流体力学教案

流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院1流体力学（FluidMechanics）第1章绪论(Introduction)Ⅰ本章教学目标了解流体力学基本概念和基本知识Ⅱ本章教学内容1.流体力学的研究对象与任务2.流体的连续介质模型3.作用在流体上的力：表面力和质量力4.流体的主要物理性质：密度、重度、粘滞性、压缩性和膨胀性、毛细现象5.牛顿流体和非牛顿流体Ⅲ本章重点与难点流体的粘滞性作用在流体上的力一.流体力学研究对象及方法[了解]1、研究对象：流体力学（hydromechanics）是力学得一个分支。它是研究流体处于平衡状态和运动状态下的力学规律及其与固体相互作用的一门科学。（1）流体力学的基本任务在于建立描述流体运动的基本方程．该课程主要采用理论分析与实验分析相结合的方法研究流体平衡和运动的规律，建立起流体中的作用力、运动速度和压力之间的关系，确定流体经各种通道及绕流不同物体时速度、压强的分布规律，探求能量转换和各种损失计算方法，并解决工程实践中流体与固体之间的相互作用的问题。因此，流体力学的中心问题有两个：(1)研究流体中速度和压力的分布以及变化的规律；(2)研究流体对物体的作用力和力矩。（2）流体力学的发展历史流体力学的发展在时间上可以追溯到很久以前，尤其是我国的水利事业的历史十分悠久。四千年前的“大禹治水”，就已认识到治水必须顺水之性，应引导疏通；我国历史上的三大水利工程都江堰、郑国渠、灵渠，距今2210-2250多年，当时对明渠水流和堰流的认识都已经达到了相当高的水平，尤其是都江堰，为世界著名治水工程的历史典范，颂扬至今。流体力学的理论发展主要是从牛顿时代开始的，1687年牛顿流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院2的名著《原理》讨论流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始变为力学中的一个独立分支。接着1783年瑞士数学家伯诺里在名著《流体动力学》中提出了伯诺里方程；1755年欧拉在名著《流体运动的一般原理》中提出理想流体概念，并建立了理想流体基本方程和连续方程，同时提出了速度势的概念；1781年拉格朗日首先引进了流函数的概念；1826年法国工程师Navier，1845年英国数学家、物理学家Stokes提出了著名的N-S方程；1876年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流；1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于1887年提出了流体绕流理论；十九世纪末，相似理论提出，使实验和理论分析紧密结合；1904年普朗特提出了边界层理论；二十世纪六十年代以后，计算问题得到了很大的发展，流体力学不断地得到了完善与提高。（3）流体力学按其研究内容侧重方面的不同，分为理论流体力学(通称流体力学)和应用流体力学(通称工程流体力学)。前者主要采用严密的数学推理方法，力求准确性和严密性；后者则仍重于解决工程实际中出现的问题，而不去追求数学上的严密性。在理论研究方面，流体力学广泛采用物理学和理论力学的基本定律，以连续函数这一数学工具探讨流体的各种规律。由于流体在平衡和运动状态的许多现象相当复杂，难以得到精确解答。为使研究工作简化，还能得到较为可靠的近似解，所以通常情况下采用理想化的条件下进行研究，这也为应用数学分析方法提供了方便。同时，为弥补理论分析的不足，广泛使用各种实验方法取得测量结果，进行归纳找出经验或半经验性规律，以便在工程实践中加以利用。（4）流体力学研究对象：流体（包括液体和气体LiquidsandGas）流体的显著特征：易流动性.(板书)[解释原因：流体内分子间的内聚力比较微弱，所以不能抵抗拉伸力和剪切力的作用，只能抵抗对它的压缩力作用。因而，只要流体有运动和变形的可能性，甚至在自身重量的作用下流体都会发生变形或流动。但是，自然界中存在的流体都具有一定的粘性，因而其流动性也要受到自身具有的粘性约束，不会是无限制的流动。]流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院3液体与气体的不同点和相同点：⑴液体有一定的体积而无一定的形状，流体不易被压缩，在容器能够形成的自由表面，具有界面现象--------表面张力特性。⑵气体既无一定的体积又无一定的形状，能够充满任意给定的空间。易于被压缩，没有自由表面，无界面现象-------无表面张力特性。⑶二者相同点是：无一定的形状，均具有易流动性（流体的基本特性）除有固体的平动和转动外，更重要的是具有变形运动（包括线变形和剪切角变形运动）。流体力学可分为：流体力学和气体力学，液体力学通常以水作为代表，故通称为：水力学(hydraulics)。流体力学内容主要是论述液体，而不研究气体。但是，当气体的流速、压力不大，比容变化不多，压缩性的影响不计时（如：通风机中的气体流动），液体的各种规律对气体也是适用的。2、流体力学在工程技术上的地位与应用：流体力学是许多工程技术领域的理论基础（板书）空气、水、油等都属于流体。因此，流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式，许多科学技术部门都和流体力学有关。流体力学在许多工业部门中都有着广泛的应用。例如：航空工业中飞机的制造离不开空气动力学；造船工业部门要用到水动力学。空气动力学、水动力学部是流体力学的—个分支。电力工业中，无论是水电站、火电站，还是核电站、地热电站，工作介质都是流体。机械工业中的润滑、冷却、液压传动都要用到流体力学基本原理。冶金工业中，炉内气体的流动、冷却、通风等有着许多流体力学问题。水利工程中的水资源运用、泄洪消能、河道整治、灌溉排水等有着大量水力学问题。此外，化工流程、石油输送、环境保护、交通运输等等也都遇到不少流体力学问题。所以，可以说流体力学在几乎所有的工业部门中部有着广泛的应用，目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。因此，要求与流体相关的各部门中从事设计、制造及技术管理的工程技术人员都需要掌握流体力学的理论知识。流体力学的发展总是和简短科学技术的发展而联系在一起的，它时涉及各个领域，应用极其广泛的技术基础科学。3、研究方法和模型：流体力学的研究方法有：实验方法和分析方法（板书）流体力学有它本身一些特殊的分析方法，例如微分体积法、流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院4速度势法、保角变换法…。根据这些方法，运用数学工具可以获得—些重要的结论。另外，可以采用实验方法来研究流体力学的问题，可以通过具体流动情况下的观察和计算，或根据速度场和压力场的实际测量来归纳和掌握流体的运动规律，从而发现新的理论。这两种方法是相辅相成、不可偏废的；实践是检验真理的唯一标准，分析的结果需要经过实验来验证，而实验的进行又需要用分析所得到到的理论来指导。所以这两种方法必须很好结合，才便于解决工程流体力学的问题二、流体的主要物理性质(thebasicprinciplesoffluidproperties)[掌握]（一）惯性（Inertia）惯性是一切物体维持原有运动状态能力的性质，流体也不例外。表征惯性的物理量是质量（mass），用m表示。质量越大，惯性越大，运动状态愈难改变。对于各种不同流体，相同体积内的质量是不同的。为了表明某种流体的惯性，一般采用：单位体积的质量来表示，称为：密度（density）,以ρ表示。对于均质流体：ρ=m/v(kg/m3)——SI制（国际单位制）流体力学中，由于研究对象的不同，对于液体，常采用“密度ρ”；对于气体，常采用“比容”。比容概念：指单位质量流体所占有的容积，以“”表示即：=V/m(m3/kg)密度、比容二者关系：1[注意]流体的密度随着压力和温度的变化很小，一般情况下可以忽略不计，因此，可将水或油等液体的密度视为常数。但当压力和温度变化很大或者在进行精密测量时，就不能不考虑压力、温度的变化对流体密度的影响。（二）重力特性（Gravity）重力特性是一切物体（包括流体）受地球地心引力作用的性质，表征重力特性的物理量是：重量（Weight），用G表示。1、容重（重度）：概念：指单位体积流体的重量。它是描述流体重量在空间分布程度的物理量，用γ表示。流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院5对于均质流体：γ=G/V，N/m32、密度和重度的关系：G=gm=ρgV,γ=G/V,则：γ=ρg（或：ρ=γ/g）,g——重力加速度，一般取：9.8m/s2。3、比重（specificvolume）物理学中，将流体的重量与温度为4℃时同体积蒸馏水的重量之比，叫作比重，用S表示：S=ρ/ρH2O=γ/γH2O。在4℃时，水的比重为1，水银的比重一般采用：S汞=13.6。注意：比重是无量纲量，是没有单位的，不能与容量相混淆。（三）流体的压缩性和膨胀性1、压缩性（compressibility）流体在压力作用下，体积减小，密度增大的性质，称为∽；这种流体称为：压缩性流体（CompressibleFluid）；否则称为：非压缩性流体(ImpressibleFluid)。⑴压缩性的大小可用：压缩性系数（CoefficientofVolumeCompressibility）βp表示。01pdVVdp(m2/N)式中：V0——流体受压缩前原有体积,m3.dp——压强的增加值；dV——压强增大dp时，流体体积的变化值（减小值）；由于压强增加时（dp0）,体积必然减小(dv0),dVdp永远为负值，所以在公式右边加上负号，使βp永远为正值。注：压缩性系数亦可用：比容或密度来表示：即：11pdVddVdpdp流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院6（系统质量守恒，压缩前后其质量m=ρv不变，则：d(ρv)=ρdv+vdρ=0,即：dv/v=-dρ/ρ)βp值越大，说明流体的压缩性愈大。⑵流体压缩性系数的倒数1/βp，称为：流体的弹性模量，体积弹性模量(Bulkmodulusofelasticity)用“E”表示：Ev=1/βp=-Vdp/dv=ρdp/dρ，N/m2βp越小，则Ev越大。（流体的压缩系数很小时，即体积弹性系数很大。）与Ev随温度和压强而变化，但变化甚微。说明：a.Ev越大，越不易被压缩，当Ev0时，表示该流体绝对不可压缩。b.流体的种类不同，其和Ev值不同。c.同一种流体的和Ev值随温度、压强的变化而变化。d.在一定温度和中等压强下，水的体积弹性模量变化不大可近似用下式表示：一般工程设计中，水的Ev=2×109Pa，p=1个大气压时(即p不大的条件下)，水的压缩性可忽略，相应的水的密度可视为常数。2、膨胀性（Expansibility）——流体的热膨胀性指流体体积随着温度的升高而增大的性质，称为∽。一般用：膨胀系数（Thecoefficientofexpansion）表示01tdVVdp，K-1(p=const)dT-------指流体温度增量，K（其它符号意义同前）说明：液体的压缩性系数和膨胀系数在热水供暖系统和热电站、水电站系统及一切水工系统中，对于防止水击现象的发生有着广泛地应用。[注意]①无论是压缩性还是膨胀性，都表象为：流体ρ或V的变化情况，流体力学（FluidMechanics）教案辽宁工程技术大学机械学院7通常根据ρ有无变化，将流体分为：不可压缩流体和可压缩流体。②对于液体，由于其密度ρ随温度和压力的变化量很小，所以在实际情况下，当温度和压力的变化不大时，可以认为其体积不发生变化，密度ρ为常量，即：将液体看作时不可压缩流体。（如：水）③气体的压缩性和膨胀性要比液体大的多。不管是压强还是温度，对气体的密度ρ影响都必须考虑，同时要比液体复杂的多。（这属于热力学问题。一般通过普通的平衡热力学联系起来。）在温度不太低、压力不太高时，气体的P、T、ρ服从理想气体状态方程式（Equationofstateofaperfectgas），通常把气体视为：可压缩流体。思考题：1、为什么水通常被视为不可压缩流体？参考答案（因为水的Ev=2×109Pa，水的体积变化很小，可忽略不计，所以通