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1、粘性流体力学教案主讲：刘正先参考书：粘性流体力学 由南工、华工、重大、天大合编粘性流体力学基础陈矛章粘性流体力学章梓雄、董曾南 清华大学出版社粘性流体力学怀特 魏中磊译 机械出版社流体力学吴望一、周光垌流体力学张也影第一章 绪论和基本概念（图片和教学电影）第一节 工程流体力学的研究对象、任务和方法理论流体力学：偏重数理分析，属基础科学范畴。工程流体力学：着眼于工程应用，属应用科学范畴。方法：1. 理论方法：适当的假定、理论模型、数学工具求解。 2. 实验方法：实验模型推测实际。 3. 计算方法：模拟数值解。第二节 流体质点与连续介质概念一、 流体的物理属性流体（液体和气体统称流体）的三个基本属
2、性：1 由大量分子组成；2 分子不断作随机热运动；3 分子与分子之间存在着分子力的作用。 流体的两个特点：1 流体不能承受拉力；2 流体在宏观平衡状态下不能承受剪应力。 总称为流体的易流动性。二、 流体质点的概念(理论模型之一) 定义：流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。 三、 连续介质的概念(理论模型之二) 第三节 流体的密度、比体积和相对密度表征流体质量的几个基本概念。 均质流体的概念：空间上质量分布是均匀的，但流体密度和比体积可以随温度和压强而变化。流体的密度、比体积两者关系：相对密度：物体质量与同体积4蒸馏水质量之比。无量纲数。第四节 流体的压缩性和膨胀性一、 气
3、体压缩性和膨胀性的方程表示 理想气体的状态方程： p, 是绝对压强，Pa，二、 流体压缩性和膨胀性的系数表示：1. 流体的体胀系数（图12） 物理意义：当压强不变时，每增加单位温度所产生的流体体积相对变化率。2. 流体的压缩率（图14） 物理意义：当温度不变时，每增加单位压强所产生的流体体积相对变化率。 气体的等温压缩率： 注：压强越高，气体的等温压缩率越小，压缩越困难；反之。压强较低时，气体比较容易压缩。3. 流体的体积模量 三、 不可压缩流体的概念：等温压缩率和体胀系数完全为零的流体。 特点：密度、比体积和相对密度均为常数。第五节 流体的粘性一、 粘性概念（图示）（采用kankan1.pp
4、t中46）二、 牛顿内摩擦定律（图示1-9）三、 粘度：1. 定义和单位。 2. 变化规律四、 理想流体的概念五、 应用举例（可图示1-14，15，16）第二章 管中流动四部分：第一节 雷诺实验一、 临界速度与临界雷诺数 （动画01、02、03）二、 层流湍流的形成原因 （图见教材（52）与粘性力和惯性力的关系。三、 水力直径 A：过流断面面积； S：过流断面上流体与固体接触的湿周长。四、 管中层流湍流的水头损失规律层流区 ： 湍流区: （m1） 第二节 圆管中的层流一、 分析层流运动的两种方法1. 第一种方法根据圆管中层流的数学特点对N-S方程式进行简化，定常不可压缩完全扩展段的管中层流具有
5、如下五方面的特点：1) 只有轴向运动2）定常、不可压缩3）速度分布的轴对称性4）等径管路压强变化的均匀性5）管道中质量力不影响其流动性能： 2. 第二种方法：受力分析法 引入牛顿内摩擦定律得： 二、速度分析与流量 三、平均速度和最大速度 ; 四、切应力分布 五、动能与动量修正系数六、沿程损失 1）压强损失 2）水头损失 由 得 3）功率损失 七、层流起始段第三节 圆管中的湍流一、时均流动与脉动二、混合长度理论两层之间的切应力为： （雷诺切应力） ：湍动粘度三、管中湍流的切应力分布和速度分布1）粘性底层、水力光滑管与水力粗糙管粘性底层厚度：2）速度分布在粘性底层：在湍流核心： 第四节 管路中的沿
6、程阻力 ，一、尼古拉兹（Nikuradse）实验 1. 层流区：2. 临界区：3. 光滑管湍流区：4. 过渡区：柯列布茹克（Colebrook）公式：5. 粗糙管湍流区： 二、莫迪图55不同管道的（当量）粗糙度值管道材料管道状态(mm)管道材料管道状态(mm)铸铁管镀锌铁管玻璃、有色金属管橡胶软管陶土排水管新的镀沥青 新的无镀复层早已使用过新的旧的新的一般情况0.120.301.00.150.50.0010.010.030.450.60水泥管无缝钢管焊接钢管铆合钢管新的预应力混凝土制新的离心浇制使用过新旧新的中等生锈陈旧大量污垢简单铆合加强铆合0.030.200.500.0150.200.06
7、0.501.03.00.53.09.0第五节 管路中的局部阻力 为局部损失系数一、几种常用的局部阻力损失系数1. 突然扩大： ; 2 逐渐扩大：3. 逐渐缩小 4. 突然缩小 5. 管道的进出口6. 弯管与折管 表5-9 弯管局部损失系数（）0.10.20.30.40.50.60.70.80.910.1320.1380.1580.2060.2940.4400.6610.9771.4081.9787. 三通接头 表5-10 三通接头的局部阻力系数三通0.11.31.33三通0.150.050.538. 闸板阀与截至阀 折管圆形1020304050607080900.040.10.20.30.40
8、.550.70.91.1矩形15304560900.0250.110.260.491.20 截止阀(cm)15202530354050606.55.54.53.53.02.51.81.7 蝶阀5101520253035400.240.520.901.542.513.916.2210.84550556065709018.732.658.8118256751 闸阀全开时（即）(mm)152050801001502002501.50.50.40.20.10.08各种开度时开度Mmin1/81/43/81/23/4112.51/24506022112.21.0193/431040125.51.10.2
9、8251230329.04.20.900.23403/2170237.23.30.750.18502140206.53.00.680.16100491165.62.60.550.14150674145.32.40.490.12200866135.22.30.470.103001256125.12.20.470.07 9. 液压附件二、水头损失的叠加原则 一条管道上的总水头损失，为管道上的所有沿程损失与局部损失的算术加法求和。1） 称为管路的总阻力长度2） 称为管路的总阻力系数。第六节 管路计算通常在工程上遇到的管道计算问题有以下三种情况：1） 已知所需的流量和管道尺寸、，计算压降或确定所需的供
10、水水头。2） 已知管道的尺寸、及水头或允许的压降，确定实际可以获得的流量。3） 已知所需的流量和实际具有的作用水头，并给定管长，计算管径。一、短管计算 短管计算中应包括沿程损失、局部损失和出流的速度水头。 二、管路特性： 串联管路： K=K1+ K2+ K3并联管路： 三、长管计算 长管计算，运用阻力综合参数可以使计算过程简化。第三章 孔口出流第一节 薄壁孔口出流 薄壁孔口定义：l/d2一、孔口出流公式 孔口收缩系数： Cv为孔口的流速系数Cq为孔口流量系数, 二、孔口出流系数 出流系数指标志孔口出流性能的参数，如流速系数、流量系数 、收缩系数与阻力系数等。 三、大孔口的出流公式收缩系数：出流
11、速度：流量公式：流速系数：流量系数：第二节 厚壁孔口出流（图66） 厚壁孔口：一、厚壁孔口出流公式 孔口内收缩 Cv为孔口的流速系数， Cq为孔口流量系数, 二、厚壁孔口出流系数 总阻力系数 Cv0.82, Cc=1, Cq=0.82.三、孔口与管嘴出流性能的比较 第三节 孔口及机械中的气穴现象 第四章 缝隙与边界层流动第一节 平行平面缝隙与同心环形缝隙（图71至75）一、速度分布规律 定常、连续、不可压缩、忽略质量力，N-S方程简化为： 边界条件：二、切应力与摩擦力三、流量与无泄漏缝隙 四、功率损失与最佳缝隙 五、压差流与剪切流（表71）第四章 边界层理论（图片和教学电影）第一节 边界层概念(1) 紧贴壁面非常薄的一层，该薄层内速度梯度很大，这一薄层称为边界层。(2)边界层以外的流动区域，称为主体区或外流区。该区域内流体速度变化很小，流体流动可近似看成是理想流体流动。附面层内流体的流动和管内流动一样，也可以有层流和湍流两种流态。流体流过光滑平板时，边界层由层流转变为湍流发生在Rec=21053
