(完整版)流体力学 第一章 流体力学绪论

第一章绪论
§1—１流体力学及其任务
1、流体力学的任务：
研究流体的宏观平衡、宏观机械运动规律及其在工程实际中的应用的一门学科。

研究对象：流体,包括液体和气体。

2、流体力学定义：研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用.
3、研究对象：流体(包括气体和液体）。

4、特性：
•流动(flow)性，流体在一个微小的剪切力作用下能够连续不断地变形,只有在外力停止作用后,变形才能停止。

•液体具有自由（free surface）表面，不能承受拉力承受剪切力（ shear stress)。

•气体不能承受拉力,静止时不能承受剪切力，具有明显的压缩性，不具有一定的体积，可充满整个容器。

流体作为物质的一种基本形态，必须遵循自然界一切物质运动的普遍，如牛顿的力学定
律、质量守恒定律和能量守恒定律等。

5、易流动性：处于静止状态的流体不能承受剪切力,即使在很小的剪切力的作用下也将发生连续不断的变形,直到剪切力消失为止。

这也是它便于用管道进行输送，适宜于做供热、制冷等工作介质的主要原因.流体也不能承受拉力，它只能承受压力.利用蒸汽压力推动气轮机来发电，利用液压、气压传动各种机械等,都是流体抗压能力和易流动性的应用.
没有固定的形状，取决于约束边界形状，不同的边界必将产生不同的流动。

6、流体的连续介质模型
流体微团——是使流体具有宏观特性的允许的最小体积。

这样的微团，称为流体质点。

流体微团：宏观上足够大,微观上足够小。

流体的连续介质模型为:流体是由连续分布的流体质点所组成，每一空间点都被确定的流体质点所占据,其中没有间隙，流体的任一物理量可以表达成空间坐标及时间的连续函数，而且是单值连续可微函数。

7流体力学应用:
航空、造船、机械、冶金、建筑、水利、化工、石油输送、环境保护、交通运输等等也都遇到不少流体力学问题。

例如,结构工程:钢结构，钢混结构等.船舶结构；梁结构等要考虑风致振动以及水动力问题；海洋工程如石油钻井平台防波堤受到的外力除了风的作用力还有波浪、潮夕的作用力等，高层建筑的设计要考虑抗风能力;船闸的设计直接与水动力有关等等。

二、流体力学发展简史
➢公元前20世纪流体力学开端
➢18世纪是流体力学的创建阶段.
➢19世纪是流体动力学的基础理论全面发展阶段，形成了两个重要分支：粘性流体动力学和空气-气体动力学。

➢ 20世纪创建了空气动力学完整的科学体系,并取得了蓬勃的发展。

➢ 19世纪后半叶的工业革命，蒸汽机的出现和工业叶轮机的产生,使人们萌发了建造飞机的想法
➢ 1906年，儒可夫斯基（Joukowski)发表了著名的升力公式，奠定了二维机翼理论的基础,并提出以他
的名字命名的翼型。

➢ 与无粘流体动力学发展的同时,粘性流体力学也得到了迅猛的发展。

普朗特与1904年首先提出划时代
的附面层理论,从而使流体流动的无粘流动和粘性流动科学地协调起来，在数学和工程之间架起了桥
梁。

➢ 1946年出现了第一台计算机以后，研究流体力学—空气动力学的数值计算方法蓬勃发展起来,形成了
计算流体—空气动力学这门崭新的学科,并推进到一个新的阶段。

➢ §1—2作用在流体上的力
➢ 1、质量力
➢ 质量力(G ）：质量↑，G ↑——长程力。

质量力包括重力和惯性力.在流体力学中，常用单位质
量力来衡量质量力的大小。

X 、Y 、Z 分别代表单位质量力在直角坐标轴x 、y 、z 方向的分量,则m G X x =
m G Y y = m G Z z = (1。

4。

1） 单位与加速度的单位相同，均是m/s 2. ➢
2、表面力 ➢
表面力——近程力。

➢
表面切向力（为摩擦力）：→切应力或摩擦应力 ➢
表面法向力（压力）。

；→压应力简称为压强. ➢
由流体粘性所引起的内摩擦力是表面切向力，平衡流体或理想流体,不存在表面切向力，只有表面法向力. ➢
本次课小结：1、工程流体力学研究的是实际流体； ➢
2、研究方法是将实际流体假想为理想流体； ➢
3、符合牛顿内摩擦定律； ➢
4、各物理性质及之间的换算关系。

§1—3 流体的主要物理性质
一、教学目的与任务
1、 本章的学习目的
1）使学生明确流体力学这门课的性质、任务及研究对象。

2）使学生掌握流体的主要物理性质。

3）初步建立起有关流体的基本概念.
2、 学生学完本章能够
1）掌握流体的惯性、黏性、压缩性、膨胀性等主要物理性质。

2）理解流体微团及质点的概念、连续介质模型及建立的条件。

3）了解作用在流体上的力（质量力和表面力）。

二、重点、难点
1、 重点
黏性、牛顿内摩擦定律、质量力、表面力、连续介质概念。

2、 难点
牛顿内摩擦定律具体应用
三、教学方法
本章内容是学生学习流体力学这门课的基础，是流体力学的“门槛”。

因此,必须联系生产及
生活实际，使学生首先在思想上明确认识，对这门课产生兴趣，使学生认识到流体力学理论在生产和生活实际中的应用是无所不在的.
是决定流体平衡和运动规律的内因。

1、惯性
惯性是物体反抗外力作用而维持其原有运动状态的性质。

惯性的大小取决于物体的质量，质量↑，惯性
↑。

举例:汽车减速。

2、密度
工程中常用体积来表示流体的量的多少，如：煤气表、水表的示数都是体积。

单位体积流体的质量—
—流体的密度，用ρ来表示。

对于均质流体 V
m =ρ （kg/m 3) 3、重度
单位体积流体的重量——流体的重度,用γ来表示。

对于均质流体,其重度（Formula ）为 V
G =γ (N/m 3) 在地球重力场的条件下，流体的密度和重度的关系为g ργ=
常温下水的密度和重度一般采用:1000=w ρkg/m 3，=w γ9800N/m 3.
注意：密度和重度的本质区别。

4、粘性
粘性——流体阻止发生剪切变形的一种特性。

粘性是流体的固有属性。

当流体运动时，流体内部各质点
间或流体层间会因相对运动而产生内摩擦力（剪切力）以抵抗其相对运动，流体的这种性质称为粘性。

此内摩擦力称为粘滞力(粘性切应力）。

（1） 牛顿内摩擦定律
图1.2。

1化规律如图1。

2。

1所示设:F —-而与垂直距离dy dy
du A .μ,则有 dy
du A F dy
du A F μτ= 式中 F ——内摩擦力，N ； 图1.2.1 平行平板实验
τ--单位面积上的内摩擦力或切应力，N/m 2;
A —-流体层的接触面积，m 2;
dy
du -—速度梯度，即速度在垂直于该速度方向上的变化率,s 1-； μ——与流体性质有关的比例系数，称为动力粘性系数,或称动力粘度
★★★1、★★★2式称为牛顿内摩擦定律或粘性定律。

牛顿内摩擦定律只能应用于层流运动。

而非层流流场中的切应力规律将在第4章紊流理论中讨论。

牛顿流体:符合牛顿内摩擦定律。

如水、酒精、汽油和一般气体等分子结构简单的流体都是牛顿流体.
非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律.如泥浆、有机胶体、油漆、高分子溶液等.
（2） 粘性系数
动力粘性系数(dynamic viscosity ）μ:反应流体的粘性，具有动力学问题的量纲.μ↑,τ↑. dy
du τμ= μ值由实验测定。

μ值表示速度梯度等于1时的接触面上的切应力.
动力粘性系数μ国际单位为Pa s （N
s/m 2),物理单位为泊（P 或dn s/cm 2）。

它们的换算关系为 1N s/m 2=10dn s/cm 2=10P
运动粘性系数或运动粘度： ρ
μυ= υ的单位及各种单位之间的见换算关系P 5 。

液压油的牌号多用运动粘性系数表示。

一种机械油的号数就是以这种油在50°C 时的运动粘性系数平均值标注的,号数越大，粘性就越大。

例如30号机械油，就是指这
种油在50°C 时的运动粘性系数平均值为30⨯106-m 2/s 。

思考？？?0=τ时,流体没有粘性，这种说法对否？
例题1-1 轴置于轴套中，如图1.2。

2所示。

以
=P 90N 的力由左端推轴向右移动，
轴移动的速度为=v 0。

122m/s,轴的直径为=d 75mm,其它尺寸
见图中。

求轴与轴套间流体的动力粘性系数μ.
解 因轴与轴套间的径向间隙很小,故设间隙内
流体的速度为线性分布，由式υ
μA Fh = 上式中 P F =，dl A π= 图1。

2。

2 轴与轴套
则 174.1122
.02.0075.01416.3000075.090=⨯⨯⨯⨯===υπυμdl Ph A Fh Pa s （3） 温度、压力对粘性系数的影响
液体：温度↑，粘性↓; 气体：温度↑，粘性↑.
液体、气体:压力↑，粘性↑。

(4） 理想流体与实际流体
自然界中存在的流体都具有粘性—-粘性流体或实际流体。

理想流体：是一种假想的无粘性的流体，μ=0 .
流体力学的研究方法：将实际流体假想为理想流体，找出它的运动规律后,再考虑粘性的影响，修正后再用于实际流体。

§1-4 流体的其他属性
1、 压缩性和膨胀性
（1） 压缩性
当作用在流体上的压力↑时，流体的体积↓，密度↑，——流体的压缩性.
流体可压缩性的大小通常用体积压缩系数p β表示。

在实际工程中，一般认为：液体是不可压缩的；气体，当压力和温度在整个流动过程中变化很小时（如通风系统)，可按不可压缩流体处理。

如矿井通风系统.
如研究液体的振动、冲击时，则要考虑液体的压缩性。

（2） 膨胀性
当温度↑时，体积↑—-流体的膨胀性。

大小用体积膨胀系数t β表示。

在工程上：①液体的t β很小，一般不考虑其膨胀性；②气体的t β很大，当压力和温度变化时，密度或重度明显改变，其间的关系，可用理想气体状态方程式来描述。

及必须考虑膨胀性.
2、 表面张力和毛细管现象(自学）
要点：①表面张力是如何产生的，大小与什么有关，如何表示？
②何谓毛细管现象？
思考题：1—1 流体的基本特性
1—2 粘度的表示方法以及粘度与温度和压力的关系；
1—3 动力粘滞系数和运动粘滞系数的区别和联系是什么?
1—4 什么是流体的连续介质模型；为何提出连续介质概念？
1—5 流体的粘性阻力与固体的摩擦力有何本质区别？
1—6 作用于流体上的力；。