鄂州大学工程力学分支ppt培训课件

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1、9/14/2018,1,流体力学 -电子教案 总学时：32学时 其中课堂教学32学时 教材流体力学泵与风机蔡增基 龙天渝 主编 中国建筑工业出版社出版,1,9/14/2018,2,目录,第一章 绪论 第二章 流体静力学 第三章 流体动力学基础 第四章 流动阻力和能量损失 第五章 孔口管嘴管路流动 第六章 相似原理和因次分析,9/14/2018,3,第一章 绪 论,1.1 流体的定义和特征 1.2 流体的主要物理性质 1.3 作用在流体上的力 1.4 流体的力学模型目 的：流体的物理性质是决定流体运动规律的内 因。本章重点：流体特征、粘性、连续介质、力的分类本章难点：粘性、隔离体,9/14/20

2、18,4,1.1 流体的定义和特征,1. 流体的定义和特征物质常见的存在状态是固态、液态和气态，处在这三种状态下的物质分别称为固体、液体和气体。通常说能流动的物质为流体，由于液体和气体易流动，统称为流体。 流体与固体的根本区别在于对外力的抵抗能力不同。固体能够承受一定范围内的各种力，固体的变形与受力的大小成正比。而流体几乎不能承受拉力，流体在任意小的剪切力作用下，将发生连续不断地变形，剪切力消失，变形停止。 1.1定义：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的 物质，称为流体。 1.2特征：易流动性。 由此可用各种方法和容器输送，压力向各个方向传递。,9/14/2018,5,2. 液体与

3、气体的区别液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任 何容器，而无一定体积。流体和固体具有上述不同性质是由于分子间的作用力不同造成的。在相同体积的固体和流体中，流体所含的分子数目比固体少得多，分子间的空隙就大得多，因此流体分子间的作用力小，分子运动强烈，从而决定了流体具有流动性和不能保持一定形状的特性。 流体中所包括的液体和气体除具有上述共同特性外，还具有如下的不同特性：液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，只要分子距稍有缩小，分子间的斥力就会增大以抵抗外压力。所以，液体的分子距很难缩小，即液体很不易被压缩，以致一定重量的液体具有一定的体积，液

4、体的形状取决于容器的形状，并且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自身表面积收缩到最小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面(或称自由液面)，通常称为水平面。气体的分子距比液体的大，在0、1个标准大气压强（101325Pa）下，气体的平均分子距约为3.3 10 -7cm，其分子平均直径约为2.510-8cm，分子距比分子平均直径约大十倍。因此，只有当分子距缩小很多时，分子间才会出现斥力。可见，气体具有很大的压缩性。此外，因其分子距与分子平均直径相比很大，以致分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用，所以气体没有一定形状，也没有一定

5、的体积，它总是能均匀充满容纳它的容器而不能形成自由表面。,9/14/2018,6,1.2 流体的主要物理性质,1.惯性：维持原有运动状态的能力称为惯性。表征某一流体惯性大小的可用该流体的质量或密度：（ ） 流体的密度，kg/m3； 流体的质量，kg； 流体的体积，m3。 2.重力：流体受地球引力作用的特征，用容重表示：kN/m3,（1-1）,（1-2）,9/14/2018,7,在流体力学中水的用4 时的值：汞：空气：,9/14/2018,8,表1-1 在标准大气压下常用液体的物理性质,9/14/2018,9,表1-2 在标准大气压和20常用气体性质,9/14/2018,10,3.流体的压缩性和

6、热胀性随着压强的增加，流体体积缩小；随着温度的增高，流体体积膨胀，这是所有流体的共同属性，即流体的压缩性和膨胀性。 3.1液体的压缩性和热胀性 1）液体的热胀性在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数 来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量，即,（1-3）,9/14/2018,11,实验指出，液体的体积膨胀系数很小，例如在9.8 104Pa下，温度在110范围内，水的体积膨胀系数=1410-61/；温度在1020范围内，水的体积膨胀系数 =15010-6 1/。在常温下，温度每升高1，水的体积相对增量仅为

7、万分之一点五；温度较高时，如90100，也只增加万分之七。其它液体的体积膨胀系数也是很小的。流体的体积膨胀系数还取决于压强。对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。水的在高于50时也随压强的增加而增大。在一定压强作用下，水的体胀系数与温度的关系如表1-3所示。表1-3 水的体胀系数 （1/）,9/14/2018,12,2）液体的压缩性在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。流体压缩性的大小用体积压缩系数 来表示。它表示当温度保持不变时，单位压强增量引起流体体积的相对缩小量，即 流体的弹性模量,（1-4）,（1-5）,9/14/2018,13,由于压强增加时，流体的体积减

8、小，即 与 的变化方向相反，故在上式中加个负号，以使体积压缩系数恒为正值。实验指出，液体的体积压缩系数很小，例如水，当压强在(1490)107Pa、温度在020的范围内时，水的体积压缩系数仅约为二万分之一，即每增加105Pa，水的体积相对缩小约为二万分之一。表l-4列出了0水在不同压强下的 值。表1-4 0水在不同压强下的 值,9/14/2018,14,3.2气体的压缩性和热胀性气体的压缩性要比液体的压缩性大得多，这是由于气体的密度随着温度和压强的改变将发生显著的变化。对于完全气体，其密度与温度和压强的关系可用热力学中的状态方程表示，即1）在等温情况下：,气体的绝对压强，Pa； 气体的密度，k

9、g/m3； 热力学温度，K； 气体常数，J/(kgK)。常用气体的气体常数见表1-2。,（1-6）,（1-7）,9/14/2018,15,由于气体有一个极限密度，故压力增大到极限密度时的压力称为极限压强，此时无论压力再如何增大，气体的密度将保持不变。 2）在等压情况下：气体的压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变时，完全气体的体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高1体积就比0时的体积膨胀1/273。 4.流体的粘性和牛顿内摩擦定律 4.1粘性：流体抵抗剪切变形的一种属性。,（1-8）,9/14/2018,16,流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内

10、部会产生一对内摩擦力，将对变形起到阻碍作用，被称为粘着力。 4.2牛顿内摩擦定律,（1-9）,9/14/2018,17,4.3粘性系数 1）动力粘性系数 动力粘性系数，Pas。值越大，流体越粘，抵抗变形运动的能力越强。从式(1-9)可知，当速度梯度等于零时，内摩擦力也等于零。所以，当流体处于静止状态或以相同速度运动(流层间没有相对运动)时，内摩擦力等于零，此时流体有黏性，流体的黏性作用也表现不出来。当流体没有黏性(=0)时，内摩擦力等于零。 2）运动粘性系数在流体力学中还常引用动力粘度与密度的比值，称为运动粘性系数，用符号表示，即,（1-10）,9/14/2018,18,3）粘度的影响因素 温

11、度对流体粘度的影响很大液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度 压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。,m1,9/14/2018,19,【例1-1】 一平板距另一固定平板=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，求该流体的动力粘度。 【例1-3】P7作业：P13 1-4、1-7、1-13,9/14/2018,20,5.液体的表面张力和毛细现象 5.1表面张力 1）表面张力现象水滴悬在水龙头出口而不滴落；

12、细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；铁针浮在液面上而不下沉。 2）表面张力 (1)影响球液体分子吸引力的作用范围大约在以34倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球”。 (2)表面层厚度小于“影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。 (3)表面张力（N/m)液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力, 单位长度上的这种拉力称为表面拉力。,9/14/2018,21,5.2 毛细现象液体在细管中能上升或下降的现象称为毛细现象。 液体分子和固体分子之间的内聚力和附着力相互制约。把细管插入液体内，若液体(如水)分子间的吸引力(称为内聚力)小于液体分子与固体分子之

13、间的吸引力，也称为附着力，则液体能够润湿固体，液体将在管内上升到一定的高度，管内的液体表面呈凹面，如图1-6(a)所示，若液体(如水银)的内聚力大于液体与固体之间的附着力，则液体不能润湿固体，液体将在管内下降到一定高度，管内的液体表面呈凸面，如图1-6(b)所示。毛细管中液体的上升或下降高度影响测压管读数，测压管的直径不小于1厘米。,9/14/2018,22,1.3 作用在流体上的力,作用在流体上的力可以分为两大类，表面力和质量力。1. 表面力表面力是指作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，也就是该部分体积周围的流体或固体通过接触面作用在其上的力。表面力可分解成两个分力，即与流体表面垂直的

14、法向力P和与流体表面相切的切向力T。在连续介质中，表面力不是一个集中的力，而是沿表面连续分布的。因此，在流体力学中用单位表面积上所作用的表面力(称为应力)来表示。应力可分为法向应力和切向应力两种。,9/14/2018,23,F,P,T,A,A,V,n,法向应力,周围流体作用的表面力,切向应力,图 1-7 作用在流体上的表面力,（1-12）,（1-11）,9/14/2018,24,二、质量力质量力是指作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比的力，又称体积力。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。由于流体处于地球的重力场中，受到地心的引力作用，因此流体的全部质点都受有重

15、力， 这是最普遍的一个质量力。当用达朗伯（DAlembert）原理使动力学问题变为静力学问题时，虚加在流体质点上的惯性力也属于质量力。惯性力的大小等于质量与加速度的乘积，其方向与加速度方向相反。另外，带电流体所受的静电力以及有电流通过的流体所受的电磁力也是质量力。,9/14/2018,25,质量力的大小以作用在单位质量流体上的质量力，即单位质量力来度量。在重力场中，对应于单位质量力的重力数值上就等于重力加速度g。在直角坐标系中，若质量力在各坐标轴上投影分别为Wx，Wy，Wz，则单位质量力 在各坐标轴的分量分别等于（1-13）则 （1-14）单位质量力及其在各个坐标轴的分量的单位为m/s2，与加速度的单位相同。,9/14/2018,26,1.4 流体的力学模型,客观上存在的实际流体，其结构和物理性质实非常复杂的，很难用严密的力学关系来描述，在满足工程的前提条件下，对其加以抽象简化，以便于用数学方式来描述，是力学中行之有效的方法。 1.连续介质模型 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。但是，流体力学所要研究的并不是个别分子的微观运动，而是研究由大量分子组成的宏观流体在外力作用下的宏观运动。不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。流体微团必须具备的两个条件：必须包含足够多的分子：体积必须很小。,