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重庆三峡学院土木工程学院 制作人 流体力学多媒体课件 第一章 绪论内容 n流体力学的范畴 n流体力学的发展 n流体的主要物理性质 n流体力学的范畴 流体力学的定义:是关于液体和气体的一门力 学学科,其基本原理与固体力学相同。 生活中的各个方面都涉及流体力学问题:水在 河里流动、建筑物的风压、水在地基中的流动 n 流体力学在土木工程中的应用 水利工程 江河海堤坝 水库大坝 水力电站 桥梁、涵洞、倒 虹吸管 n水利、建筑、路桥工程 基坑排水 地基抗渗稳定处理 围堰新建 n给水排水工程、环境工程 取水 水处理 输配水 n路桥工程 排水 地表水截水沟、边沟、排水沟、急流槽、跌水等 消能措施 地下水渗水暗沟、盲沟 跨越河流、沟渠 桥梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤 第一章 绪 论 学习要求: 1、了解流体的主要物理力学性质,理解易流动特性 和粘滞性,掌握牛顿内摩擦定律。 2、理解质量力和表面力,掌握其表示方法。 3、理解连续介质(质点的概念)、粘性流体、理 想流体、不可压缩流体、可压缩流体。 4、知道流体的研究方法。 流体力学发展简史 n第一阶段(16世纪以前):流体力学形成的萌芽阶段 n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 n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 n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 n公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅导滞(洪水归于河) n公元前300多年 李冰 都江堰深淘滩,低作堰 n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 n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 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 n1586年 斯蒂芬水静力学原理 n1650年 帕斯卡“帕斯卡原理” n1612年 伽利略物体沉浮的基本原理 n1686年 牛顿牛顿内摩擦定律 n1738年 伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程 n1775年 欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程 第四阶段(19世纪末以来)流体力学飞跃发展 n理论分析与试验研究相结合 n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 1-1 流体力学的任务及研究对象 液体与气体统称为流体。 本书主要研究以水为代表的流体的宏观运动和平衡 规律及其应用。 流体的基本特征:易流动、不易压缩、均匀等向的连续体。 各点性质相同 同一点上各方向性质相同 自然界物质的三种状态:固体、液体和气体 n 液体的基本特征 基本特征 流动性 u 固体 能保持固有形状和体积,可以承受拉 力、 压力、剪切力 u 液体 不能保持固有形状,流动性,可以承受 压力,不能承受拉力,运动的液体具有一定的剪切能 力,但静止的液体则不能抵抗剪切力。 气体 易于压缩 液体 不易压缩 1-2 连续介质假定(宏观上) 假定流体所占据的空间完全由流体质点所充满而没 有任何空隙的连续体。 优点: 避免了流体分子运动的复杂性,只需研究流体的宏观运动 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律 1-2 流体力学的研究方法 1 理论分析法 2 科学实验法 3 数值计算法 建立力学模型 建立数学方程 求解方程 实验验证 原型观测 模型试验 系统试验 研究方法 有限差分法 有限元法 边界元法等 如何学好流体力学 n1.认真听讲 n2.研读例题 n3.独立完成作业 (作业两周交一次,只用一个作业本) 作用在液体上的两种力 液体无论处于平衡或运动状态,都受到各种 力的作用。作用在液体上的力包括重力、惯性力 、粘滞力、压力、表面张力等,按力的作用方式 可以分为质量力(重力、惯性力)和表面力(粘 滞力、压力、表面张力)两类,这种分类是为了 便于进行液体运动受力分析,进而可以导出液体 平衡或运动状态下的基本关系式。 面力 质量力:体力 1-2 流体的主要物理力学性质 量纲物理量的种类。如:长度、时间、质量等。 一、易流动性 单位 量度物理量的基准。 量纲分为基本量纲和导出量纲 流体在静止时不能承受切应力和不能抵抗剪切变形 的性质称为流体的易流动性。 二、惯性(质量和密度) 惯性 物体保持原有运动状态的特性。 惯性的大小以质量来度量。 密度 单位体积流体所具有的质量,用符号表示。 密度的国际单位为:kg/m3。 物体中所含物质数量,称为质量。 对于液体,一般情况下,压强和温度对的影响极小。 惯性力 由流体惯性引起的对外界抵抗的反作用力。 F = Ma 通常取水的密度为:1000kg/m3。 三、重力特性(重量和容重) 容重 单位体积液体所具有的重量,用符号 表示。 容重的国际单位为:N/m3或kN/m3。 G = Mg 液体受地球引力的性质,称为重力特性。 式中:g 重力加速度,一般取 g = 9.8 m/s2。 = g 水的容重为:9.8103N/m3或 9.8kN/m3。 四、粘滞性 运动的流体具有一定的阻抗剪切变形的能力,这种 特性称为液体的粘性和粘滞性。 由于流体中存在粘滞性,运动流体需要克服内摩擦 力作功,因此它是流体在流动中产生能量损失的主要 原因。 静止时,流体没有抵抗剪切变形的能力,即流体具 有易流动性。 此处的内摩擦力就是粘滞力 粘性对流体运动的影响: 粘滞力: 式中: 单位面积上的内摩擦力,称为内摩擦切应力 动力粘滞系数,单位为:帕斯卡秒 流速梯度,即流速沿y方向的变化率 牛顿内摩擦定律 令:称为运动粘度 对牛顿内摩擦定理的几点说明: 1. 液体:温度越高,粘度越小;气体刚好相反; 物理意义:剪切变形速度; 粘度与压强和温度相关 2. 上式不是对所有的液体都适用,仅适用于牛顿流体; 3. 牛顿流体:在温度不变的条件下,粘度值不变的流体;凡是 满足上式关系的流体都是牛顿流体; 4. 水、空气、油类和水银等流体在一般温度下都是牛顿流体。 假设 没有粘性的液体(粘度 为0),成为理想液体。实际中不 存在理想液体,都是有粘性的。 表1-1 水的黏度与温度的关系 表1-2 空气的黏度与温度的关系 【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,求该流体的黏度。 【解】由牛顿内摩擦定律 由于两平板间隙很小,速度分布可认为是线性分布,可用增量 来表示微分 例题1-1 五、压缩性和膨胀性 压缩性 流体受压、体积缩小、密度增大的性质。 解除外力后又能恢复原状的特性,称为弹性。 液体的压缩性和弹性,常用压缩系数 和弹性系数 K来度量 。 式中:p 外加压强 压缩系数 (m2/s) K 体积弹性模量 (Pa) 越大,液体越易压缩。 膨胀性 流体受热、体积膨胀、密度减小的性质。 液体的热膨胀性用热膨胀系数表示。表示在一 定的压强下,温度升高一度,密度的相对减小率。 若液体的原体积为V,温度增加dT后,体积增加dV ,热膨胀系数为: 气体的可压缩性和热膨胀性 n气体具有显著的可压缩性,一般情况下,常见气 体的密度、压强和温度三者之间的关系,符合完 全气体状态方程 nR为气体常数,空气为287 J/kg.K 3. 不可压缩流体 n实际流体都是可压缩的,但是有很多流动,流体的密 度变化小,可以忽略。不可压缩流体是流体的每个质点 在运动全过程中,密度不变化的流体。 n液体在前面的表格中可以看到其压缩系数很小,可按 不可压缩流体处理。 n气体的可压缩性远大于液体,但是在土木工程中常见 的气流运动中,管道不很长,气流速度不大,气体在流 动过程中,密度也没有明显变化,仍可以作为不可压缩 流体看待。 六、表面张力特性 当液体与其它流体或固体接触时,在分界面上都产生表面张力 ,出现一些特殊现象,例如空气中的雨滴呈球状,液体的自由 表面好像一个被拉紧了的弹性薄膜等。 表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力,也称 为内聚力。 液体在表面张力作用下具有尽量缩小其表面的趋势。 表面张力的大小,用表面张力系数 度量。 单位长度的表面张力,称为表面张力系数,单位为:N/m。 表面张力系数 随液体种类和温度而变化。 表面张力是液体的特有性质。 液体在细管中能上升或下降的现象称为毛细现象。液体 在细管中上升或下降的高度与表面张力有关 毛细现象 水 水银 1-5 流体的力学模型和研究方法 一、流体力学模型 1、理想流体 2、不可压缩流体 实际流体与理想流体的区别在于有无粘滞性。 3、连续介质假设 绪论 小结 本章概述了有关流体力学研究对象和研究方法的一些基本概念 。 流体的基本特征是具有流动性。流体在静止时不能承受切力, 任何微小的切力作用,都使流体产生连续不断的变形,这就是 流动性的力学解释。 粘性是流体的内摩擦特性,或者说是流体阻抗剪切变形速度的 特性。在简单剪切流动的条件下,流体的内摩擦力符合牛顿内 摩擦定律,即 。 连续介质、理想流体和不可压缩流体概念。理想流体;均质不 可压缩流体,两者都是对实际流体物理性质的简化模型。 作用在流体上的力分为质量力和表面力两种
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