流體力學(xué) 課件 第一章 流體的基本物理性質(zhì)

課程概況一、學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)：72，講課：66，實(shí)驗(yàn)：6二、教材《流體力學(xué)》，王松嶺主編，中國(guó)電力出版社《流體力學(xué)》緒

論航空與航海，飛機(jī)與輪船的外形、操縱性、穩(wěn)定性；近代發(fā)展的宇宙飛行器脫離和重返大氣層等，都離不開(kāi)流體動(dòng)力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)的基本原理。水利工程的建設(shè)，河流的治理及利用，水庫(kù)、大型水利樞紐的設(shè)計(jì)與建造，洪峰預(yù)報(bào)，環(huán)境污染預(yù)報(bào)，河流泥沙的預(yù)測(cè)都與流體力學(xué)緊密相聯(lián)。氣象科學(xué)中的天氣預(yù)報(bào)也絕對(duì)離不開(kāi)流體力學(xué)，天文學(xué)中，有研究組成星云的氣狀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的宇宙流體力學(xué)。工業(yè)部門(mén)：石油化工、冶金、土建、糧食加工、面粉輸運(yùn)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：生物流體力學(xué)，血液的流動(dòng)，人工心臟的研制。磁流體力學(xué)。流體力學(xué)發(fā)展史上的重要學(xué)者流體力學(xué)作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，開(kāi)始于伯努利（1700－1783）和歐拉（1707－1783）所處的18世紀(jì)。伯努利首先采用了流體動(dòng)力學(xué)這個(gè)術(shù)語(yǔ)（并將流體靜力學(xué)和水力學(xué)包括在這門(mén)科學(xué)之內(nèi)），并且他還發(fā)現(xiàn)了伯努利方程。歐拉則創(chuàng)立了理想流體的運(yùn)動(dòng)方程，并且發(fā)展了有關(guān)教學(xué)理論。19世紀(jì)初期和中期，納維爾（1785－1836）和斯托克斯（1819－1903）分別導(dǎo)出了粘性流體的運(yùn)動(dòng)方程式即N－S方程，斯托克斯被看作是近代流體力學(xué)理論的奠基人。20世紀(jì)以后，儒可夫斯基（1847－1921）發(fā)展了機(jī)翼外力理論，對(duì)機(jī)翼設(shè)計(jì)作出了杰出的貢獻(xiàn)。普朗特（1875－1953）在1904年提出了劃時(shí)代的邊界層理論，從而使粘性流體和無(wú)粘性流體的概念協(xié)調(diào)起來(lái)。并

且，由于升力理論和邊界層理論的建立，使流體力學(xué)脫離了純理論的研究而開(kāi)始了與工程實(shí)際相結(jié)合。流體力學(xué)與本專業(yè)的聯(lián)系在電力工業(yè)中無(wú)論是水電站，還是火力發(fā)電廠，以及原子能電站，地?zé)犭娬?，工作介質(zhì)均是流體。所以，動(dòng)力設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都必須服從流體力學(xué)的規(guī)律。此外，汽輪機(jī)葉片最優(yōu)形式的設(shè)計(jì)，泵與風(fēng)機(jī)葉片的最優(yōu)形式的設(shè)計(jì)，都必須掌握流體力學(xué)的基本理論。流體力學(xué)作為一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，與工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)三門(mén)課，統(tǒng)稱為熱工基礎(chǔ)。學(xué)好流體力學(xué)，也為后續(xù)課程如傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)、鍋爐原理、汽輪機(jī)原理等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章流體的基本物理性質(zhì)主要內(nèi)容流體的概念流體的密度流體的壓縮性和膨脹性流體的粘性液體的表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象一、流體的定義和特征流體:在任何微小剪切力作用下都會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變形的物質(zhì)。通俗地說(shuō)，流體即流動(dòng)的物質(zhì)。氣體：分子間距離大，分子間作用力小，分子可自由運(yùn)動(dòng)，因而不能保持一定的形狀和體積，充滿整個(gè)空間。液體：分子間距離小，分子間作用力大，不能保持一定的形狀，能保持一定的體積。流體的基本特征：流動(dòng)性流體力學(xué)：研究流體的運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律以及流體與固體之間相互作用的一門(mén)科學(xué)?！?-1流體的概念流體力學(xué)研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)1、流體質(zhì)點(diǎn)（流體微團(tuán)）：指微觀充分大（其中包含大量分子），宏觀充分小的分子團(tuán)。并且分子團(tuán)的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被研究流體所占據(jù)的空間，即認(rèn)為此分子團(tuán)內(nèi)的物理量是均勻不變的，因而可近似地把這個(gè)分子團(tuán)看作是幾何上的一個(gè)點(diǎn)，即流體質(zhì)點(diǎn)。2、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：將流體看作是由無(wú)數(shù)體積無(wú)窮小、連續(xù)分布的流體微團(tuán)或流體質(zhì)點(diǎn)所組成。這些微團(tuán)的體積和宏觀特征尺寸比起來(lái)，小到趨于零；但遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動(dòng)平均自由程。流體微團(tuán)的統(tǒng)計(jì)平均特性能夠反映流體的宏觀特性。二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義：將微觀問(wèn)題化為宏觀問(wèn)題，描述流體的物理量可看作是空間與時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，利用數(shù)學(xué)分析中連續(xù)函數(shù)等工具來(lái)研究流體的運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律。流體力學(xué)中第一個(gè)帶有根本性的假定。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)適用條件： 研究問(wèn)題中的特征尺寸遠(yuǎn)大于流體微團(tuán)尺寸。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)1mm3空氣就含2.7×1016個(gè)分子1mm3空氣水含3.4×1019個(gè)分子流體微團(tuán)的統(tǒng)計(jì)平均特性滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的要求

對(duì)于稀薄氣體中飛行的火箭、高真空技術(shù)等，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不再適用。分子平均自由程可能與火箭的尺寸具有相同的數(shù)量級(jí)?！?-2流體的密度一、流體的密度定義：?jiǎn)挝惑w積的流體所具有的質(zhì)量。表達(dá)式V均質(zhì)流體

m

(kg/m3

)非均質(zhì)流體(kg/m3

)dV

m

dm

lim

V

0

Vm,

V

m

V密度與溫度和壓強(qiáng)有關(guān)100t

oC9400

20

40

60

801000液體密度隨溫度略有變化，受壓強(qiáng)影響不大。水的密度隨溫度的變化980960

完全氣體狀態(tài)方程p

RTp絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa(N/m2);ρ密度, kg

/

m3;

T絕對(duì)溫度,KR氣體常數(shù),

J/(kg

K)氣體密度受壓強(qiáng)和溫度影響的變化較大。二、流體的比容和相對(duì)密度比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體的體積，即流體密度的倒數(shù)

=

1

(m3

/kg)

相對(duì)密度：流體密度與4℃水的密度的比值，為無(wú)量綱量

wd

w為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4℃水的密度三、混合氣體的密度n

1

1

2

2

n

n

i

ii

1

i，

i為混合氣體中各種氣體的密度和體積百分?jǐn)?shù)。§1-3

流體的壓縮性與膨脹性一、流體的壓縮性壓縮性：流體的體積隨壓強(qiáng)的增大而縮小的特性。在溫度不變的條件下，單位壓強(qiáng)的升高所引起的流體體積的相對(duì)變化量。體積彈性模量E：流體的體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)(m2

/N，1/Pa)p

dV

/VdpE

1

Vdp

p

dVPaE

大

難壓縮；E小

易壓縮；體積壓縮系數(shù)流體被壓縮時(shí)，其質(zhì)量不變，即m=ρV=常數(shù)，微分可得

dV

Vd

0p

1

d

dpd

E

dp

d

p

cln

p

ln

ln

cdp

d

0p

dp

pd

E

dp

p等溫過(guò)程p

d

cln

p

ln

ln

cdp

d

0p

dp

k

pd

E

dp

p等熵過(guò)程(課后思考)二、流體的膨脹性dTt

dV

/V膨脹性：流體的體積隨溫度的升高而增大的特性。在壓強(qiáng)不變的條件下，單位溫度的升高所引起的流體體積的相對(duì)變化量。家用電熱水器上的安全閥(1/K)或(1/℃)三、不可壓縮流體流體都是可壓縮的，但對(duì)液體或低速運(yùn)動(dòng)而溫度差又不大的氣體而言，可近似視為不可壓縮流體。不可壓縮流體：密度為常數(shù)。液體：要使水的體積改變1%，需要在原有壓力的基礎(chǔ)上再加上

204個(gè)大氣壓。而在一般工程中，壓力不可能達(dá)到這么高，所以，可以將水近似的作為不可壓流體來(lái)對(duì)待。但在高壓鍋爐以及水擊現(xiàn)象中，必須要考慮水的壓縮性。氣體：通常把氣體作為可壓縮流體來(lái)處理，但在流速不高的情況下，也可作為不可壓流體來(lái)處理。例如，空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，

u=68m/s時(shí)，不考慮壓縮性帶來(lái)的相對(duì)誤差為1%，一般情況下，這樣的近似誤差在工程上是允許的?！?-4

流體的粘性yFh勻速運(yùn)動(dòng)uF’固定不動(dòng)一、牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，在1686年提出了確定流體內(nèi)摩擦力的公式即牛頓內(nèi)摩擦定律。流動(dòng)具有下列特點(diǎn)(1)與上板接觸的流體粘附在上板上，并以速度u隨上板運(yùn)動(dòng)；與下板接觸的流體粘附在下板上，速度為零，兩板間的流體速度呈線性分布，即u是y的一次函數(shù)：成正比，即(2)

F

與Auhxhu

u

yhF

A

u其中，μ為比例系數(shù)，通常稱作動(dòng)力粘度，是個(gè)物性參數(shù)(抵抗剪切變形的屬性)，與流體的種類、溫度有關(guān)。Au

m2

m/sm2N

m

N

s

Pa

sμ的單位

Fh

單位面積上的摩擦阻力成為摩擦應(yīng)力或切應(yīng)力uh

一般情況下，某一截面（例如：管內(nèi)流動(dòng)的某一截面）的流體速度分布并非線性函數(shù)，而是曲線分布，則Yux

u(y)uydyduxuxdy

dux

)

uxF

A

(uxdy

A

dux

F

duxA

dy(N/m2)牛頓內(nèi)摩擦定律：即單位面積的摩擦力與垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的速度梯度成正比。討

論dy

dux1、理想流體：粘性系數(shù)很小(

=0)，

=02、流體處于絕對(duì)靜止或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，

0

，

=0或者流體的粘性作用沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)牛頓內(nèi)摩擦定律duxdy速度梯度du

可用角變形速度來(lái)表示dyd

duxdtdyxyd

duxdtdt

dt

dyd

dy

dux粘度與流體的種類及溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。壓強(qiáng)的影響：普通的壓強(qiáng)對(duì)流體的粘度影響很小，可忽略不計(jì)；

在高壓下，氣體和液體的粘度均隨壓強(qiáng)升高而增大。溫度的影響：氣體粘性：(分子熱運(yùn)動(dòng))。 溫度升高，粘性增加；液體粘性：(分子間吸引力)。溫度升高，粘性下降。流體力學(xué)中還經(jīng)常應(yīng)用運(yùn)動(dòng)粘度，其定義為

二、動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)三、牛頓流體和非牛頓流體凡作用在流體上的切應(yīng)力和與它所引起的速度梯度之間存在線性正比關(guān)系的流體，稱為牛頓流體。否則，稱為非牛頓流體。理想流體脹型流體（油漆）牛頓流體擬塑性流體（粘土漿）理想塑性流體（牙膏）

0

屈服應(yīng)力脹型流體：粘度隨速度梯度的增加而變大；

擬塑性流體：粘度隨速度梯度的增加而減小。duxdy在許多場(chǎng)合粘性和其他影響（重力，壓力等）相比相對(duì)較小，粘性影響可以忽略。粘性流體：一切流體都是粘性流體（實(shí)際流體）。理想流體：假想的完全沒(méi)有粘性的流體（

=

0）。引入理想流體概念可以大大簡(jiǎn)化問(wèn)題。四、粘性流體和理想流體1

）靜止流體，粘性表現(xiàn)不出來(lái)，所以對(duì)流體力學(xué)而言，靜止流體既可作為理想流體，也可作為粘性流體。來(lái)處理，問(wèn)題分析大為簡(jiǎn)化。3）粘性不起主要作用的場(chǎng)合，即粘性力遠(yuǎn)小于其它力時(shí)，先不計(jì)粘性的影響，進(jìn)行分析計(jì)算，然后，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)，引進(jìn)粘性修正系數(shù)進(jìn)行修正。dux2）均速運(yùn)動(dòng)由于

=0，則τ＝0，這時(shí)可把實(shí)際流體作為理想流體dy液體粘度實(shí)驗(yàn)（圓柱間隙粘性流體）已知：r1=1.93cm，

=0.07cm，h=7cmn=10r/min，M＝0.0045N

m求：粘性系數(shù)

解：圓柱表面切應(yīng)力，底部切應(yīng)力不計(jì)

du

r1dy

60

2

n圓柱扭矩M

r1

2

r1

h1

2

r3h

/

0.952

10

2

Pa

s12

r3hM

r1h

M例1已知：y1

=0.06

m,U

=1.08

m/s,

=0.05

Pa

s求：

=?解：先求速度分布u

=u(y)設(shè)u

ay2

by

c由

uy

0

0,

uy

0.06

1.08,y

0.06u

300

(

y

0.06)2

1.08

0

dudydydu

600

(0.06

y)dy

=

du

=

0.05

600

(0.06

y)Uy1Y拋物線分布yu例2§1-5

液體的表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象一、表面張力表面張力：液體表面相鄰兩部分之間的相互吸引力。現(xiàn)設(shè)想，液面上有一長(zhǎng)為l的直線。右側(cè)液面對(duì)左側(cè)液面的作用力為Ｔ，左側(cè)液面對(duì)左