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1、工程流体力学 前 言 工程流体力学主要介绍流体的性质及其运动 规律。学习这些知识，可以认识流体的平衡特 性，流体的流动规律，流体的流动形态，流体 流动的阻力特性等。这些知识都是生产实践中 非常需要的。 第一章 流体及其物理性质 1.1流体的定义和特征 1.2流体力学发展简史 1.3流体的连续介质假设 1.4国际单位制 1.5流体的密度 1.6流体的压缩性和膨胀性 1.7流体的粘性 1.8液体的表面张力 1 1、流体的定义流体的定义 通常说能够流动的物质为流体；若按照力学术语定义，通常说能够流动的物质为流体；若按照力学术语定义， 则在任何微小切力的作用下都能发生连续变形的物质称则在任何微小切力的
2、作用下都能发生连续变形的物质称 为流体。为流体。 2 2、流体的特征流体的特征 流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也 将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止；只有在运动状态下才能承将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止；只有在运动状态下才能承 受剪切力的作用；受剪切力的作用； 流流体具有明显的流动性。体具有明显的流动性。 没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体则完全充满没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体则完全充满 容器；容器； 流流体具有可压缩性；液体可压缩性小，水受压从体具有可压缩
3、性；液体可压缩性小，水受压从1 1个大气压增加至个大气压增加至100100 个大气压时，体积仅减小个大气压时，体积仅减小0.5%0.5%；气体可压缩性大；气体可压缩性大； 按状态划分为：液体与气体。 1.11.1 流体的定义和特征流体的定义和特征 3 3、固体、流体的区别固体、流体的区别 流体流体 呈现易流动性？呈现易流动性？ 固体固体 是是 否否 固体受到剪切力作用，仅产生一定程度的变形，且作用力保持不变 ，固体的变形就不再变化。 4 4、液体、气体的区别液体、气体的区别 状态状态有无固定体有无固定体积积积积 能否形成自由能否形成自由 液面液面 是否容易被是否容易被压压压压 缩缩缩缩 液体液
4、体有能否 气体气体无否是 气体分子间的距离与分子直径相比很大，故分子间的吸引力很小。 所以，分子可以自由运动或撞击器壁。故它极易变形和流动，而且总是 充满它所能达到的全部空间。 液体分子间的距离较小，分子间的吸引力较大，故它不能象气体分 子那样自由运动，只能在周围分子作用下作无规则的振动和在分子间的 移动。所以，液体的流动性不如气体。而且，液体具有一定的体积，其 形状取容器的形状，重力作用下，液体总保持一个自由表面（液面）。 人类对流体力学的认识最早从治水、灌溉、航行等方面开始人类对流体力学的认识最早从治水、灌溉、航行等方面开始 。 中国古代提水 灌溉所用风车 大禹治水 1.21.2 流体力学
5、发展简史流体力学发展简史 发现发现发现发现 了物体在流体中了物体在流体中 所受浮力的基本原理所受浮力的基本原理 阿基米德原理。阿基米德原理。 Archimedes (285-212 BC) 欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊 学者阿基米德。学者阿基米德。 Leonardo da Vinci (1452-1519) 系系统统统统地研究了物体的沉浮、孔地研究了物体的沉浮、孔 口出流、物体的运口出流、物体的运动动动动阻力以及管道阻力以及管道 、明渠中水流等、明渠中水流等问题问题问题问题 。 文艺复兴时期（文艺复兴时期（14
6、14世纪到世纪到1616世纪世纪）之后，流体力学得到长足发展。）之后，流体力学得到长足发展。 第一阶段：萌芽阶段第一阶段：萌芽阶段 特点特点: :感性认识的基础感性认识的基础 第二阶段：奠定了作为一门独立学科的基础阶段第二阶段：奠定了作为一门独立学科的基础阶段 Galileo (1564-1642) 在流体静力学中在流体静力学中应应应应用了虚用了虚 位移原理，并首先提出运位移原理，并首先提出运动动动动物物 体的阻力随着介体的阻力随着介质质质质密度的增大密度的增大 和速度的提高而增大。和速度的提高而增大。 I. Newton (1642-1727) 建立了牛建立了牛顿顿顿顿内摩擦定律，内摩擦定律
7、， 为为为为粘性流体力学初步奠定了理粘性流体力学初步奠定了理 论论论论基基础础础础，并，并讨论讨论讨论讨论 了波浪运了波浪运动动动动 等等问题问题问题问题 。 D. Bernoulli (1700-1782) 建立了流体位建立了流体位势势势势能、能、压压压压强强 使能和使能和动动动动能之能之间间间间的能量的能量转换转换转换转换 关关 系系伯努利方程。伯努利方程。 经经经经典流体力学的奠基人，典流体力学的奠基人， 涡轮涡轮涡轮涡轮 机理机理论论论论的奠基人。的奠基人。 提出提出连续连续连续连续 介介质质质质模型模型 建立建立连续连续连续连续 性微分方程性微分方程 建立理想流体的运建立理想流体的运
8、动动动动微分方程微分方程 提出研究流体运提出研究流体运动动动动的两种方法的两种方法 提出速度提出速度势势势势概念概念 L. Euler (1707-1783) J. le R. dAlembert (1717-1783) 17441744年提出了达朗年提出了达朗贝贝贝贝尔尔佯佯 谬谬谬谬，即在理想流体中运，即在理想流体中运动动动动的物的物 理既没有升力也没有阻力。理既没有升力也没有阻力。 第三阶段：第三阶段：从从1818世纪中叶工业革命开始，流体力学的研究逐渐世纪中叶工业革命开始，流体力学的研究逐渐 沿着理论流体力学和应用流体力学两个方向发展。沿着理论流体力学和应用流体力学两个方向发展。 第四
9、阶段：第四阶段： 1919世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论 分析和实验研究逐渐密切结合起来。分析和实验研究逐渐密切结合起来。 L. Prandtl (1875-1953) 建立建立边边边边界界层层层层理理论论论论，解，解释释释释 了阻力了阻力产产产产生的机制生的机制 针对针对针对针对 紊流紊流边边边边界界层层层层，提出，提出 混合混合长长长长度理度理论论论论 流体力学的使用领域 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 由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战
10、斗机。 使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机， 靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术 史上的奇迹。 利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和 稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞 机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。 建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上，设计生产 出时速达200公里的新型地效艇等。 航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇； 用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型 气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供 单机达百万千瓦的强大动力。 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。 环境工程环境工程
11、 灾害预报与控制； 发展更快更安全更舒适的交通工具； 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。 1.31.3 流体的连续介质假设流体的连续介质假设 1. 1. 问题的提出问题的提出 从微观上看从微观上看，由于构成流体的无数分子之间存在间隙，由于构成流体的无数分子之间存在间隙，流体不连续流体不连续。 把流体当作由流体把流体当作由流体质点构成，内无空隙的连续体。构成，内无空隙的连续体。2. 2. 连续介质假设 连续介质假设 流体力学的目的流体力学的目的只研究流体宏观运动，不研究其微观运动只研究流体宏观运动
12、，不研究其微观运动 从宏观上看从宏观上看，流体力学，流体力学并不并不研究流体的研究流体的微观分子运动微观分子运动，而，而只研究只研究流体的流体的 宏观机械运动宏观机械运动。当所讨论问题的特征尺寸远大于流体的分子平均自由程。当所讨论问题的特征尺寸远大于流体的分子平均自由程 时，可将时，可将流体视为在时间和空间连续分布的函数流体视为在时间和空间连续分布的函数。 3. 3. 流体质点流体质点 是体积无限小而又包含大量分子的流体微团是体积无限小而又包含大量分子的流体微团 是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元 是从宏观看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微
13、团的尺度充是从宏观看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度充 分小，在数学上可以作为一个点来处理分小，在数学上可以作为一个点来处理 从微观看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分的大，从微观看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分的大， 包含有足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有包含有足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有 意义意义 同牛顿质点的不同：有形状变化同牛顿质点的不同：有形状变化 流体分子流体分子 流体微团流体微团 也称为流体微团 4. 4. 连续介质模型连续介质模型 不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观
14、物理不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观物理 属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能等）属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能等） 不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团 组成的连续介质组成的连续介质 按照连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一按照连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一 般在时间和空间上都是连续分布，是空间坐标和时间的单值连续可微函般在时间和空间上都是连续分布，是空间坐标和时间的单值连续可微函 数，这样可以用解析函数的诸多数学工具去研
15、究流体的平衡和运动规律数，这样可以用解析函数的诸多数学工具去研究流体的平衡和运动规律 ，为流体力学的研究提供了很大的方便。，为流体力学的研究提供了很大的方便。 流体是由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。 例外情况例外情况 uu超声速气流中出现激波超声速气流中出现激波 uu在空气非常稀薄的高空在空气非常稀薄的高空 中运动的飞行器中运动的飞行器 解析函数不适用解析函数不适用 分子的平均自由行程分子的平均自由行程 和飞行器的特征尺寸和飞行器的特征尺寸 相似相似 假设的适用范围假设的适用范围 ： 0 0 C C，1mm1mm 3 3 水含水含3.4103.41019 19个分子 个分子 气体含气体
16、含2.7102.71016 16个分子 个分子如此大量的分子， 容易取得它们共同 作用的有代表性的 统计平均值 对于大部分工程技术中的流体力学问题，假设都适用 采用SI制,常用的工程流体力学单位见教材表1-2。 1.41.4 国际单位制国际单位制 1.51.5 流体的密度流体的密度 1. 1. 流体的密度流体的密度表征流体的质量在空间的密集程度，单位为表征流体的质量在空间的密集程度，单位为 kg/mkg/m 3 3 。 均质流体均质流体 式中，m为流体的质量，V为流体的体积。 非均质流体非均质流体 式中，V为在空间某点取的流体体积，流体的质量为m 。 这里数学上的这里数学上的V0V0， 从物理上应理解为体积从物理上应理解为体积 缩小到前面所讲的流体缩小到前面所讲的流体 质点。质点。 注注 意意 4 水的密度 =
