流体力学流体及其物理性质

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1、2018/9/14,1,欢迎进入第一章,2018/9/14,2,目录,第三章 流体静力学,第四章 流体运动学及流体动力学基础,第五章 相似原理和量纲分析,第二章 流体及其物理性质,第一章 绪论,第六章 管内流动和水力计算液体出流,第七章 气体的一维流动,第八章 理想流体的有旋流动和无旋流动,第九章 粘性流体绕过物体的流动,2018/9/14,3,第一章 绪论,一、日常流体力学现象 1、认识大气压 2、表面张力现象 3、竹蜻蜓 4、潜水艇 5、烟囱 6、超音速飞机 7、流体输送,2018/9/14,4,表面张力现象,2018/9/14,5,竹蜻蜓,2018/9/14,6,二、流体力学的任务,1

2、流体力学的基本任务在于建立描述流体运动的基本方程，确定流体流经各种通道及绕流不同物体时速度，压强的分布规律，探求能量转换和损失计算方法，并解决流体与周围固体之间的相互作用问题。,2018/9/14,7,2 流体力学的研究内容按研究内容侧重方法的不同，分为理论流体力学（通称流体力学）和应用流体力学（通称工程流体力学）按其研究内容的组成：流体静力学（流体动力学的特例，研究外力作用下流体平衡的条件及压强分布），流体动力学（用力学的观点来研究流体的运动，研究外力作用下流体的运动规律，及流体与固体间的相互作用），流体运动学（用几何观点来研究流体的运动而不涉及力的问题）,2018/9/14,8,3 流体力

3、学的研究对象流体包括液体和气体液体和气体各有特性，而且具有共性。,2018/9/14,9,4 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 数值计算方法计算机数值计算方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,2018/9/14,10,流体力学的中心问题有两个,1 研究流体中速度和压力的分布以及变化规律2研究流体对物体的作用力和力矩，研究它们产生的原因，计算方法及影响因素。,2018/9/14,11,三、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 第二阶

4、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 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 第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,2018/9/14,12,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段,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）奠定了流体静力学的基础,2018/9/14,13,2018/

5、9/14,14,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,2018/9/14,15,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

6、）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）,2018/9/14,16,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,2018/9/14,17,第二章 流体及其物理性质 第一节 流体的定义和特征,流体的力学定义：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。 2.流体与固

7、体在宏观力学行为方面的主要差异： 流体具有易变形性流，不能保持一定的形状，即具有流动性。,2018/9/14,18,3.流体与固体产生差异的原因：,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。,2018/9/14,19,液体和气体各有特性，而且具有共性。 液体的特性是容积一定，存在一个自由液面。 气体的特性是没有固定容积，不存在自由液面，却易于压缩。,2018/9/14,20,气体和液体产生差异的原因：,液体的分子距和分子的有效直径差不多是

8、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，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。,2018/9/14,21,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

9、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。,第二节 流体连续介质假设,1.提出的原因: 2. 假设的主要内容：不考虑流体分子的存在，把真实的流体看成是由无限多流体质点组成的稠密而无间隙的连续介质，甚至考虑到流体距离固体边壁接近0的极限情况也认为如此。,2018/9/14,23,流体质点是流体的基本体积元，它的体积相对于流动空间和流动中固体的体积来说小到可以把它近似看成几何上没有体积的一点，从宏观来看，小到看不见，摸不着，同时它相对于分子尺度来说又是足够大的，大到占据一定空间坐标，使包含的大量分子统计平均后能得到稳定的数值。 3. 提出的意义流体力学中第一个带根本性的假设将真实流体

10、看成为连续介质，意味着流体的一切宏观物理量都可作为时间和空间位置的连续函数，使我们有可能用数学分析来讨论和解决流体力学中的问题。,2018/9/14,24,第三节 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。一 表面力作用在所考虑的流体(或称分离体)表面上，与接触面积成正比。如粘滞力、压力。,2018/9/14,25,单位表面力的切向分力和法向分力,表面力的合力:,2018/9/14,26,单位质量流体所受的质量力f 可定义为：,质量力特点：作用在流体体积上，随空间位置和时间变化。,总质量力：,二 质量力：某种力场作用在流体的全部质点(或全部体积)上的力，与流体质量成正比

11、。如重力、惯性力。,2018/9/14,27,单位质量力,2018/9/14,28,重力场中单位质量力,2018/9/14,29,第四节 流体的主要物理性质,一 流体的密度1、流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量，用符号来表示。物理意义：是流体的重要属性之一，它表征流体在空间某点质量的密集程度。表达式： 对于流体中各点密度相同的均质流体 式中： 流体的密度，kg/m3； m 流体的质量，kg； V流体的体积，m3。,2018/9/14,30,对于各点密度不同的非均质流体，在流体的空间中某点取包含该点的微小体积 ，该体积内流体的质量 则该点的密度为 2、流体的相对密度流体的相对密度是指某种流

12、体的密度与4时水的密度的比值，用符号d来表示。式中： 流体的密度，kg/m3；4时水的密度，kg/m3。,2018/9/14,31,3 流体的比体积 定义：流体密度的倒数，即单位质量流体所占据的体积。 表达式： 4 混合气体的密度 按各组分气体所占体积百分数来计算,2018/9/14,32,例2.1 已经测得锅炉烟气各组分气体的体积百分数分别为：CO213.6%, SO20.4%, O24.2%,N275.6%,H2O6.2%，试求烟气的密度。,2018/9/14,33,二 流体的压缩性和膨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

13、膨胀性。1、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，即式中 流体的体积膨胀系数,1/,1/K；,2018/9/14,34,流体温度的增加量，K；原有流体的体积，m3；流体体积的增加量，m3。实验指出，液体的体积膨胀系数很小。在常温下，温度每升高1，水的体积相对增量仅为万分之一点五；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时随压强的增加而增大。,2018/9/14,35,水的体胀系数 （1/）,201

14、8/9/14,36,2、流体的压缩性流体压缩性的大小用体积压缩系数k来表示。k物理意义：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 式中 流体的体积压缩系数，m2/N；流体压强的增加量，Pa； 原有流体的体积，m3；流体体积的增加量，m3。 体积模量：压缩系数的倒数，用K表示。,2018/9/14,37,气体的压缩性要比液体的压缩性大得多，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，即式中 气体的绝对压强，Pa；气体的密度，kg/m3；热力学温度，K；气体常数，J/(kgK)。,2018/9/14,38,在工

15、程上，不同压强和温度下气体的密度可按下式计算：式中 为标准状态(0,101325Pa)下某种气体的密度。如空气的 1.293kg/m3；烟气的 1.34kg/m3。 为在温度t、压强 N/下，某种气体的密度。例2-2 在厚壁圆筒中受到压缩的水，当压强为1MPa时，其体积为1000cm3 ，当压强增至5 MPa时，其体积变为998cm3 ，求水的体积模量K,2018/9/14,39,3、可压缩流体和不可压缩流体压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可以压缩的，只不过可压缩的程度不同而已。 不可压缩流体: =0的流体。 不可压均质流体:密度为常数的流体。 可压缩流体：密度随温度和压强变化的流体。 在

16、实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。 管道中水击和水下爆炸 锅炉尾部烟道和通风管道中的气体 气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时,2018/9/14,40,三 流体的黏性和牛顿内摩擦定律1、流体的黏性黏性是流体抵抗剪切变形的一种属性。黏性：流体微团间发生相对滑移时（流体内部质点间或流层间的相对运动）产生切向阻力以反抗相对运动的性质。,2018/9/14,41,流体的黏性实验,2018/9/14,42,粘性的表现,2018/9/14,43,2、牛顿内摩擦定律根据牛顿(Newton)实验研究的结果得知，运动的流体所产生的内摩擦力(切向力) F 的大小与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比，与接触面的面积A成正比，并与流体的种类有关，而与接触面上压强P 无关。内摩擦力的数学表达式可写为F= Adu/dy,