流体力学课件-第一章

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1、 第一章 流体的物理性质与流体运动学1.流体的物理性质1.1物质结构 1.2连续介质假设 1.3流体的可压缩性与热膨胀性 1.4流体的输运性质2.流体运动学2.1 流体运动的描述 2. 2迹线、流线和脉线 2.3 流场中的速度分解 2.4 作用于流体上的力 2.5 本构关系物质的宏观形态 (固体、液体、气体) 固体 当作用在物体上的力发生微小变化时，它的形状及其组成微元之间 相对位置的变化也是微小的。(不易变形) 液体、气体 (流体) 就力学性质而言，这两种状态是基本相同的：没有特定的形状，对 于均质的物体而言，其不同微元还可以自由地重新排列而不影响流 体的宏观性质。 当适当选取的力作用于物体

2、时，无论这个力多大，流体组成微元 间的相对位置都可以产生不小的变化 (易变形)1.1物质结构物质的宏观形态 (固体 液体 气体) 固体和液体间并没有明显的界限 触变质(如胶冻或油漆)：当它们被静放一段时间后，其性质为弹性 固体；当它们受到摇晃、搅动等剧烈变形后，又失去弹性而像液体 沥青：在一般情形下为固体，但如果施加长时间的力，它的变形也 象流体那样可以无限增大 浓的高分子溶液，也具有固液两类行为 气体和液体之间的差别不是本质的 都是稳定的相态，都呈现出流动性(或易变形性) 区别：密度，体积弹性(可压缩性)1.1物质结构物质的微观性质 宏观性质的差异直接与“物质的分子热运动状态和分子 之间的相

3、互作用存在着不同的情形”有关 任何物质都不是连续体，而是由处于分离状态的大量粒子所组成， 即分子、原子，它们之间存在相互作用力 物质呈现一定的宏观状态，是由于某种平均能量水平的大量分子， 在分子制约下所采用的排列方式和运动方式的宏观表现 粒子间的作用力 粒子电离后形成的库仑力(Columb) 粒子与粒子间的共价结合力 粒子极化产生的范德华力(Van de Waals)1.1物质结构物质的微观性质p13 分子间作用力与分子间距的关系 对于简单分子组成的物质，常温常压下，分子间距的量级 气相分子： 液相分子(水): 固相分子：d0 （液体分子间的距离比固体的稍大，13左右 ）1.1物质结构物质的微

4、观性质 气体 分子间距10 d0 ，分子力为弱相互作用，此时，只要分子的平均动能 足够大，单个分子就能克服邻近分子的吸引力而处于一种自由运动状 态，也就是说分子在邻近分子力场中具有的势能远小于分子本身具有 的动能，势能可以被忽略 在偶尔的场合下，高能量分子也可能在运动过程中与其他分子十分靠 近，出现分子间短暂的强相互作用，通常，这种偶然出现的强相互作 用过程被称为碰撞 对于分子热运动平均能量高的物质，在分子碰撞以外的绝大部分时间 ，分子都处于自由状态，大量分子的自由运动就呈现出高度混乱的情 景，这种宏观状态称作气体1.1物质结构 物质的微观性质 固体 分子间距 d0 ，固体分子的热运动是处于低

5、能量状态，每个分子的运 动受到分子间作用力的强大束缚，因而只能围绕着一个固定位置振动 典型的固体是晶体，晶体的分子或原子在相当大的范围内(一个晶粒) 作规则整齐的排列，这种物质结构称为“长程有序”。由于大量分子整 齐排列并处于强相互作用之下，这种结构有很强的保持能力，宏观上 表现出很大的刚度。 另一类不典型的固体，如玻璃，称为非晶态固体或无定形固体，其原 子或分子的排列表现为“短程有序”和“长程无序”。这类物质分子的排 列方式和液体很接近，不同点只是非晶态固体在常温下仍具有阻止物 体继续变形的极大抗拒力，因而可以看成是粘度极高的“过冷液体”。( 非晶态固体的粘性系数值高达天文数字，从力学的角度

6、看，把它们归 为流体很不实际，故通常仍旧作为固体对待)1.1物质结构物质的微观性质 液体 液体分子间距： d0 从简单的宏观测量来看，液体分子排列的紧密程度和固体并没有多大 的差别 固体溶化成液体后，密度一般只有百分之几的变化 液体分子之间 也有强相互作用。 到目前为止，用以揭示液体分子结构的各种物理实验(如中子衍射， 电阻测量等)，都支持这样一种观点：液体分子的排列也是有一定结 构的，但在整齐排列的每个液体分子群中，分子数要比固体晶粒中的 分子数少得多。这种情况称为“短程有序”。 在宏观行为上，却像气体一样具有易流动性，而不能保持固定的形状 在力学上，液体和气体同归属于流体的范畴。 1.1物

7、质结构物质的微观性质 固、液、气的微观性质比较1.1物质结构1.2 连续介质假设？设想 连续介质假设 流体力学是研究流体的宏观运动的，研究的对象不直接是这些物质粒 子本身，而是从这些物质抽象出来的一种模型连续介质。 连续介质模型认为(假设)物质连续地无间隙地分布于物质所占有的整 个空间，流体宏观物理量是空间点及时间的连续函数。 通常所说的流体力学，就是指建立在连续介质假设基础上的流体力学 。 连续介质假设的思想： 研究对象是物体的宏观运动，即大量分子的平均行为，而不是单个分 子的个别行为，因而可以不去考虑物质的分子结构和单个分子的运动细节。 事实表明，物质的分子结构和分子的热运动只对宏观运动存

8、在间接的影响， 即只能通过影响物质的热力学特性来影响物体的运动。 因此，类似于热力学方法，当研究物体的变形、流动等宏观运动特性 时，就可以将物体作为一种连续体对待，而无须计及它的微观分子结构。 新问题： 怎样把一个由分子和原子组成的质点系统“等效地”代换为一个连续 体？即应如何正确规定连续体的质量、动量、能量等物理量在空间的分布。1.2 连续介质假设1.2 连续介质假设1.2 连续介质假设(适用范围)1.2 连续介质假设(作业)1. 能把流体看作连续介质的条件是什么？2设稀薄气体的分子自由程是几米的数量级，问下列两种 情况连续介质假设是否成立?(1)人造卫星在飞离大气层进入稀薄气体层时(2)假

9、想地球在这样的稀薄气体中运动1.3 流体的可压缩性与热膨胀性1.3 流体的可压缩性与热膨胀性1.3 流体的可压缩性与热膨胀性1.3 流体的可压缩性与热膨胀性在1atm下，温度从273K变化到373K，水的体积仅增加4.3% P360 附录 表D.3, T=273.15, 比容vf=1/1000(m3/kg), T=373.15, vf=1.044/1000(m3/kg)1.3 流体的可压缩性与热膨胀性（作业）1. 当压强增量为50000 Pa时某种流体的密度增加 了0.02。试求该流体的体积弹性模量。2. 空气(R0287.1Nm(kgK)在压强为p105Pa, 温 度为T20时，分别求其等温

10、压缩系数和热膨胀系 数。( ) 提示：1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质更精确计算对空气，温度为288K时实测结果1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质异性1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质1.4 流体的输运性质（作业）第一章 流体的物理性质与流体运

11、动学1.流体的物理性质1.1物质结构 1.2连续介质假设 1.3流体的可压缩性与热膨胀性 1.4流体的输运性质2.流体运动学2.1 流体运动的描述 2.2 迹线、流线和脉线 2.3 流场中的速度分解 2.4 作用于流体上的力 2.5 本构关系2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述？加速度2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述2.1 流体运动的描述加速度2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流

12、线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线4 流线、迹线和脉线的关系4 流线、迹线和脉线的关系4 流线、迹线和脉线的关系流线与迹线4 流线、迹线和脉线的关系2.2迹线、流线和脉线2.2迹线、流线和脉线2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.3 流场中的速度分解2.4 作用于流体上的力F=P =2.4 作用于流体上的力2.4 作用于流体上的力吴望一，流体力学上，p131, (张量知识)2.4 作用于流体上的力2.4 作用于流体上的力2.4 作用于流体上的力实际流体都是有粘性的，但若粘度系数或流场中速度梯度很小以致流体 的粘性(切向)应力很小时，可以近似地把粘性应力取为零，这种虚构的 流体，通常称为无粘性流体由于无粘性流体Tn0，故上述静止流体 的结论同样成立。2.5 本构关系2.5 本构关系2.5 本构关系2.5 本构关系作业