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1、第一章第一章流体力学与应用流体力学与应用Fluid mechanics流体力学流体力学: has to do with the behavior of fluid研究流体在外力作用下平衡和运研究流体在外力作用下平衡和运动规律的科学律的科学lFluid mechanics can be divided into two branches: fluid statics, fluids at rest, 流体静力学流体静力学 fluid dynamics, fluids in motion. 流体流体动力学力学v The fluid(water and coal gas) moves in the
2、pump, flow meter and the pipe etc., dynamics.vThe fluid is quiet in box, statics流体力学与科学技术之间的联系流体力学与科学技术之间的联系u航空与航海：航空与航海：飞机与轮船的飞机与轮船的外形、操纵性、稳定性外形、操纵性、稳定性u宇宙飞行器宇宙飞行器脱离和重返大气脱离和重返大气层层u石油化工、冶金、土建、混石油化工、冶金、土建、混凝土的凝土的输运输运u人体人体内血液的流动，内血液的流动，流体流动是本课程的基础流体流动是本课程的基础l流体输送：流体输送：l压强、流速、流量的测量：压强、流速、流量的测量：l为强化设备提供
3、适宜的条件为强化设备提供适宜的条件本章重点内容本章重点内容流体静力学方程及应用流体静力学方程及应用质量衡算和连续性方程质量衡算和连续性方程能量衡算和柏努利方程能量衡算和柏努利方程流动阻力与能量损失流动阻力与能量损失管路计算管路计算什么是流体什么是流体流流体体是是指指一一切切在在应应力力作作用用下下能能够够流流动动、没没有有固固定定形状的物体。形状的物体。气气体体与与液液体体，等等离离子子体体，膏膏体体（牙牙膏膏、熔熔融融的的橡橡胶塑料）、悬浮液（水煤浆）、胶体等。胶塑料）、悬浮液（水煤浆）、胶体等。1.1 流体基本性质流体基本性质1.1.1 连续介质假定连续介质假定1.1.2 流体的可压缩性流
4、体的可压缩性1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力1.1.5 压强压强1.1.4 质量力与密度质量力与密度1.1.6 剪切力与粘度剪切力与粘度1.1.1 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：工程意义：利用利用连续函数的数学工具连续函数的数学工具，从宏观研究，从宏观研究 流体。流体。1.1
5、流体基本性质流体基本性质 流体：液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中流体：液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中 1.1.2 流体的可压缩性流体的可压缩性 不不可可压压缩缩性性流流体体：流流体体的的体体积积不不随随压压力力变变化化而而变化，如液体；变化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。 描述流体可压缩性的参数：体积压缩系数描述流体可压缩性的参数：体积压缩系数 表面力表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力，：通过直接接触而作用于流体表面的力， 其大小与流体的表面积成正比。其大小与流体的表面积成正比。 压压 力：垂直于
6、表面的法向力；力：垂直于表面的法向力；剪切力剪切力：平行于表面的切向力。：平行于表面的切向力。压力压力剪切力剪切力1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 质量力质量力: 作用于流体每个质点上的力，其大小与流作用于流体每个质点上的力，其大小与流 体的质量成正比，如体的质量成正比，如重力、离心力重力、离心力等。等。一、密度一、密度 单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。kg/m3 二、单组分密度二、单组分密度 液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。1.1.4 质量力与密度质量力与密度 气体气体 当
7、压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算： 注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。三、混合物的密度三、混合物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 气体混合物中各组分的气体混合物中各组分的体积分数体积分数。 或或混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量； 气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分数。分数。 混合液体混合液体 假设
8、各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 液体混合物中各组分的液体混合物中各组分的质量分数质量分数。 四、四、比容比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。m3/kg 1.1.5 压强压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强。流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强。 uThe pressure at any point in the fluid is independent of direction. -forces at any given point in a static fluid must be the
9、same in all directionsPressure is a scalar quantity (标量、无向量标量、无向量)一、一、压强的单位压强的单位 SI制：制：N/m2或或Pa；或或以流体柱高度表示以流体柱高度表示 ：注注：用用液液柱柱高高度度表表示示压压强强时时，必必须须指指明明流流体体的的种种类类，如，如600mmHg，10mH2O等。等。 Head of Fluid m二、二、 压强的表示方法压强的表示方法 绝对压强绝对压强 以绝对真空为基准测得的以绝对真空为基准测得的真实真实压强值。压强值。 表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的以大气压为基准测得的相对相对压强值
10、。压强值。标准大气压的换算关系：标准大气压的换算关系：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O表表 压压 = 绝对压绝对压 大气压大气压真空度真空度 = 大气压大气压 绝对压绝对压绝对压绝对压 绝对压绝对压 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 大气压大气压 Pa例1-1某离心泵进出口真空表和压力表读数分别为220 mmHg和1.7kgf/cm2。若当地大气压强为760 mmHg，求它们的绝对压力(Pa)。p1 = 7.2 104 Pap 2= 2.68105Pa一、一、 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 或或Fuududy式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N；
11、 剪应力，剪应力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s； 比例系数，称为比例系数，称为流体的粘度流体的粘度，Pas 。 1.1.6 剪切力与粘度剪切力与粘度二、二、流体的粘度流体的粘度(viscosity)内摩擦力的产生：黏滞力或黏性摩擦力。流动性的反面：黏性； 粘度的物理意义粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生 单位速度梯度所需的剪应力。单位速度梯度所需的剪应力。运动的流体内部相邻流体层间，由于分运动的流体内部相邻流体层间，由于分子运动而产生的相互作用力称为内摩擦力。子运动而产生的相互作用力称为内摩擦力。内摩擦力产生的条件：内摩擦
12、力产生的条件：黏性内因速度差外因液体液体 :T 气体气体 : 一般一般T 超高压超高压p 粘度的物理本质粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。2. 粘度的单位粘度的单位SI制：制：Pas 或或 N.s/m2 kg/(ms)物理制：物理制：cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP10-3 Pas牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体，如水、空气粘性定律的流体，如水、空气非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体，如非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体，如 血液、牙膏血液、牙膏 流体的流变学流体的
13、流变学3.3.运动粘度运动粘度 粘度粘度与密度与密度之比。之比。m2/s数据获得数据获得： 查取：注意单位。共线图查取：注意单位。共线图 实验测定：？实验测定：？ 计算：主要用于混合液体。计算：主要用于混合液体。 三、理想流体与实际流体三、理想流体与实际流体 理想流体：理想流体：粘度为零粘度为零的流体；的流体；实际流体或粘性流体：具有粘性的流体。实际流体或粘性流体：具有粘性的流体。实际流体的重要物理性质实际流体的重要物理性质1.粘性2.可压缩性3.易流动性（在受到剪切力的作用下可产生形变）液体黏度共线图粘度的测量粘度的测量【例例1-11-1】图图1-21-2所所示示间间距距为为1 1m的的两两
14、个个平平面面间间充充满满某某种种润润滑滑油油，可可看看成成牛牛顿顿型型流流体体。要要把把一一块块面面积积为为0.4m2的的薄薄板板以以2020mmin-1-1的的速速度度在在油油中中拖拖动动，问问需需要要多多大大的的力力？已已知知润润滑滑油油的的粘粘度度为为0.0063Pas。解解:1 = 0.0063 (20 60) 0.33 = 0.00636Pa 2 = 0.0063 (20 60) 0.67 = 0.00313PaF1 = 1A = 0.9168 0.4 = 0.002547N F2 = 2A = 0.4728 0.4 = 0.00125N F = F1 + F2 = 0.00379N课后思考题（写在课堂练习本上）课后思考题（写在课堂练习本上）查阅资料，写出液体和气体粘度的测定查阅资料，写出液体和气体粘度的测定方法有哪些？方法有哪些？学习采用共线法查流体粘度的方法学习采用共线法查流体粘度的方法
