功能。在修建水坝及其附属工程中，必须考虑解 决许多流体力学问题。
流体力学原理不仅仅用于解决工程中的问题，还可以用于解释生活中的问题。
§1.1
交通土建
流体力学研究的对象和应用
§1.1
航空航天
流体力学研究的对象和应用
都江堰
流体力学的发展
• 古代流体力学
– 16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生 产有了很大的发展，对于液体平衡和运动规律的认识 才随之有所提高 – 18至19世纪，沿着两条途径建立了液体运动的系统理 论
流体力学的发展
• 途径一 –一些数学家和力学家，以牛顿力学理论和数学分析为基本 方法，建立了理想液体运动的系统理论，称为“水动力学 ”或古典流体力学 – 代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、欧拉（L.Euler）等
壁面不滑移假设
由于流体的易变形性，流 体与固体壁面可实现分子 量级的粘附作用。通过分 子内聚力使粘附在固体壁 面上的流体质点与固体壁 面一起运动。
• 壁面不滑移假设已获得大量实验证实
h为两平板间的距离，A为平板面积。 若对上板施加力F，并使上板以速度U保持匀速 直线运动，则内摩擦力 T = F 。通过牛顿平板实验得 出：
均质流体
m V
式中，m为流体的质量，V为流体的体积。 非均质流体
m dm lim V 0 V dV
常用流体 的密度值
式中，δV为在空间某点取的流体体积，流体的质量为δm 。
注 意
这里数学上的δV→0， 从物理上应理解为体积 缩小到前面所讲的流体 质点。
4℃ 水的密度 ρ= 1000kg/m3 0℃水银的密度 ρ= 13600kg/m3 0℃空气的密度 ρ= 1.29 kg/m3
工程流体力学
水利电力学院
第1章 绪论
§1.1 流体力学研究的对象和应用 §1.2 流体力学发展史简述 §1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质
§1.5 作用在流体上的力
§1.6 流体力学的研究方法
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§1.1
流体力学研究的对象和应用
1. 流体力学研究的对象
流体，包括气体和液体。
通常说能够流动的物质为流体；
§1.1
水利
流体力学研究的对象和应用
§1.1
采矿通风
流体力学研究的对象和应用
§1.1
石油化工
流体力学研究的对象和应用
§1.1
机械冶金
流体力学研究的对象和应用
§1.1
环境
流体力学研究的对象和应用
§1.1
气象
流体力学研究的对象和应用
§1.1
生物
流体力学研究的对象和应用
§1.2
流体力学发展简述
§1.4
流体的主要物理性质
例如：毛细管现象 解释：液体分子间的吸引力（内聚力）和液体与固体分子间的吸 引力（附着力）之间的相互作用来说明。 当液体（水）与固体（如玻璃）壁面接触时，如果液体的内聚力 小于液体与固体的附着力，液体将附着湿润壁面，沿壁面向上延 伸致使液面向上弯曲成凹形；继由表面张力作用，使液面再有所 上升，直到表面张力的向上铅锤分量和上升液柱的重量相平衡为 止，如图1-5a所示。反之，如图1-5a所示.
§1.1
流体力学研究的对象和应用
3. 流体力学
研究流体力学是研究液体平衡和机械运动规律及其应用这 些规律解决工程实际问题的一门学科，是力学的一个分支。 在交通土建专业中是一门重要的技术基础课。 流体静力学； 流体动力学；
4. 流体力学 的研究内容
应用。
分类： 理论流体力学：内容侧重于理论，主要用严密的数学推理 方法，力求准确性和严密性的流体力学。
流体的压缩性 和膨胀性
通常情况下，水和其它液体可视为不可压缩流体，而将气体视为密 度可变的可压缩流体 特例：水下爆炸、水击、热水采暖需考虑水的压缩性和膨胀性；当气体 流速比声速小很多时，也可视为不可压缩流体。
§1.4
4. 表面张力
流体的主要物理性质
定义：在液体自由表面的分子作用半径范围内，由于分子引力大于斥力， 在表层沿表面方向产生的张力，称表面张力。
产生部位：液体与气体接触面，液体与固体接触面，及两种互不相混的 液体接触面上。
通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受 力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为 0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引 力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其 合力方向垂直指向液体内部，促使了液体表面层具有收缩的趋势，这种 收缩力称为表面张力。如空气中的小液滴、草叶上的露珠往往呈圆球形 状。
§1.3
连续介质模型
3. 连续介质模型假设-1753年欧拉提出
不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微 团组成的连续介质
不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观物 理属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能等）
重要意义： 按照连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一般在 时间和空间上都是连续分布，是空间坐标和时间的单值连续可微函数， 这样可以用解析函数的诸多数学工具去研究流体的平衡和运动规律， 为流体力学的研究提供了很大的方便。
§1.4
5. 粘性 流体的粘性
流体的主要物理性质
当流体处在运动状态时，若流体质点之间存在相对运动， 则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为 流体的粘性（亦称粘滞性），此内摩擦力又称为粘滞力， 这是粘性的宏观表现。
流体受切力作用发生连续变形，这种变形亦称为剪切变形。 流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质也称为流体的粘性， 是流体的固有属性。 是运动流体产生机械能损失的根源。
§1.4
流体的主要物理性质
• 流体的主要物理性质： • 易流动性 • 静止时不能承受剪力、抵抗剪切变形的性质 • 质量、密度、重量
• 输运性质：热传导、扩散性、粘性
• 压缩性和膨胀性 • 表面张力 • 汽化压强（液体） • 液体中溶解的空气
•
汽化的蒸气（饱和蒸气压）
§1.4
流体的主要物理性质
1. 流体的密度 表征流体的质量在空间的密集程度，单位为 kg/m3 。
当温度升高时：
气体的粘性增大， 对于气体，形 成粘性的主要 因素是分子的 热运动 液体的粘性减小。
对于液体，形 成粘性的主要 因素是分子间 的引力
6、牛顿内摩擦定律 流体在运动时，如果相邻两层流体的速度不同，则在它 们的界面上产生切应力，运动快的流层对运动慢的流层 施以拖力，而运动慢的流层则对运动快的流层施以阻力， 这对力称为流体之间的内摩擦力，或粘性切应力。 1687年，牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动， 且平板面积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。
流体力学的发展
• 我国现代流体力学的大大牛 – 钱学森、郭永怀、赵九章、任新民、孙家栋等两弹一星元勋 – 歼10、歼20等多个飞机型号研制之父——宋文骢
§1.3
1. 问题的提出
连续介质模型
从微观上看，由于构成流体的无数分子之间存在间隙，流体不连续。
从宏观上看，流体力学并不研究流体的微观分子运动，而只研究流体的 宏观机械运动。
0 C，1mm3 水含3.4×1019个分子 如此大量的分子， 容易取得它们共同 作用的有代表性的 统计平均值
气体含2.7×1016个分子
§1.3
2. 流体质点
连续介质模型
从宏观看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度充 分小，在数学上可以作为一个点来处理
从微观看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分的大， 包含有足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有 意义 是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元 是体积无限小而又包含大量分子的流体微团 流体微团 流体分子
1732年，皮托发明了 量测流速的皮托管
1769年，谢才建立了 计算均匀流的谢才公式
1856年，达西提出了线 性渗流的达西定律
流体力学的发展
• 流体力学的超大牛 – 1883年雷诺（O.Reynolds）发 表了关于层流、紊流两种流态的系 列试验结果（著名的雷诺实验田） ，又于1895年导出了紊流运动的 雷诺方程。 – 1904年普朗特（L.Prandtl）提出 边界层概念，创立了边界层理论。 使理论流体力学与工程流体力学（ 水力学）两种研究途径的成果得到 了统一
2. 流体的定义
若按照力学术语定义则，在任何微小切力的作用下都能 发生连续变形的物质称为流体。
§1.1
流体力学研究的对象和应用
固体、液体、气体的区别
呈现易流动性？
是
流体的特征
状态 有无固定体积 流体 能否形成自由液面 固体
否
是否容易被压缩
液体
气体
有
无
能
否
否
是
没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体则完全充满 容器； 流体具有可压缩性；液体可压缩性小，水受压从1个大气压增加至100 个大气压时，体积仅减小0.5%；气体可压缩性大；
1738年伯努利给出理 想流体运动的能量方程
1755年欧拉导出理 想流体运动微分方程
1821-1845年，纳维埃（Navier） 和斯托克斯（Stokes）导出适用于实 际流体运动的纳维埃-斯托克斯方程， 即N-S方程
流体力学的发展
• 途径二 – 一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和 室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。 这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。 – 代表人物有皮托（ H.Pitot）、谢才（ A.de Chezy）、达 西（H.Darcy）等
K
1


Vp V
可见，K值大的流体压缩性小，K值小的流体压缩性大。
§1.4
3. 流体的膨胀性
流体的主要物理性质
温度升高，体积膨胀
体胀系数 在一定压强下单位温升引起的体积变化率，单位1/k或1/C 。
V V V V T VT
式中，δT为温度的增量。
§1.4
流体的主要物理性质
§1.4
流体的主要物理性质
y
F’
x
牛顿发现：
F U F A 1 F h
AU h y F T h
Baidu Nhomakorabea
F
U x
o
并且F与流体的种类有关 即：
U F A h
式中，μ为流体的动力粘度，与流体的种类、温度、压强有关，在一定 的温度压强下为常数，单位Pa· S；
U/h为速度梯度，表示在速度的垂直方向上单位长度的速度增量，单位 S-1；
§1.4
2. 流体的压缩性 体积压缩率
流体的主要物理性质
流体在一定温度下，压强增高，体积缩小。
在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率，单位Pa-1。

V V V p Vp
为了保证压缩率为正， 故加上负号“-”
式中，δp为压强增量，δV为体积的变化量。 可见，对于同样的压强增量，κ值大的流体体积变化率大，容易压 缩； κ值小的流体体积变化率小，不容易压缩。 体积弹性模量 为压缩率的倒数，单位为Pa。
流体粘性的形成因素
(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成 (2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成
§1.4
流体粘性的形成因素
流体的主要物理性质
通常情况下形成流体粘性的因素有两个方面： 一是流体分子间的引力在流体微团相对运动时形成的粘性； 二是流体分子的热运动在不同流速流层间的动量交换所形成的粘性。
A为两平板的接触面积。
由壁面不滑移假设，下板上流体质点的速度为 零，紧贴上板的液体质点速度为U。当h及U不太大时， 板间沿法线方向的点流速可看成线性分布，即：
U du h dy
U du T A A h dy
§1.4
流体的主要物理性质
牛顿内摩擦定律的几点解释： 切应力：是指流层间单位面积上的内摩擦力，用τ表示，
• 早期文明中流体力学的应用
– 大禹治水、都江堰、南北运河、郑国渠 – 埃及等国的灌溉渠道、古罗马的供水管道系统
§1.2
流体力学发展简述
人类对流体力学的认识最早从治水、灌溉、航行等方面开始。 中国古代提水 灌溉所用风车
大禹治水（公元 前2300年）
§1.2
流体力学发展简述
李冰 （302-235 BC）
工程流体力学：侧重于应用，主要为解决工程实际问题。 若研究对象主要是水流，且又侧重于应用，称为水力学。
§1.1
流体力学研究的对象和应用
5. 流体力学在工程中的应用
流体 力学 航 空 航 天 水 利 给 水 排 水 交 通 运 输 城 市 建 设 石 油 化 工 机 械 冶 金 环 境 气 象 生 物