流体力学基础培训

流体力学基础

一、流体的特征

物质在自然界中有三种存在状态：固体，液体和气体。其中液体和气体因为有较大的流动性而统称流体。研究流体平衡和运动规律及其在工程技术中的应用的学科称为流体力学。

物质的三态：地球上物质存在的主要形式——固体、液体和气体。

流体和固体的区别:从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。

固体流体

固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。

流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。

——流体易变形，没有固定形状。

液体和气体的区别：

(1)气体易于压缩；而液体难于压缩；

(2)液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。

液体和气体的共同点：

两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。

气体与蒸汽的区别：蒸汽易凝结成液体，气体较难。

二、流体的力学性质

2.1流体的密度和重度

流体和其它固体一样，都具有惯性，即物体维持其原有运动状态的特性。

物体反抗外力作用而维持其固有的运动状态的性质即惯性——以质量来量度。

质量： m —千克，kg 重量： W ＝mg 牛，N 体积： V －m 3

任意点上密度相同的流体，称为均质流体，单位体积的质量称为流体的密度。

密度（density ）：单位体积流体的质量。以 ρ 表示，单位：kg/m 3。 V

m

=

ρ （均质流体） 对于气体，在一定压力，温度的条件下，可按理想气体状态方程计算：

RT

pM

=

ρ 式中 绝对压力： P- 帕，Pa 摩尔质量：M - kg/mol

温度：T-K

摩尔气体常数：值为8.314J/(mol.K)

对于均质流体，单位体积流体所受的重力称为流体的重力密度，简称重度。 重度：单位体积流体的重量。以 γ 表示，单位：N/m 3。

V

mg

==

V w γ γ＝ρg 重力加速度：g －9.807m/s 2

比重也称相对密度，固体和液体的比重是该物质（完全密实状态）的密度与在标准大气压4℃时蒸馏水的密度（999.972kg/ m 3）的比值。气体的比重是该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一种气体中是下沉还是漂浮。比重是无量纲，即比重是无单位的值，一般情形下随温度、压力而变。

水在标准大气压和4℃时的密度和重度分别为 ρ=1000kg/m 3 γ＝9.81kN/m 3

干空气在标准大气压和20℃时的密度和重度分别为： ρ=1.2kg/m 3 γ＝11.82kN/m 3 2.2流体的粘滞性

2.2.1流体的粘滞性

当我们把油和水倒在同一斜度的平面上，发现水的流动速度比油要快的多，这是因为油的粘滞性大于水的粘滞性。又如我们观察河流，可以明显地看到，越靠近河岸流速越小，越接近河心流速越高。这表明河岸对流体有约束作用，流体内部也有相互约束的作用力。这种性质就是流体的粘滞性。

2.2.2牛顿内摩擦定律

假设有两块平行的木板，其间充满流体，如图，让下面一块平板固定而上面一块平板以等速V运动，我们将会看到板间流体很快就处于流动状态，且靠近上面平板的流体流速较大，而靠下面平板的流速则较减小，其流速由上至下速度变化为从V到零。当中任一层流体的速度随法线方向呈线性改变。

要使上面平板以等速运动，需在其上加一个力，使它大小恰好克服流体由于粘滞性而产生的内摩擦力F，流体层间内摩擦力是成对出现的，其方向据实际分析而定。实验证明，内摩擦力F的大小与流体种类有关；与流体的接触面积有关；与垂直于板的速度梯度成正比。

式中：μ（mu）—流体动力粘性系数（

s Pa⋅)；

A——流层的接触面积；

流体中符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿型流体，如空气、各种气体、水及各种低粘度液体等。

不符合牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿型流体，如泥浆、高粘度油类、粘土和水的混合溶液等。

2.2.3流体的粘滞性系数

流体粘滞性的大小，通常用动力粘滞性系数μ和运动粘滞性系数ν来表示，通常简称为粘度。

粘度的计量单位为N.s/m2或Pa.S。

流体的粘滞性还与流体的温度和所受的压力有关。

2.3流体的压缩性和膨胀性

在温度不变的条件下，流体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质称为流体的压缩性。

在一定压力下，流体的温度升高，体积增大，密度减小的性质，称为流体的膨胀性。

三流体静力学基础

3.1流体的静压强及其特性

3.1.1流体的静压强

处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其他外力的作用，在流体内部及流体与容器壁之间，存在着垂直于接触面的作用力，这种作用力称为流体的静压力。

单位面积上流体的静压力称为流体的静压强，常用P表示，单位为N/m2即为Pa 3.1.2流体静压强的特性

1、流体静压强的方向指向受压面，并与受压面垂直。

流体具有易流动性，不能承受拉应力、切应力。

2、平衡流体中，沿各个方向作用于同一点的静压强的大小相等，与作用方向无关。

3.2流体静压强的分布规律

3.2.1流体静力学基本方程式

流体静力学基本方程一种形式：均质静止液体中任意两点的压强等于两点间的深度差乘以密度和重力加速度，即：

⋅

=ρ

+

p

h

g

p∆⋅

2

1

式中： p--液体某点的压强（Pa）

ρ--液体密度（Kg/m3）

g--液体的重力加速度，【液体水通常取9.81m/s2(米/秒2）】

h--某点在液面下的深度（m）

静止液体中压强随深度按直线变化的规律的三个重要结论：