《流体力学第二版(刘鹤年主编)第一章 绪论-》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学第二版(刘鹤年主编)第一章 绪论-（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、重庆三峡学院土木工程学院 制作人 流体力学多媒体课件 第一章 绪论内容 n流体力学的范畴 n流体力学的发展 n流体的主要物理性质 n流体力学的范畴 流体力学的定义：是关于液体和气体的一门力 学学科，其基本原理与固体力学相同。 生活中的各个方面都涉及流体力学问题：水在 河里流动、建筑物的风压、水在地基中的流动 n 流体力学在土木工程中的应用 水利工程 江河海堤坝 水库大坝 水力电站 桥梁、涵洞、倒 虹吸管 n水利、建筑、路桥工程 基坑排水 地基抗渗稳定处理 围堰新建 n给水排水工程、环境工程 取水 水处理 输配水 n路桥工程 排水 地表水截水沟、边沟、排水沟、急流槽、跌水等 消能措施 地下水渗水
2、暗沟、盲沟 跨越河流、沟渠 桥梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤 第一章 绪 论 学习要求： 1、了解流体的主要物理力学性质，理解易流动特性 和粘滞性，掌握牛顿内摩擦定律。 2、理解质量力和表面力，掌握其表示方法。 3、理解连续介质（质点的概念）、粘性流体、理 想流体、不可压缩流体、可压缩流体。 4、知道流体的研究方法。 流体力学发展简史 n第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段 n第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门 独立学科的基础阶段 n第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展 欧拉、伯努利 n第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展 第
3、一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段 n公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅导滞（洪水归于河） n公元前300多年 李冰 都江堰深淘滩，低作堰 n公元584年公元610年 隋朝 南北大运河、船闸应用 埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产 业发展 n系统研究 古希腊哲学家阿基米德论浮体（公元前250年）奠定了流 体静力学的基础 第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门 独立学科的基础阶段 n1586年 斯蒂芬水静力学原理 n1650年 帕斯卡“帕斯卡原理” n1612年 伽利略物体沉浮的基本原理 n1686年 牛顿牛顿内摩擦定律 n173
4、8年 伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程 n1775年 欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程 第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展 n理论分析与试验研究相结合 n量纲分析和相似性原理起重要作用 1883年 雷诺雷诺实验（判断流态） 1903年 普朗特边界层概念（绕流运动） 1933-1934年 尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数） 流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新 分支和交叉学科 1-1 流体力学的任务及研究对象 液体与气体统称为流体。 本书主要研究以水为代表的流体的宏观运动和平衡 规律及其应用。 流体的基本特征：易流动、不易压缩、均匀等向的连续体。 各点性质相同 同一
5、点上各方向性质相同 自然界物质的三种状态：固体、液体和气体 n 液体的基本特征 基本特征 流动性 u 固体 能保持固有形状和体积，可以承受拉 力、 压力、剪切力 u 液体 不能保持固有形状，流动性，可以承受 压力，不能承受拉力，运动的液体具有一定的剪切能 力，但静止的液体则不能抵抗剪切力。 气体 易于压缩 液体 不易压缩 1-2 连续介质假定（宏观上） 假定流体所占据的空间完全由流体质点所充满而没 有任何空隙的连续体。 优点： 避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律 1-2 流体力学的研究方法 1 理论分析法 2 科学实验法 3 数值计算
6、法 建立力学模型 建立数学方程 求解方程 实验验证 原型观测 模型试验 系统试验 研究方法 有限差分法 有限元法 边界元法等 如何学好流体力学 n1.认真听讲 n2.研读例题 n3.独立完成作业 （作业两周交一次，只用一个作业本） 作用在液体上的两种力 液体无论处于平衡或运动状态，都受到各种 力的作用。作用在液体上的力包括重力、惯性力 、粘滞力、压力、表面张力等，按力的作用方式 可以分为质量力（重力、惯性力）和表面力（粘 滞力、压力、表面张力）两类，这种分类是为了 便于进行液体运动受力分析，进而可以导出液体 平衡或运动状态下的基本关系式。 面力 质量力：体力 1-2 流体的主要物理力学性质 量
7、纲物理量的种类。如：长度、时间、质量等。 一、易流动性 单位 量度物理量的基准。 量纲分为基本量纲和导出量纲 流体在静止时不能承受切应力和不能抵抗剪切变形 的性质称为流体的易流动性。 二、惯性（质量和密度） 惯性 物体保持原有运动状态的特性。 惯性的大小以质量来度量。 密度 单位体积流体所具有的质量，用符号表示。 密度的国际单位为：kg/m3。 物体中所含物质数量，称为质量。 对于液体，一般情况下，压强和温度对的影响极小。 惯性力 由流体惯性引起的对外界抵抗的反作用力。 F = Ma 通常取水的密度为：1000kg/m3。 三、重力特性（重量和容重） 容重 单位体积液体所具有的重量，用符号 表
8、示。 容重的国际单位为：N/m3或kN/m3。 G = Mg 液体受地球引力的性质，称为重力特性。 式中：g 重力加速度，一般取 g = 9.8 m/s2。 = g 水的容重为：9.8103N/m3或 9.8kN/m3。 四、粘滞性 运动的流体具有一定的阻抗剪切变形的能力，这种 特性称为液体的粘性和粘滞性。 由于流体中存在粘滞性，运动流体需要克服内摩擦 力作功，因此它是流体在流动中产生能量损失的主要 原因。 静止时，流体没有抵抗剪切变形的能力，即流体具 有易流动性。 此处的内摩擦力就是粘滞力 粘性对流体运动的影响： 粘滞力： 式中： 单位面积上的内摩擦力，称为内摩擦切应力 动力粘滞系数，单位为
9、：帕斯卡秒 流速梯度，即流速沿y方向的变化率 牛顿内摩擦定律 令：称为运动粘度 对牛顿内摩擦定理的几点说明： 1. 液体：温度越高，粘度越小；气体刚好相反； 物理意义：剪切变形速度； 粘度与压强和温度相关 2. 上式不是对所有的液体都适用，仅适用于牛顿流体； 3. 牛顿流体：在温度不变的条件下，粘度值不变的流体；凡是 满足上式关系的流体都是牛顿流体； 4. 水、空气、油类和水银等流体在一般温度下都是牛顿流体。 假设 没有粘性的液体（粘度 为0），成为理想液体。实际中不 存在理想液体，都是有粘性的。 表1-1 水的黏度与温度的关系 表1-2 空气的黏度与温度的关系 【例1-1】 一平板距另一固定
10、平板=0.5mm，二板水平放置， 其间充满流体，上板在单位面积上为=2N/m2的力作用下， 以u=0.25m/s的速度移动，求该流体的黏度。 【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 例题1-1 五、压缩性和膨胀性 压缩性 流体受压、体积缩小、密度增大的性质。 解除外力后又能恢复原状的特性，称为弹性。 液体的压缩性和弹性，常用压缩系数 和弹性系数 K来度量 。 式中：p 外加压强 压缩系数 (m2/s) K 体积弹性模量 (Pa) 越大，液体越易压缩。 膨胀性 流体受热、体积膨胀、密度减小的性质。 液体的热膨胀性用热膨胀系数表示。表示在一 定的
11、压强下，温度升高一度，密度的相对减小率。 若液体的原体积为V，温度增加dT后，体积增加dV ，热膨胀系数为： 气体的可压缩性和热膨胀性 n气体具有显著的可压缩性，一般情况下，常见气 体的密度、压强和温度三者之间的关系，符合完 全气体状态方程 nR为气体常数，空气为287 J/kg.K 3. 不可压缩流体 n实际流体都是可压缩的，但是有很多流动，流体的密 度变化小，可以忽略。不可压缩流体是流体的每个质点 在运动全过程中，密度不变化的流体。 n液体在前面的表格中可以看到其压缩系数很小，可按 不可压缩流体处理。 n气体的可压缩性远大于液体，但是在土木工程中常见 的气流运动中，管道不很长，气流速度不大
12、，气体在流 动过程中，密度也没有明显变化，仍可以作为不可压缩 流体看待。 六、表面张力特性 当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张力 ，出现一些特殊现象，例如空气中的雨滴呈球状，液体的自由 表面好像一个被拉紧了的弹性薄膜等。 表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称 为内聚力。 液体在表面张力作用下具有尽量缩小其表面的趋势。 表面张力的大小，用表面张力系数 度量。 单位长度的表面张力，称为表面张力系数，单位为：N/m。 表面张力系数 随液体种类和温度而变化。 表面张力是液体的特有性质。 液体在细管中能上升或下降的现象称为毛细现象。液体 在细管中上升或下降的高度与表面
13、张力有关 毛细现象 水 水银 1-5 流体的力学模型和研究方法 一、流体力学模型 1、理想流体 2、不可压缩流体 实际流体与理想流体的区别在于有无粘滞性。 3、连续介质假设 绪论 小结 本章概述了有关流体力学研究对象和研究方法的一些基本概念 。 流体的基本特征是具有流动性。流体在静止时不能承受切力， 任何微小的切力作用，都使流体产生连续不断的变形，这就是 流动性的力学解释。 粘性是流体的内摩擦特性，或者说是流体阻抗剪切变形速度的 特性。在简单剪切流动的条件下，流体的内摩擦力符合牛顿内 摩擦定律，即 。 连续介质、理想流体和不可压缩流体概念。理想流体；均质不 可压缩流体，两者都是对实际流体物理性质的简化模型。 作用在流体上的力分为质量力和表面力两种
