工程流体力学-第一章

工程流体力学第一章绪论第一章绪论§1-1概述§1-2流体的连续介质模型§1-3流体的主要物理性质§1-4作用在流体上的力第一章绪论(2学时)一、本章学习要点:•工程流体力学的任务•流体的连续介质模型•流体的主要物理性质:惯性、黏性、压缩性和表面张力特性•作用在流体上的力：表面力和质量力§1-1概述固体（如土建结构——固体力学）具有固定的形状，可承受拉、压、弯、剪、扭自然界的物质流体（如液体、气体——流体力学）易流动，随容器而方圆，主要承受压力一、自然界物质存在的主要形式及区别固体和流体的主要区别在于变形性§1-1概述气体容易压缩不能形成自由表面液体难以压缩可以形成自由表面流体流体二、流体力学的分类•理论流体力学：侧重于理论方面的研究，主要采用数学推理方法，力求严密性和准确性。•工程流体力学：侧重于解决工程实际中出现的问题，不追求数学上的严密性。1.按研究内容的侧重点分§1-1概述•古典流体力学：建立在古典力学的基础上，运用严密的数学分析方法，建立有关流体的基本方程，但理论中有些假设与实际不尽相符。•实验流体力学：依靠实验方法制定一些经验公式，以满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础。•现代流体力学：理论分析与实验方法相结合，理论与实验并重。2.按学科发展分三、工程流体力学的研究任务•学科属性：工程流体力学为工程力学的分支学科。•课程性质：工程流体力学是土建类各专业的一门重要技术基础课。•研究任务：研究流体的平衡和机械运动规律及其实际应用。技术基础课基础课专业课技术基础课课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固和提高，培养分析、解决实际工程问题的能力，为专业课程的学习打下坚实的基础。•研究内容流体平衡的力学规律基本工程应用流体机械运动的力学规律四、工程流体力学的研究方法目前流体力学在以上三个方面相互配合、互为补充、互相促进，并且与其他相关学科结合形成了一些交叉学科。•理论分析：分析问题的主次因素提出适当的假定，抽象出理论模型，通过运用数学方法求解理论模型来揭示流体运动的规律。但许多实际问题尚难以从数学上精确求解。流体力学的研究方法实验研究理论分析数值计算•实验研究：将实际流动问题概括为相似的实验模型，在实验中观察现象、测定数据并进而按照一定的方法推测实际结果。或通过对具体流动的观测来认识流体运动的规律。1、原型观测在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一性资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。2、模型试验当实际流体运动复杂，而理论分析困难，无法解决时采用。指在实验室内，以流体相似理论为指导，把实际工程缩小为模型，在模型上预演相应的流体运动，得出模型流的规律性，再把模型试验成果按照相似关系换算为原型的成果以满足工程设计的需要。3、系统试验在实验室内，小规模的造成某种流体的运动，用以进行系统的实验观测，从中找到规律。•数值模拟（或称数值实验）：通过运用数值方法将理论模型离散成数值模型，用计算机求解数值模型来揭示流体运动的规律。先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。经济性：可给定不同的边界条件，进行大量的模拟，给出足够多的力和运动要素值以进行分析。五、流体力学在土木工程中的应用流体力学在土木工程中有着广泛的应用。•市政工程：城市给排水管网设计；城市防洪工程设计等。•交通土建工程：路基、站场排水设计；桥涵孔径水力设计；隧道及地下工程通风及排水设计；高速铁(公)路隧道洞形设计等。•水利水电工程：•输运工程（输油、输气、真空管道运输）•建筑工程：室内给排水设计；地基降水及抗渗设计等。§1-2流体的连续介质模型微观上流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，导致描述流体运动的物理量在空间和时间上都是不连续的。连续介质模型提出的必要性和可能性必要性——为了简化分析计算；可能性——宏观上，一般工程中所研究流体问题的空间尺度和时间尺度要比分子距离和分子碰撞时间大得多。•连续介质：质点连续地充满所占空间的流体和固体。•流体的连续介质模型把流体视为没有间隙地充满其所占空间的连续介质，且其所有物理量都是空间坐标和时间变量的连续函数的一种假设模型。一般用努生数即分子平均自由程与物体特征尺寸之比来判断流体是否满足连续介质假设：l/L1对于常规尺寸的物体只有到了外层大气中，l/L才可能等于甚至大于11.定义2.适用条件2.适用条件•避免了流体分子运动的复杂性；•物理量作为时空连续函数，则可利用高等数学中连续函数分析方法研究流体流动问题；•定义某点的物理量。例.定义一点的密度。3.意义§1-3流体的主要物理性质•流体与固体一样，也具有惯性。•质量是惯性大小的度量。一、密度和重度密度:单位体积流体所具有的质量。SI单位为kg/m3。)(等流体种类，压强，温度fVm水的密度常用值：ρ=1000kg/m3。水银的密度常用值：ρ=13600kg/m3。重度:单位体积流体所具有的重量。SI单位为kN/m3。)(等流体种类，压强，温度fgVmg•流体与固体一样，也具有万有引力特性。•重量是万有引力特性大小的度量。yhUyhUuddu或1.牛顿平板实验当h或U不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，即二、黏性（黏滞性）黏性：流体在运动状态下抵抗剪切变形速率的性质。或当流体处于运动状态时，若流体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动（剪切变形），这种性质称为流体的黏滞性。yuAhUATdd实验表明，对于大多数流体，存在2.牛顿内摩擦定律引入比例系数μ，则得著名的牛顿内摩擦定律：yuATdd流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关黏性的大小由黏度来度量。流体的黏度是由流体流动的内聚力和分子的随机热运动导致的动量交换引起的。（1）黏度1）黏度系数动力黏度μ：SI单位为N·s/m2或Pa·s运动黏度ν：SI单位为m2/s，其计算式：)(,等流体种类，压强，温度f•流体的种类：主要影响因素，一般在相同条件下，液体的黏度大于气体的黏度。•压强：对常见流体，如水、气体等，影响不大，一般可忽略不计。2）黏度的影响因素•温度：主要影响因素。当温度升高时，液体的黏度减小，气体的黏度增大。液体：内聚力是产生黏度的主要因素.温度分子间距分子引力内聚力黏度气体：分子热运动引起的动量交换是产生黏度的主要因素.温度分子热运动动量交换黏度•数学上：为沿流体运动法线方向的流速梯度。yudd•物理上：为运动流体相邻两流层的剪切变形速率。yuddyudd（2）的含义ytuddddtgd故牛顿内摩擦定律又可以写成：tyudddd证明：如图所示tyudddd3.牛顿流体与非牛顿流体•牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的流体。如水、空气、汽油和水银等。•非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律的流体。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。•实际流体：具有黏性的流体（μ≠0）。黏性是流体的固有属性。•理想流体：忽略黏性的流体（μ=0），为研究方便引入的假想流体。平衡流体（）或理想流体（μ=0）均不产生切应力，即τ=0。0d/dyu4.实际流体与理想流体[例1]一底面积为45×50cm2，高为1cm的木块，质量为5kg，沿涂有润滑油的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s，油层厚1cm，斜坡角22.620（见图示），求油的黏度。uyuATmgddsin001.0145.04.062.22sin8.95sinuAmgsPa1047.0[解]木块重量沿斜坡分力F与切力T平衡时，木块等速下滑则三、压缩性•压缩性：在温度不变的条件下，流体的宏观体积随着作用压强的增大而减小的性质。1.体积压缩系数/N)(md/dd/d2ppVV2.体积弹性模量)(N/m/dd/dd12pVVpK•实际流体都是可压缩的。•液体的压缩性很小，如水的相对压缩值约1/20000。故一般工程设计中，认为水的压缩可以忽略，其密度可视为常数。膨胀性：在压强不变的条件下，流体体积随温度增加而增加的性质。体积膨胀系数d/dVTV四、表面张力特性1.表面张力现象•雨后水滴在枝头悬而不滴落；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•细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；2.表面张力：液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力，由分子的内聚力引起。3.表面张力系数：自由表面内单位长度上所受的表面张力，SI单位为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。§1-4作用在流体上的力在工程流体力学中，一般将作用在流体上的力分为表面力和质量力两类。1.表面力(接触力)：作用在流体隔离体表面上，其大小与作用面积成正比。)()(limlim00切向应力法向应力ATAPpAA2.质量力(体积力)：作用在流体隔离体内每个流体微团上，其大小与流体质量成正比。如重力、惯性力等。kjikjifFfzyxzyxfffmFmFmFm)m/s(2或[例2]如图所示，若作用在流体上的质量力只有重力，试求相应的单位质量力。[解]质量力在各坐标轴上的分量为：mgFFFzyx,0,0单位质量力在各坐标轴上的分量为：gmmgfffzyx,0,0本章重点掌握:•流体的主要物理性质•作用在流体上的力