工程流体力学第一章

流体各层之间都有相对运动而产生切向阻力， 切力和阻力：
大小相等，方向相反，分别作用在两个流体层的接触面
上，这对力是在流体内部产生的，叫内摩擦力。
牛顿实验：
流体相对运动时，层间内摩擦力T的大小与接触面积、 速度梯度成正比，与流体种类及温度有关，即：
du T A dy
动力粘性系数 （与流体性质、 温度有关）
流体微团（流体质点）：研究问题的基本单位 宏观上足够小：以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点。 微观上足够大：包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分 子的统计学性质。
第三节 流体的主要力学性质
一、密度 定义：单位体积流体的质量
均质：
M V
流体质量（kg） 流体体积（m3）
非均质：
dM M lim dV V 0 V
理论流体力学
侧重于用数学分析方法进行理论探讨
工程流体力学
水力学
侧重于用物理分析和实验方法进行 实用计算
·
从实用角度，对工程中涉及的问题
建立相应的理论基础，并进行计算。
·
工程流体力学的研究对象
1、研究内容 流体平衡和运动规律; 流体与固体相互作用的基本理论; 解决工程设计和使用问题，比如管路设计,流体输送 2、基本理论 牛顿内摩擦定律 静力学基本方程 连续性方程——质量守恒 伯努利方程——能量守恒 动量方程——动量守恒
速度梯度
接触面积
粘性切应力（τ）：单位面积上的内摩擦力。

其中：
T du A dy
du —速度梯度，即 dy 流体运动时的剪切变形角速度。
5、粘度
（1）动力粘度μ：速度梯度为1时，单位面积上的摩擦力 的大小。


du dy
国际单位： Pa• S 物理单位： 泊 1泊 = 0.1 pa •s
工程流体力学研究方法
流体力学基本方程
力(能量)
适合流体的 分析方法 描述运动的方法 运动学特性 连 续 性 方 程
微分形式
积分形式
流体力学三要素
运动
流体
流态特性 输运特性
动 量 方 程
动 量 矩 方 程
伯 努 利 方 程
能 量 方 程
热力学特性
二、工程流体力学的发展简史
第一阶段：经验阶段 十七世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。 例如，我国秦代李冰父子设计建造的四川都江堰工程；
法向： p （压力） 切向：τ （剪切力）
例题：轴径d=0.36m，轴承长l=1m，同心缝隙=0.23mm,润 滑油动力粘度=0.072Pa.s 试求水轮机转速 n=200r/min时，消耗于轴承上的摩擦功率。
解：
同心环形缝隙中的回转运动
60 dl d nl 摩擦力 F A 60 d 2 d 3 nl 摩擦力矩 T F 2 120 3d 3 n 2l 克服摩擦所需功率 P Fv 3600 v
单位：千克/米3 （kg/m3）
二、压缩性 定义：温度不变时，压力增加流体体积缩小的性质。 它用压缩性系数 p 来衡量。 p ：温度不变时，压力增加一个单位，体积的相对变化量。
体积改变量
p
负号说明ΔP与ΔV符号相反。 单位：1/Pa
V V0
P
原有体积 压力改变量
工程上， 体积弹性系数
（2）运动粘度 ：

国际单位：米2／秒； 物理单位：厘米2／秒（沱） (3)温度对粘度的影响
6、牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体：作用在流体上的力与它所引起的变形之间满足 牛顿内摩擦定律的流体。 非牛顿流体：反之。 7、理想流体与实际流体
理想流体：μ＝0 ，k=0 实际流体：又称为粘性流体，即真实流体 μ≠0 ，k ≠ 0
工程流体力学
主讲：束忠明 实验16楼104室 64253664
教材：
《工程流体力学》杨树人主编，石油工业出版社，2006.
参考书目： 《工程流体力学》贺礼清编，石油工业出版社，2004 《化工流体力学》戴干策编著，化学工业出版社，2005
课程学习安排



进度安排： 第1－8周，上课 第8周， 复习 第9周， 考试（闭卷） 作业 每周二上课前交 成绩组成： 平时成绩：（考勤+作业）30% 考试成绩： 70%
2. 单位质量力：流体质量为M，总质量力为 F 则
单位质量力 F ，设 f M
则
F Fx i Fy j Fz k f X i Y j Z k
Fx X M
Y
Fy M
Fz Z M
二、表面力 定义：作用于流体表面上，与受作用的流体的表面 积成正比。 是由毗邻流体质点或其他的物体所直 接施加的表面接触力。
E
越不易被压缩。
1

p
对于不同的流体，E的值不同，弹性模量越大，流体
三、膨胀性 定义：压力不变时，温度升高，流体体积增大的性质。 以体积膨胀系数 t来衡量。
t：压力不变时，温度增加一个单位，体积的相对变化量。
体积改变量
t
单位：1/º 或 1/K C
V V0
T
原有体积 温度改变量
第二节 流体的基本概念
一、流体的概念 流体是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质。 它是气体和液体的通称。 二、流体的特点 液体 共同点 不同点 气体
易流动性，只受压力，不受拉力和 切力，没有固定形状 不易压缩，有自由 易压缩，没有 表面，存在表面张力 自有表面
三、连续介质假说 通常把流体看成由无数连续分布的流体微团（或流体质 点）所组成的连续介质，假设流体质点紧密接触，彼此 间无任何间隙。这就是连续介质模型。

80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。

以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。
汽车阻力来自前部还是后部？

90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.系数从0.8降至0.137，阻力减小 为原来的1/5 。 目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的 外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。
六、表面张力
定义：使液体表面处于拉伸状态的力。 产生的原因：内聚力的不同。
表面张力系数σ：单位长度上的表面张力。
第四节 作用在流体上的力
一、质量力 1. 定义：作用于流体的每一个质点上，与流体的质量成正 比。例如重力、惯性力。（非接触力） 重力： 惯性力：
G Mg
R M r

第四节 作用在流体上的力
汽车阻力来自前部还是后部？

实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。
汽车阻力来自前部还是后部？

20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现 甲壳虫型，阻力系数降至0.6。
汽车阻力来自前部还是后部？

20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。
汽车阻力来自前部还是后部？
四、粘性 1、定义：流体抵抗自身变形运动的性质 2、产生粘性的原因：
流体内聚力
动量交换 流体分子和固体壁面之间的附着力 3、温度对粘性的影响 气体：T升高 ，µ变大 → 层间动量交换为主
液体：T升高 ，µ变小
→
内聚力为主
4、粘性力的计算——牛顿内摩擦定律（ 1686 年）
由于粘性流体将粘附于它所接触的表面上，则： u上=u0， u下=0 层流运动时，速度呈线性变化。
第三阶段：紊流理论
20世纪初至中叶，流体力学理论、实验全面展开， 航空航天 迅速发展，紊流，稳定性等。 1904年-1921年，N-S方程的简化，流动摩擦阻力的计算； 1921年，机翼升力的理论，飞机航空动力学的发展；
第四阶段：多学科互相渗透及细分
工业流体力学，实验流体力学，非牛顿流体力学，生物流体 力学，多相流体力学，渗流力学，计算流体力学等。
2 2
dn
3d 3n 2l 0.072 3 0.36 3 200 2 1 P 5.03 3 3600 3600 0.23 10
kW
绪 论
第一节 工程流体力学及其在石油工业中的作用
一、工程流体力学的研究内容和研究方法
二、工程流体力学的发展简况
三、工程流体力学在石油工业中的地位和作用
一、工程流体力学的研究内容和研究方法
流体力学：研究流体的运动和平衡的规律以及
流体和固体之间相互作用的一门科学。
理论流体力学、水力学、 工程流体力学。
隋代大运河、水车；
汉代张衡发明的水力浑天仪； 古代铜壶滴漏计时等。 公元前287年，阿基米德物体浮力理论的创立者。
第二阶段：理论阶段 十七世纪～十九世纪一些水力原理论著出现， 标志着流体力学的发展进入了理论阶段。
1650： 1686： 1700—1783： 1717—1783： 1707—1783： 1785—1863： 1842—1912： 1875—1953： 帕斯卡提出压强传递定律 牛顿提出流体内摩擦定理 D.Bernoulli定理 d’Alembert达朗贝尔—连续性方程 Euler理想流体运动方程 Navier－Stokes粘性流体运动方程 O.Reynolds层流、紊流 Prandtl在1904年提出边界层理论。
机翼升力来至下部还是上部？
机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅 膀，把鸟托在空中。
三、工程流体力学在石油工业中的 地位和作用
钻井工程：洗井液、钻头水力学、泵、射流及喷射钻井、 钻井浮船及平台设计等。 采油工程：油气渗透，抽油机，注水驱油，振荡解堵，原 油集输，油、水、气分离，清洗炮眼等。 储运工程：管道及泵功率的设计、船舶运输等。 炼油工程：设备流程设计，设备清洗。