1-1 流体力学概述

材料工程基础1材料工程基础材料工程基础2授课内容共分三大部分，内容包括流体力学基础、传热、燃料及燃烧，各部分均附有一定数量的例题、复习思考题和习题．实验部分主要是流体力学及燃料相关实验。内容简介材料工程基础3第一章流体力学基础第三节流体动力学第四节流体流动及流动阻力第五节流体的输送设备第二节流体静力学第一节概述材料工程基础4第一节概述§1–1流体力学的任务及发展状况§1–2流体的特征和连续介质假设§1–4作用在流体上的力§1–3流体主要的物理性质材料工程基础5研究对象：60年代以前，主要围绕航空、航天、大气、海洋、航运、水利和各种管路系统等方面，研究流体运动中的动量传递问题，即局限于研究流体的运动规律，和它与固体、液体或大气界面之间的相互作用力问题。60年代以后，能源、环境保护、化工和石油等领域中的流体力学问题逐渐受到重视，这类问题的特征是：尺寸小、速度低，并在流体运动过程中存在传热、传质现象。这样，流体力学除了研究流体的运动规律以外，还要研究它的传热、传质规律。1.1流体力学的任务及发展状况材料工程基础6材料工程基础7流体力学的研究内容：研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。流体力学的基础理论三大部分组成：–流体静力学(fluidstatics)；–流体运动学(kinematics)；–流体动力学(fluiddynamics)。材料工程基础8流体力学的研究内容：研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。流体力学的基础理论三大部分组成：一是流体处于平衡状态时，各种作用在流体上的力之间关系的理论，称为流体静力学；二是流体处于流动状态时，作用在流体上的力和流动之间关系的理论，称为流体动力学；三是气体处于高速流动状态时，气体的运动规律的理论，称为气体动力学。材料工程基础91.2.1流体的定义和特征流体：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质，称为流体。特征：具有流动性。流体在静止时不能承受切向力，这显然与固体不同。固体在静止时也能承受切向力，发生微微小变形以抗拒外力，一直达到平衡为止。只要作用力保持不变，固体的变形就不再变化。1.2流体的特征和连续介质假设材料工程基础101.2.2流体连续介质假设流体微团为研究流体的基元。它是一块体积为无穷小的微量流体，由于流体微团的尺寸极其微小，故可作为流体质点看待。这样，流体可看成是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质。这种对流体的连续性假设是合理的，因为在流体介质内含有为数众多的分子。例如，在标准状态下，lmm3气体中有2.7×1016个分子；lmm3的液体中有3×1019个分子。可见分子间的间隙是极其微小的。因此在研究流体宏观运动时，可可以忽略分子间的间隙，而认为流体是连续介质。材料工程基础111.3流体的主要物理性质1.3.1流体的密度1、流体的密度式中：—流体的密度，kg/m3；—流体的质量，kg；—流体的体积，m3。VmmV材料工程基础122、流体的相对密度流体的相对密度是指某种流体的密度与4℃时水的密度的比值，用符号d来表示。式中：—流体的密度，kg/m3；—4℃时水的密度，kg/m3。VmVmVddlim0fWfdW材料工程基础13表1-1在标准大气压下常用气体液体的物理性质种类空气纯水海水乙醇(酒精)汞密度，kg/m31.205998102678913555材料工程基础141.2.2比容(m3/kg)1.2.3比重无量纲量。1MVvOHOHS22材料工程基础151.2.4重度某一点的重度：（N/m3）流体的平均重度：γ=G/V（N/m3）在地球质量重力场作用下，流体的密度和重度的关系为γ=ρgdVdGVG△△lim材料工程基础161.4流体的压缩性和膨胀性1.4.1流体的膨胀性在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量，即式中—流体的体积膨胀系数，1/℃，1/K；dtVdVtd1d1材料工程基础17压强温度(℃)(105Pa)1～1010～2040～5060～7090～1000.989819649088214×10-643×10-672×10-6149×10-6229×10-6150×10-6165×10-683×10-6236×10-6289×10-6422×10-6422×10-6426×10-6429×10-6437×10-6556×10-6548×10-6539×10-6523×10-6514×10-6719×10-6704×10-6661×10-6621×10-6表1-3水的体胀系数（1/℃）P一定,温度升高,体积膨胀系数增大。T一定,压强增大,体积膨胀系数亦随之增大。材料工程基础18１.４.2流体的压缩性在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。式中—流体的体积压缩系数，m2/N；—流体压强的增加量，Pa；—原有流体的体积，m3；—流体体积的增加量，m3。VTTTPVVP11TpV材料工程基础19对于完全气体，其密度与温度和压强的关系可用热力学中的状态方程表示，即式中—气体的绝对压强，Pa；—气体的密度，kg/m3；—热力学温度，K；—气体常数，J/(kg·K)。RTppTR材料工程基础20在工程上，不同压强和温度下气体的密度可按下式计算：式中为标准状态(0℃,101325Pa)下某种气体的密度。如空气的＝1.293kg/m3；烟气的＝1.34kg/m3。为在温度t℃、压强N/㎡下，某种气体的密度。1013252732730pt000p材料工程基础211.5可压缩流体和不可压缩流体液体--不可压缩流体气体--可压缩流体不可压缩流体模型材料工程基础221.６流体的黏性和牛顿内摩擦定律1.6.1流体的黏性黏性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不断地变形。但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了抵抗剪切变形能力的差别，这种能力就是流体的黏性。材料工程基础23Velocityprofiles(linear,nobulkflow)StationaryPlateMoveablePlateA=Aream2A=Aream2X=DistanceF=Force(dynes)V=Velocity材料工程基础241.6.2牛顿内摩擦定律写成等式为式中F—流体层接触面上的内摩擦力，N；A—流体层间的接触面积，m2；du/dy—垂直于流动方向上的速度梯度，1/s；μ—动力黏度，Pa·s。yuAFddyuAFdd材料工程基础25流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力，则式中τ—切向应力，Pa。在流体力学中还常引用动力黏度与密度的比值，称为运动黏度用符号ν表示，即式中ν—运动黏度，m2/s。yuAFdd材料工程基础261.6.4理想流体的假设不具有黏性的流体称为理想流体1.6.5黏度的测量–管流法–落球法–旋转法–泄流法等工业黏度计：-恩格勒(Engler)黏度计-Redwood黏度计-美国采用Saybolt黏度计材料工程基础271.6.3影响黏性的因素温度随温度升高而降低材料工程基础28随温度升高而升高材料工程基础29例题【例1-1】一平板距另一固定平板δ=0.5mm，二板水平放置，其间充满流体，上板在单位面积上为τ=2N/m2的力作用下，以μ=0.25m/s的速度移动，求该流体的动力黏度。【解】由牛顿内摩擦定律由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，可用增量来表示微分（Pa·s）yudd004.025.0105.020dudy3u材料工程基础30【例1-2】长度L=1m，直径d=200mm水平放置的圆柱体，置于内径D=206mm的圆管中以u=1m/s的速度移动，已知间隙中油液的相对密度为d=0.92，运动黏度ν=5.6×10-4m2/s，求所需拉力F为多少？92092.01000OH2d5152.0106.59204【解】间隙中油的密度为动力黏度为（kg/m3）（Pa·s）材料工程基础31由牛顿内摩擦定律由于间隙很小，速度可认为是线性分布8.107102200206112.014.35152.0203dDuAFyuAFdd（N）材料工程基础321.7作用在流体上的力作用在流体上的力可以分为两大类，表面力和质量力。1.7.1表面力表面力是指作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，即该部分体积周围流体或固体通过接触面作用在其上的力。材料工程基础331.7.2质量力质量力是指作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比的力，又称体积力。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。重力惯性力静电力质量力电磁力材料工程基础34质量力的大小以作用在单位质量流体上的质量力，即单位质量力来度量。在直角坐标系中，若质量力在各坐标轴上投影分别为Fx，Fy，Fz，则单位质量力在各坐标轴的分量分别等于（1-20）则m/s2（1-21）当质量力仅为重力：X=0，Y=0，Z=-gfmFXxmFYymFZzkZjYiXf材料工程基础35习题１１与牛顿内摩擦定律直接有关的因素是：A切应力和压强；B切应力和剪切变形速度C切应力和剪切变形；D切应力和流速２为了进行绝缘处理,将导线从充满绝缘涂料的摸具中间拉过．已知导线直径为０.８mm,涂料的粘度μ＝０.０２Pa.s,摸具的直径为０.９mm,长度为２０mm,导线的牵拉速度为５０m/s，试求所需的牵拉力。材料工程基础36第二节流体静力学§2–1流体静压强及其特性§2–2流体静力学基本方程§2–3静力学方程的应用材料工程基础37流体静力学着重研究流体在外力作用下处于平衡状态的规律及其在工程实际中的应用。静止：绝对静止和相对静止以地球作为惯性参考坐标系，当流体相对于惯性坐标系静止时，称流体处于绝对静止状态；当流体相对于非惯性参考坐标系静止时，称流体处于相对静止状态。流体处于静止或相对静止状态，两者都表现不出黏性作用，即切向应力都等于零。材料工程基础382.1流体静压强及其特性在流体内部或流体与固体壁面所存在的单位面积上的法向作用力称为流体的压强。当流体处于静止状态时，流体的压强称为流体静压强，用符号p表示，单位为Pa。材料工程基础39流体静压强有两个基本特性：流体静压强的方向与作用面相垂直，并指向作用面的内法线方向。材料工程基础40图2-1静压强方向材料工程基础41静止流体中任意一点流体压强的大小与作用面的方向无关，即任一点上各方向的流体静压强都相同。材料工程基础42图2－2微元四面体受力分析材料工程基础43设作用在ACD、ABD、ABC和BCD四个面上的流体静压强分别为px、py、pz和pn，pn与x、y、z轴的夹角分别为α、β、γ，则作用在各面上流体的总压力分别为：zyxpxPdd21zxypyPdd21yxzpzPdd21nAnpnPd材料工程基础44除压强外，还有作用在微元四面体流体微团上的质量力。设流体微团的平均密度为ρ，微元四面体的体积为dV=dxdydz/6，则微元四面体流体微团的质量为dm=ρdxdydz/6。假定作用在流流体上的单位质量力为，它在各坐标轴上的分量分别为Fx、Fy、Fz，则作用在微元四面体上的总质量力为：ffzyxFddd61材料工程基础45它在三个坐标轴上的分量为：平衡状态:则在轴方向上力的平衡方程为：把px，pn和Wx的各式代入得：zYyxFyddd61zZyxFzddd61zXyxFxddd610xP0yP0zP0cosxnxFPP