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1、流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。 流体力学研究的对象液体和气体。,第一章 绪 论,流体力学的研究方法,理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充 理论研究方法 力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律 实验方法 相似理论模型实验装置 数值方法 计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,1.1 研究内容和研究方法,流体力学的研究任务 流体在外力作用下平衡和运动的规律,1高尔夫球：表面光滑还是粗糙？,高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜
2、直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。,高尔夫球的表面做成有凹点的粗糙表面，就是利用粗糙度使层流转变为紊流的临界雷诺数减小，使流动变为紊流，以减小阻力 。,思考：乒乓球表面为什么是光滑的？,1.2 流体力学的应用,2. 汽车阻力：来自前部还是后部？,汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型
3、，阻力系数降至0.6。20世纪5060年代改进为船型，阻力系数为0.45。80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3，以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。,思考：为什么一级方程式赛车不罩汽车外壳 ？,1.2 流体力学的应用,公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅导滞（洪水归于河） 公元前300多年 李冰都江堰深淘滩，低作堰 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 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
4、静力学的基础,流体力学发展简史,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段,1.2 流体力学的应用,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,1586年斯蒂芬水静力学原理 1650年帕斯卡“帕斯卡原理” 1612年伽利略物体沉浮的基本原理 1686年牛顿牛顿内摩擦定律 1738年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程 1775年欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程,流体力学发展简史,1.2 流体力学的应用,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（理论）、伯努利（实验）,工程技术快速发展，提出很多经验公式 1769年谢才
5、谢才公式（计算流速、流量） 1895年曼宁曼宁公式（计算谢才系数） 1732年比托比托管（测流速） 1797年文丘里文丘里管（测流量） 理论 1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）,流体力学发展简史,1.2 流体力学的应用,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,理论分析与试验研究相结合 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,流体力学发展简史,1.2 流体力学的应用,
6、（1）舰船、航空、航天（飞机的（风洞）实验、火箭上天）； （2）城市给排水； （3）水利、水电（三峡水利工程）； （4）矿山应用。,流体力学的应用,1.2 流体力学的应用,在研究流体静止和运动之前，首先要了解衡量流体特性的参数。粘性是流体物理性质中最重要的特性。,第二章 流体的主要物理性质,2.1 流体及连续介质假设,从微观角度看 流体和其它物体一样，都是由大量不连续分布的分子组成，分子间有间隙。 从宏观角度看 流体是在空间和时间上连续分布的介质。,1775年欧拉在建立流体运动的微分方程时，就是采用连续介质这样一个基本假说，并在实践中得到了证实，该假说的合理性。,思考：连续介质假设在什么情况下
7、不能成立？,凡是没有固定的形状易于流动的物质就叫流体。流体与固体的差别表现为：固体可以承受拉力、压力和切应力，液体却只能承受压力，几乎不能承受拉力，在极小切应力下就会出现连续的变形流动。,密度,常见的密度（在一个标准大气压下）： 4时的水20时的空气,比体积,2.2 流体的密度,流体微团（流体质点）：宏观上足够小，微观上足够大的微体积内的流体。,相对密度,重度,2.3 热膨胀性和可压缩性,热膨胀性：流体体积随温度升高而增大的性质。它的物理意义是单位温度变化所引起的体积的相对变化率。液体的热膨胀性很小，一般可以忽略不计。气体的热膨胀系数为1/273。,压缩性：在一定温度下，流体体积随压强升高而减
8、少的性质。它的物理意义是单位压强变化所引起的体积的相对变化率。,体积模量：体积压缩率的倒数。,2.4 流体的粘性,粘性：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时， 随之产生阻抗相对运动的内摩擦力,微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换,牛顿内摩擦定律：,切应力：,z,v,v+dv,v,x,z,dz,y,数学含义：垂直于流动方向的流速梯度。 物理含义：运动流体的剪切变形速率。,速度梯度的物理意义,角变形速度（剪切变形速度）,vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,流体与固体在摩擦规律上完全不同,正比于dv/dz,正比于正压力，与速度无关,2.4 流体的粘性,、=/粘度系数 注意：液
9、体和气体的粘度随温度变化规律不同。,2.4 流体的粘性,牛顿流体与非牛顿流体 实际流体（0）与理想流体（=0）,2.4 流体的粘性,牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等） 假塑性流体的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等） 塑性流体克服初始应力0后，才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等） 膨胀型流体的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）,例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解：,注意：面积、
10、速度梯度的取法,d,D,L,2.4 流体的粘性,例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。,解：,注意：1.面积A的取法； 2.单位统一,h,n,r1,r2,得,2.4 流体的粘性,表面张力：由分子的内聚力引起单位：N/m,发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界,毛细现象：液固接触,液固间附着力大于液体的内聚力,液固间附着力小于液体的内聚力,凹上升,凸下降,h,h,表面张力,思考：水和养分为什么能够到达参天大树的枝叶？,本章小结,流体的分类：,本章重点：,连续介质假设，牛顿内摩擦定律,思考题：1、流体的基本特性是什么？ 2、粘度的表示方法以及粘度与温度和压力的关系； 3、动力粘性系数和运动粘性系数的区别和联系是什么？ 4、什么是流体的连续介质模型；为何提出连续介质概念？,
