第第1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 第第2 2章章 流体静力学流体静力学 第第3 3章章 流体动力学基础流体动力学基础 第第4 4章章 相似原理与量纲分析相似原理与量纲分析 第第5 5章章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失 第一章 绪 论 第一节 流体的概述 第二节 流体的主要物理性质 第三节 作用在流体的力 什么是流体？ 第一节 流体的概述 流体 指具有流动性且自身不能保持一定 形状的物体，如气体和液体。 一. 流体的定义 固体：有固定的平衡位置，具有一定的体积， 一定的形状。 二. 流体的特征（或物理属性）： 1.流动性： 2.连续性： 是流体区别于固体的根本标志。 气体的流动性大于液体； 静止流体不能承受拉力； 流体在平衡状态下不能承受剪切力。 没有固定的形状，液体的形状取决于 盛装它的容器；气体完全充满容器。 设流体由很多个流体微团（质点）组成，流体微团 之间没有缝隙。 即假设流体是各向同性的连续介质(理论模型)。 有无固定的 体积积？ 能否形成 自由表面？ 是否容易 被压缩压缩 ？ 流体 气体无否易 液体有能不易 呈现流动性？ 流体固体 液体、气体与固体的区别 二. 流体的特征 流体质点的理论模型： 1）质点的宏观尺寸非常小，即limV0 ； 2）质点的微观尺寸足够大； 3）质点是一个物理实体； 4）质点的形状可任意划定，以做到质点之间 无缝隙。 2.连续介质假设 个分子 1mm3空气 ( 1个大气压，00C) 二. 流体的特征 2）流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一 切特性可看成是时间和空间连续分布的函数。 1）流体介质是由连续的流体质点所组成，流体 质点占满空间而没有间隙。 2.连续介质假设 连续介质的内涵： 二. 流体的特征 连续介质假设的使用条件： 只有当考虑的现象具有比流体分子结构尺度大 得多的尺度时才成立。 例如研究高空稀薄气体中的物体运动时，稀薄 气体不能视为连续介质；血液在微血管中运动时， 血液不能当作连续介质，而在动脉血管中流动时可 视为连续介质。 连续函数： 在连续介质中，流体质点的一切物理量都是坐标与 时间变量的函数，称为连续函数。 如 p，v，a，f（x，y，z，t） 2.连续介质假设 二. 流体的特征 三. 流体力学的研究内容 流体力 学分类 理论流体力学（流体力学） 应用流体力学（工程流体力学） 工程流体力学 研究流体静止和运动的力学规律及 其在工程技术上的应用的一门学科。 力学 流体力学（水力学）的学科性质 研究对象 力学问题载体 宏观力学分支 遵循三大守恒原 理 流体力学 水力学 流体 水力学 强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用 土建类专业常用 流体力学的主要研究内容 固定边界：水工 建筑物、河床、 海洋平台等 运动边界：飞 机、船只等 研究内容 流体在外力作用下，静止与运动的规律； 流体与 固体（边界）的相互 作用。 流体力学的使用领域 空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运 动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和 工程领域有着广泛的应用。 流体力学 海洋 水利 航空航天 交通运输 环境 气象 石油化工 机械冶金 生物 航天航空工业 （空气动力学） 造船工业 （水动力学） 深潜达数百米的核动力潜艇； 石油化工工业 单价超过10亿美元， 能抵御大风浪的海上采油平台； 电力工业 水电站、火电站、 核电站、地热电站 机械工业中 涧滑、冷却、液压传动 汽轮机叶片 水轮机 水利工程 水资源运用、泄洪消能、 河道整治 土建工程公路与桥梁工程 路基的沉陷、崩竭、滑坡、 桥梁、涵洞、倒虹 吸管和透水贻堤的修建等 杨浦大桥 大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁 等的设计和建造离不开水力学和风工程。 杨浦大桥 21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流 体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和 生活质量的提高。 全球气象预报； （卫星云图） 环境与生态控制； 灾害预报与控制； 火山与地震预报； 发展更快更安全更舒适的交通工具； 各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污 染等等。 流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天 文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉 中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。 毛细血管流动 赵州桥（公元591年至599年） 南北大运河（隋朝公元587年至610年） 拱背的4个小拱， 既减压主拱的负载， 又可宣泄洪水 大部分竞技体育项 目与流体力学有关 30 流体力学的研究方法和使用领域 一.流体力学的研究方法 理论分析、实验研究和数值计算三种方法相互结合，是 互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。 基本假设 数学模型 解析表达 模型试验 量测数据 换算到原型 数学模型 数值模型 数值解 理论分析 实验研究 数值计算 方 法优 势局 限 理论分析 对流动机理解析表达 ，因果关系清晰，有较 好的普适性。 受基本假设局限，且数 学难度大，少数情况下才 有解析结果。 实验研究 直接测量流动参数， 解决实际的复杂问题， 找到经验性规律，并起 检验作用。 成本高，对量测技术要 求高，不易改变工况，存 在比尺效应，普适性差。 数值计算 扩大理论求解范围， 成本低，易于改变工况 ，不受比尺限制。 受理论模型和数值模型 局限，仍是近似方法，存 在计算误差。 三种研究方法的对比 一.惯性 第二节 流体的主要物理性质 ：重度或容重 单位：N/m3 ，或 kN/m3 单位： kg/m3 熟记： 以密度来衡量 三.压缩性压强增大使体积减小的性质 单位：m2/N，Pa-1 可压缩流体 不可压缩流体 ：密度为变量，即= (x,y,z,t) ：密度为常数，即=C 注：通常情况下，液体为不可压缩流体， 气体为可压缩流体。 压缩系数： 特 例 水击现象,液压冲击,水中爆炸波的传播等问题。 在低温,低压,低速条件下,隧道施工,运营通 风,气体输送,烟道流动等问题。 - 液体为可压缩流体 - 气体为不可压缩流体 21 膨胀性温度升高使体积增大的性质 膨胀系数：单位：/，/K 气体状态方程： VV-V pp+p 牛顿在自然哲学的数学原理(1687)中指出： 相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力。 库仑实验(1784) 库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。 三.粘性 粘性定义 流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力 （内力/粘性力）以反抗相对运动的性质 粘性特性 粘性是流体抵抗变形的能力， 是流体的固有属性， 是运动流体产生机械能损失的根源 二.粘性 拉力T与接触面积A、 速度梯度 成正比，即 或 上两式均称为牛顿内摩擦阻力定律。 牛顿内摩擦定律 二.粘性 实验测得： 牛顿内摩擦阻力定律适用于空气、水、石 油等大多数流体。 凡符合这一定律的流体称为牛顿流体，不 符合的流体为非牛顿流体。 流变图（流变曲线） 理想流体 （无粘性流体）: =0 实际流体 （粘性流体） : 0 牛顿内摩擦阻力定律 二.粘性 当h很小时，阻力定律可写为 ， 即速度为线性分布。 速度分布图形不同时，剪应力分布也不同 。 抛物线分布 u 直线分布 u 二.粘性 动力粘滞系数。 N.s/m2 ；Pa.S 运动粘滞系数。 m2/S 1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m =0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m2 1m2/s = 104 cm2/s = 104 斯 T的影响较大，P的影响不大； 表征量粘度 反应粘性大小的一个物理量，与流体种类有关 单位换算 : 粘度的影响因素 : 二.粘性 容易解释为什么 是剪切 （角）变形速率，它表示流体 直角减小的速度。 满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体， 否则称为非牛顿流体。 角变形速率 二.粘性 分子间的内聚力 分子运动引起流 体层间的动量交换 液体 以此 为主 气体 以此 为主 形成牛顿 内摩擦力 物理机理 二.粘性 随着温度升高，液体的粘性系数下降；气体的 粘性系数上升。 今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。 运动粘性系数 具有运动学量纲。 注意 二.粘性 【例】一底面积为4550cm2，高1cm的木块，质量 为5kg，沿涂有润滑油的斜角为30的斜面向下作等 速运动，木块运动速度u=1m/s，油层厚度1mm，求 油的粘度。 【解】木块重量沿斜坡分力F 与切力T 平衡时，等速下 滑。由于油层厚度很小，速度分布可看成线性分布。 四.表面张力与毛细现象 表面张力在流体力学 中一般不予考虑，但对于 测压管会出现毛细管现象 ，对水深很浅的明渠水流 和堰流会有影响。 表面张力是由液体分子间的 力引起的，其作用结果使得自 由液面有明显承现球形的趋势 。 定义：沿液体表面作用着的使自由表面张紧的力称为表 面张力。液体表面张力的大小可以用液体表面单位长度 所受的拉力即表面张力系数来度量，单位是N/m。数 值较小，一般不考虑，只在自由液面尺寸很小时才考虑 。 两端开口的玻璃细管竖立在液体 中，液体会在细管中上升或下降h高 度，此现象为毛细现象。毛细管高度 h与管径d成反比，即玻璃管内径越小 ，毛细管上升高度就越大。 水 h 水银 h (a) (b) 当液固接触时，液体 表面的切面与固体壁在液 体内部所夹的角为接触角 。 水力学中的三个力学模型水力学中的三个力学模型 1、连续介质模型（continuum continuous medium model）： 不考虑水分子间隙。 把水视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一 种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的 连续函数的一种假设模型 优点： (1)排除分子运动的干扰 (2)可运用数学连续函数作为水运动分析的工具 2、理想液体模型： 不考虑水的粘度 3、不可压缩液体模型： 不考虑水的压缩性 把水视为没有粘性，即粘性系数为零，在分析问题的 过程中可以不考虑粘滞力的影响，可容易得到液体运动的 一些规律。然后再对粘性进行专门研究加以修正。 液体的压缩性与膨胀性都很小，在压强与温度变化不 大，可把液体看作不可压缩水。 第三节 作用在流体上的力 质量力： 作用在流体的每一个质点上，与流体 质点的质量大小成正比。 （如重力、惯性力、电场力） 以单位质量的质量力表示： fx、fy、fz为单位质量力在x、y、z三个方 向上的分量。 表面力： 作用在流体表面上，与作用面的 表面面积大小成正比。 （如压力、摩擦力） 以单位面积的表面力表示： p为压强 为剪切应力（摩擦应力） n 凡谈及应力，应注意明确以下几个要素： 哪一点的应力； 哪个方位作用面上的应力； 作用面的哪一侧流体是研究对象（表面力的受体），从 而决定法线的指向； 应力在哪个方向上的分量。 问题1：比较重力场（质量力只有重力）中，水 和水银所受的单位质量力f水和f水银的大小？ A. f水f水银； D.不确定 问题2：试问自由落体和加 速度a向x方向运动状态下 的液体所受的单位质量力 大