流体力学多媒体课件

流体力学多媒体课件安徽建筑工业学院环境工程系王造奇绪论流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象——液体和气体。流体力学发展简史流体力学的研究方法作用在流体上的力流体的主要物理性质流体力学的模型流体力学发展简史第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——欧拉、伯努利第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅导滞（洪水归于河）公元前300多年李冰都江堰——深淘滩，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展系统研究古希腊哲学家阿基米德《论浮体》（公元前250年）奠定了流体静力学的基础第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段1586年斯蒂芬——水静力学原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年伽利略——物体沉浮的基本原理1686年牛顿——牛顿内摩擦定律1738年伯努利——理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——欧拉（理论）、伯努利（实验）工程技术快速发展，提出很多经验公式1769年谢才——谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托——比托管（测流速）1797年文丘里——文丘里管（测流量）理论1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺——雷诺实验（判断流态）1903年普朗特——边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻力系数）……流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科流体力学的研究方法理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论研究方法力学模型→物理基本定律→求解数学方程→分析和揭示本质和规律实验方法相似理论→模型实验装置数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一作用在流体上的力kZjYiXmFlimfm01.质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比重力惯性力单位质量力重力gmmgZAFA0lim2.表面力：外界对所研究流体表面的作用力，作用在外表面，与表面积大小成正比应力切线方向：切向应力——剪切力内法线方向：法向应力——压强AFlimpnA0AFA0limΔFΔAΔFnΔFτ表面力具有传递性流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力流体的主要物理性质惯性、粘性、压缩（膨胀）性VmV0limVm3/1000mkg1.惯性密度常见的密度（在一个标准大气压下）：4℃时的水20℃时的空气容重（重度）比重g1v3/2.1mkg2.粘性：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换牛顿内摩擦定律：切应力：dzdvAFdzdvAFdzdvAFzvv+dvvxzdzya.速度梯度的物理意义——角变形速度（剪切变形速度）dzdvdzdvdttgdddtddzdvvdt(v+dv)dtdvdtdzdθ流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于dv/dz正比于正压力，与速度无关b.动力粘度（系数）μ：与流体性质有关Pa·S运动粘度（系数）：m２/s)T(f)p,T(f微观机制：液体吸引力T↑μ↓气体热运动T↑μ↑τdv/dz牛顿流体o•牛顿流体——服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）c.牛顿流体与非牛顿流体ττ0dv/dzo塑性流体•非牛顿流体塑性流体——克服初始应力τ0后，τ才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）τdv/dzo拟塑性流体拟塑性流体——τ的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）τdv/dzo膨胀型流体膨胀型流体——τ的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）ττ0dv/dzo膨胀型流体牛顿流体拟塑性流体塑性流体例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：dndvAT2053014011960m...dLAdndvNT5.261051.0053.03注意：面积、速度梯度的取法dDL131052/)1196.012.0(012/)(0sdDv例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045N·m。求该实验液体的粘度。解：dydu602nM注意：1.面积A的取法；2.单位统一hnr1r21210rrr1Ar0045.0211rhrsPa952.0得3.压缩（膨胀）性a.压缩系数β在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比dpddpd/1E——体积模量（弹性模量）b.膨胀系数αdTVdV在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比dTVdV/dpVdV/dTd/c.气体•理想气体状态方程RTpR——气体常数空气R=8.31/0.029=287J/kg·K•等温过程：压缩系数•等压过程：膨胀系数•绝热过程：压缩系数•低速（标准状态，v68m/s）气流可按不可压缩流体处理pdppdpdpdT1TdTTdTdTVdVp1pdppdpdpd1表面张力和毛细现象ghr2cos21.表面张力σ：由分子的内聚力引起单位：N/m发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界2.毛细现象：液固接触液固间附着力大于液体的内聚力液固间附着力小于液体的内聚力grhcos2凹上升凸下降σσσσhθhθ流体力学的模型连续介质流体微元——具有流体宏观特性的最小体积的流体团理想流体不考虑粘性的流体不可压缩性ρ=c