流体力学第一章ppt课件.ppt
流体力学,Fluid Mechanics,一 流体力学与实际工程技术,二 连续介质假设,三 流体的性质,四 作用于流体上的力,第一章 绪 论,一、研究对象:流体(fluid),包括液体和气体。,特性：流动(flow)性,-流体力学与工程技术,流体遵循牛顿的力学定律、质量守恒定律和能量守恒定律等。,航空 空气动力学,幻影2000,二 流体力学与工程技术,一架经改装的波音747搭载“发现号”航天飞机,超高速气体动力学物理化学流体力学稀薄气体力学,从航天飞机上看到的太空站,造船 水动力学 船舶流体力学,排水量达50万吨以上的超大型运输船,航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇,时速达200公里的新型地效艇等,三峡水利枢纽,水利、土建工程 水力学,环境流体力学,生物流变学,毛细血管流动,渗流力学,物理-化学流体动力学,多相流体力学,按流体作用力的角度分类:流体静力学流体运动学流体动力学,按力学模型分类理想流体动力学粘性流体动力学不可压缩流体动力学可压缩流体动力学非牛顿流体力学,三 流体力学的研究方法,1实验2理论分析3数值计算,包括：湍流 非定常流动 非线性水波 旋涡理论 交叉学科 有关各种实验设备和仪器等。,四、流体力学的展望,根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性研究,更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。,-连续介质模型,1.连续介质模型引入：流体分子之间不连续、有间隙。,2.流体质点(或称流体微团):忽略尺寸效应但包含无数分子的流体最小单元。,3.连续介质模型：流体由流体质点组成，流体 质点连续的、无间隙的分布于整个流场中。,一、流体的密度和重度,1.密度（density）,均质流体，密度为常数,2.重度(gravity),-3 流体性质,水的重度为,密度和重度之间的关系为：,海水：1020kgm3，9996/m3；,气体在高速流动时，密度与流场中的压力和温度有密切的关系:即f（p，）。,气体密度的变化非常小的流动，可将气体作不可压缩流体处理。,空气：1.226 kgm3，12/m3。,1.牛顿平板试验,剪切力（粘性力、内摩擦力）,二、流体的粘性,剪切应力（粘性应力、内摩擦应力）：单位面积上的剪切力,讨论:对于此种线性速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？,2.牛顿内摩擦定律,讨论:对于此种速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？,3 流体的粘性系数,（1）动力粘性系数Dynamic viscosity物理常数,NSmas,（2）运动粘性系数,Kinematic viscosity,(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成,4.粘性产生的原因,四、真实流体和理想流体,米秒,粘性系数：与流体物性有关的物理常数,运动粘性系数：,与温度、压力的关系,压力的变化对的影响不大,Ns2帕秒as,气体：温度上升，升高液体:温度上升，下降,牛顿型流体：如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯,非牛顿型流体：,真实流体和理想流体,真实流体与理想流体的主要差别：,（1）流体运动时，真实流体相互接触的流体层之间有剪切应力作用，而理想流体没有；,（2）真实流体附着于固体表面，即在固体表面上其流速与固体的速度相同，而理想流体在固体表面上发生相对滑移。,流体的其它属性,一、流体的压缩性,定义：温度不变，流体的体积随压强增加 而缩小为流体的压缩性。,是指温度不变时压强增加一个单位所引起的流体体积相对缩小量，即,称为体积摸量,E的值越大表明流体越不易压缩,温度为15oC时，通常可取水的值为19613105a。,因为,所以,二、流体的膨胀性,定义：压强不变，流体的体积随温度增高而 增大，称为流体的膨胀性。,通常用体积膨胀系数表示。是指压强不变时温度增加一个单位所引起的流体体积相对增大量，即,或称温度膨胀系数,三、液体的汽化和空化,若液体的压力小于大气压力，或温度升高时，部分溶解与液体中的气体会形成气泡,若液体的压力小于汽化压力时，液体本身会汽化形成局部孔穴的气泡。,这些局部气泡随流体运动，会产生破裂或聚并，破裂的气泡会产生很大的动量冲量，若这现象发生在物面附近，将对材料形成严重的剥蚀作用。,-4 作用于流体上的力,1.质量力（体积力）,重力场，有,，,单位质量力:,其大小与流体质量（或体积）成正比的力，称为质量力。例如重力、电磁力以及惯性力等均属于质量力。,作用于点处单位面积上的法向力和切向力为:,2.表面力,静止流体的压力沿作用面的内法线方向,特性一,一、流体静压特性,-5 流体静压特性及静止流体中压力变化规律,特性二,静止流体中任意一点的压力与作用面的方向无关，只是该点的坐标函数。,静止液体中有一平板，平板的轴位于O点，平板绕O轴旋转，O点深度不变故不管平板转到什么方位，在O点处的压力仍然保持不变。,不同点的压力不相等，压力是空间坐标的连续函数。即：p=p(x,y,z)。,证明：,取体积为dxdydz的微分四面体，各坐标面和斜面上的平均流体静压力分别为：,若cos（n,x）、cos（n,y）、cos（n,z）分别代表与x、y、z 方向余弦。则在 Pn,则 pn 在 x、y、z方向的投影分别为：,质量力为：,平衡方程,即,同理,当dx、dy、dz0时，四面体趋于一点，即：,对于静止流体中任意两点A，B，若已知A点的压力，则,这便是静止流体的基本方程式,二、静止流体中压力的变化规律,pB=pA+h,（3）自由面上压力改变，若液体仍能保持静止，则液体内部任意一点的压力将发生相同的变化。,（2）压力随深度线性增加,（1）同一种流体中，深度相同的面为等压面。,静止流体压力分布规律的几个特性,俗称表压,P相=P绝 Pa,(2)相对压力P：以大气压为基准计算计的压力，其值即为绝对压力超过当地大气压的数值。,(1)绝对压力：以绝对真空为基准计算的压力。,工程上压力的几种表示方法,压力的单位及测量,(3)真空压力,P真=Pa P绝,常用的压力单位,1）际单位制（SI）：Nm 或 Pa。1 Pa Nm,）大气压：标准大气压、工程大气压。标准大气压 Patm=1.013105 Pa=760汞柱=10.33水柱,）液柱高：长度单位，如水银柱、水柱等。,工程大气压 Pata=kgf/cm2=0.981105Pa=0.968atm,例1.1 两平行平板间充满液体，平板移动速度0.25m/s，单位面积上所受的作用力2Pa(m)试确定平板间液体的粘性系数。,解：,牛顿内摩擦定律得:,y0.5mm。故,例1.2 滑块从斜面滑下，底面积为10mm10mm,其质量为30kg，其间底油膜厚度为0.01cm,当滑块底速度恒定为1m/s时,试求油底粘性系数。,解：由牛顿第二定理和牛顿内摩擦定律有：,mgsin=du/dyA,得：1.471（N.s/m2）,例1.3 轴与同心轴套的间隙中充有牛顿流体，500轴向力作用于套管，使套管的移动速度为m/s。若作用力增加到1500，求套管的移动速度。设粘性系数不变。,解：设粘性系数为，液膜厚度为 由于轴套固定，故=-=1m/s,由牛顿内摩擦定律：,即得,当1500时：,即套管的移动速度为 u=3m/s,
