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1、流体力学多媒体课件,安徽建筑工业学院环境工程系 王造奇,绪 论,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。,流体力学发展简史 流体力学的研究方法 作用在流体上的力 流体的主要物理性质 流体力学的模型,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,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2
2、278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,返回,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
3、分方程,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) 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),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(
4、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,作用在流体上的力,1.质量力:作用在所研究的流体质量中心,与质量成正比,重力 惯性力,单位质量力,重力,2.表面力:外界对所研究流体表面的作用力,作用在外 表面,与表面积大小成正比,应力,切线方向: 切向应力剪切力,内法线方向: 法向应力压强,F,A,Fn,F,表面力具有传递性,流体相对运
5、动时因粘性而产生的内摩擦力,流体的主要物理性质 惯性、粘性、压缩(膨胀)性,1.惯性,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,容重(重度),比重,2.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,a.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,b.动力粘度(系数):与流体性质有关 PaS,运动
6、粘度(系数): m/s,微观机制:,液体 吸引力 T ,气体 热运动 T ,dv/dz,牛顿流体,o,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),c.牛顿流体与非牛顿流体,0,dv/dz,o,塑性流体,非牛顿流体,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),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、速度梯度的取法,d,D,L,3.压缩(膨胀)性,a.压缩系数,在一定温度下,密度的变化率与压强的变化成正比,体积模量(弹性模量),b.膨胀系数,在一定压强下,体积的变化率与温度的变化成正比,c.气体,理想气体状态方程,R气体常数 空气R=8.31/0.029=287J/kgK,等温过程:压缩系数,等压过程:膨胀系数,绝热过程:压缩系数,低速(标准状态,v68m/s)气流可按不可压缩流体处理,流体力学的模型,连续介质 流体微元具有流体宏观特性的最小体积的流体团 理想流体 不考虑粘性的流体 不可压缩性 =c,