工程流体力学课件1

本课程使用教材及实验教材第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动力学基础第4章流动阻力和水头损失第5章孔口、管嘴出流及有压管流第6章明渠均匀流第7章明渠水流的两种流态及其转换第一章绪论第一节流体的概述第二节流体力学的发展历史第三节流体的主要物理性质第四节作用在流体的力第五节流体力学的研究方法和使用领域重、难点1.连续介质和理想液体的概念。2.流体的主要物理力学性质，重点是流体的易流动性和粘滞性。牛顿内摩擦定律。3.作用在液体上的力：质量力、表面力。什么是流体？第一节流体的概述流体指具有流动性且自身不能保持一定形状的物体，如气体和液体。一.流体的定义固体：有固定的平衡位置，具有一定的体积，一定的形状。触变质：如胶状物和油漆、沥青等。二.流体的特征（或物理属性）：1.流动性：2.连续性：是流体区别于固体的根本标志。气体的流动性大于液体；静止流体不能承受拉力；流体在平衡状态下不能承受剪切力。没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体完全充满容器。设流体由很多个质点组成，质点之间没有缝隙。即假设流体是各向同性的连续介质(理论模型)。有无固定的体积？能否形成自由表面？是否容易被压缩？流体气体无否易液体有能不易呈现流动性？流体固体•液体、气体与固体的区别二.流体的特征流体质点的理论模型：1）质点的宏观尺寸非常小，即limΔV→0；2）质点的微观尺寸足够大；3）质点是一个物理实体；4）质点的形状可任意划定，以做到质点之间无缝隙。2.连续介质假设个分子16107.21mm3空气(1个大气压，00C)二.流体的特征2）流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成是时间和空间连续分布的函数。1）流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占满空间而没有间隙。2.连续介质假设连续介质的内涵：二.流体的特征连续介质假设的使用条件：只有当考虑的现象具有比流体分子结构尺度大得多的尺度时才成立。例如研究高空稀薄气体中的物体运动时，稀薄气体不能视为连续介质；血液在微血管中运动时，血液不能当作连续介质，而在动脉血管中流动时可视为连续介质。连续函数：在连续介质中，流体质点的一切物理量都是坐标与时间变量的函数，称为连续函数。如p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）2.连续介质假设二.流体的特征三.流体力学的研究内容流体力学分类①理论流体力学（流体力学）②应用流体力学（工程流体力学）工程流体力学研究流体静止和运动的力学规律及其在工程技术上的应用的一门学科。力学•流体力学（水力学）的学科性质研究对象力学问题载体宏观力学分支遵循三大守恒原理流体力学水力学流体水力学强调水是主要研究对象比较偏重于工程应用土建类专业常用•流体力学的主要研究内容固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等运动边界：飞机、船只等研究内容①流体在外力作用下，静止与运动的规律；②流体与边界的相互作用。课程地位数理、力学基础课程流体力学专业基础课程学科有关专业课程流体力学的使用领域空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用。流体力学海洋水利航空航天交通运输环境气象石油化工机械冶金生物•航天航空工业（空气动力学）•造船工业（水动力学）深潜达数百米的核动力潜艇；•石油化工工业单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台；•电力工业水电站、火电站、核电站、地热电站•机械工业中涧滑、冷却、液压传动汽轮机叶片水轮机•水利工程水资源运用、泄洪消能、河道整治•土建工程公路与桥梁工程路基的沉陷、崩竭、滑坡、桥梁、涵洞、倒虹吸管和透水贻堤的修建等杨浦大桥大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。杨浦大桥21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。•全球气象预报；（卫星云图）•环境与生态控制；•灾害预报与控制；•火山与地震预报；发展更快更安全更舒适的交通工具；各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。星云流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。工程学、材料学、气象学排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关大部分竞技体育项目与流体力学有关30一.流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）第二节流体力学的发展历史鲁班葛洪沙漏弓箭船桨水排铜壶滴漏郑国渠是公元前237年，秦王政采纳韩国水利家郑国的建议开凿的。它西引泾水(陕西北面）东注洛水，长达300余里。灌溉面积达280万亩，成为我国古代最大的一条灌溉渠道。陕西泾阳县，此大坝为世界上最早南渠（至漓江）北渠（至湘江）铧嘴海洋河30%70%始建于秦始皇时期（公元前223年～214年）防洪：灵渠从源头始每隔一段距离就有一个泄水涵，当渠中水位高至上限，自动地往北面湘江泄水；灵渠的上游还筑有一道漫水堤，大大提高了渠道的泄水能力。因此每年夏季的雷雨季节，河里经常发洪水，不管北面的湘江有多大的洪水，南面灵渠的水量还是基本保持在原来的水位。灵渠交通运输：连接珠江（岭南）与长江水系（中原）唐后沿途设斗门，相当于现代的闸门，为世界最早。农田灌溉:“七分湘水三分漓”大小天平铧嘴赵州桥（公元591年至599年）南北大运河（隋朝公元587年至610年）——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水阿基米德Archimedes(285-212BC)达芬奇LeonardodaVinci(1452-1519)李冰二.流体力学成为独立学科的基础阶段（16世纪至18世纪中叶）牛顿IsaacNewton(1642-1727)帕斯卡PascalB.(1623-1662)伯努利DanielBernoulli(1700-1782)达朗贝尔J.D’Alembert(1717-1783)托里拆利Torricelli(1608-1647)泊肃叶MariePoiseuille(1799~1869)欧拉L.Euler(1707-1783)——大气压力浮力天平、温度计伽利略(1564-1642)三.流体力学的分支阶段——古典流体力学和水力学（18世纪中叶至19世纪末）纳维尔Navier(1785-1836)斯托克斯Stokes(1819-1905)雷诺Renolds(1842-1912)四.近代流体力学阶段（19世纪末至今）普朗特PrandtlL.(1875-1953)冯﹒卡门Von.Karman(1881-1963)卡门涡街•我国水利学的发展4000多年前“大禹治水”的故事—顺水之性，治水须引导和疏通。秦朝在公元前256—公元前210年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）—明渠水流、堰流。古代的计时工具“铜壶滴漏”——孔口出流。•我国水利学的发展清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。隋朝（公元587—610年）完成的南北大运河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的赵州石拱桥——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。流体具有明显的流动性；气体的流动性大于液体。一.惯性第三节流体的主要物理性质VmV0limγ：重度或容重gVmgV0lim单位：N/m3，或kN/m3单位：kg/m3熟记：3333kN/m3.133,kg/m13600N/m9800,kg/m1000HgHgww以密度ρ来衡量牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出：相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力。•库仑实验(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。二.粘性•粘性定义流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（内力/粘性力）以反抗相对运动的性质•粘性特性•粘性是流体抵抗变形的能力，•是流体的固有属性，•是运动流体产生机械能损失的根源二.粘性拉力T与接触面积A、速度梯度成正比，即dyduyuATdd或yuATdd上两式均称为牛顿内摩擦阻力定律。•牛顿内摩擦定律二.粘性实验测得：牛顿内摩擦阻力定律适用于空气、水、石油等大多数流体。凡符合这一定律的流体称为牛顿流体，不符合的流体为非牛顿流体。流变图（流变曲线）理想流体（无粘性流体）:τ=0实际流体（粘性流体）:τ0牛顿内摩擦阻力定律二.粘性当h很小时，阻力定律可写为，即速度为线性分布。hUyudd速度分布图形不同时，剪应力τ分布也不同。抛物线分布u直线分布u二.粘性μ——动力粘滞系数。N.s/m2；Pa.Sν——运动粘滞系数。m2/S),(PTf、1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m=0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m21m2/s=104cm2/s=104斯T的影响较大，P的影响不大；表征量粘度反应粘性大小的一个物理量，与流体种类有关①单位换算:②粘度的影响因素:二.粘性•容易解释为什么是剪切（角）变形速率，它表示流体直角减小的速度。•满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，•否则称为非牛顿流体。yudd角变形速率yudd二.粘性①分子间的吸引力②分子运动引起流体层间的动量交换液体以此为主气体以此为主•形成牛顿内摩擦力物理机理二.粘性水空气•随着温度升高，液体的粘性系数下降；气体的粘性系数上升。今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。•运动粘性系数具有运动学量纲。注意二.粘性【例】一底面积为45×50cm2，高1cm的木块，质量为5kg，沿涂有润滑油的斜角为30º的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s，油层厚度1cm，求油的粘度。udsinduumgTAAy001.0145.04.030sin8.95sinuAmgsPa136.0【解】木块重量沿斜坡分力F与切力T平衡时，等速下滑。由于油层厚度很小，速度分布可看成线性分布。三.压缩性压强增大使体积减小的性质pVVdd单位：m2/N，Pa-1可压缩流体不可压缩流体：密度ρ为变量，即ρ=ρ(x,y,z,t)：密度ρ为常数，即ρ=C注：通常情况下，液体为不可压缩流体，气体为可压缩流体。压缩系数：特例水击现象,液压冲击,水中爆炸波的传播等问题。在低温,低压,低速条件下,隧道施工,运营通风,气体输送,烟道流动等问题。------液体为可压缩流体------气体为不可压缩流体21四.膨胀性温度升高使体积增大的性质膨胀系数：tVVVdd单位：/℃，/K气体状态方程：nRTpVVV-ΔVpp+Δp五.表面张力与毛细现象表面张力在流体力学中一般不予考虑，但对于测压管会出现毛细管现象，对水深很浅的明渠水流和堰流会有影响。沿液体表面作用着的使自由表面张紧的力称为表面张力。液体表面张力的大小可以用液体表面单位长度所受的拉力即表面张力系数σ来度量，单位是N/m。两端开口的玻璃细管竖立在液体中，液体会在细管中上升或下降h高度，此现象为毛细现象。毛细管高度h与管径d成反比，即玻璃管内径越小，毛细管上升高度就越大。水hθ水银θh(a)(b)当液固接触时，液体表面的切面与固体壁在液体内部所夹的角为接触角。六.汽化压强物质从液态变为气态的现象称为汽化。汽化有两种方式：只在液体表面进行的称为蒸发，液体表面和内部同时进行的称为沸腾。液体总是在一定温度和一定压强下才能沸腾，这个温度就是沸点，这个压强（一般以绝对压强计）称为汽化压强（或蒸汽压强、饱和蒸气压强），以pv表示。当液体中某处压强达到或小于汽化压强时，该处液体便沸腾，液体内部形成许多气泡，这种现象称为空化。空化现象易对