工程流体力学课件1章.ppt

工程流体力学 Engineering fluid mechanics（流体力学、工程流体力学、水力学）,选用教材:流体力学泵与风机（第五版）蔡增基主编 中国建筑工业出版社,2009,电子信箱：办公地点：工程楼B303 联系方式：QQ：45825352QQ群：193834690,主讲：李善军 副教授,工程流体力学课程的学习安排,从课程名称来讲工程流体力学，即流体力学在实际工程中的运用，其内容包括两部分：流体力学基础、流体机械（泵与风机）。,本课程共32学时，讲课26学时，实验6学时(3次实验)；,先修课：高等数学物理理论力学材料力学 工程流体力学（专业基础课）（以物理为基础，以力学为依据，以数学为工具）后续课：专业课程（液压传动）,1.内容简介,2.学时安排,3.课程的相关联系,4.参考资料,1 蔡增基等编.流体力学泵与风机（第五版）.北京：中国建筑工业出版社，20092 刘鹤年编.流体力学（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，20043 林建忠等编.流体力学（第二版）.北京：清华大学出版社，20134 罗惕乾编.流体力学（第三版）.北京：机械工业出版社，20075 日本机械学会编，祝宝山等编译.流体力学.北京：北京大学出版社，20136 E.Johm Finnemore,Joseph B.Franzini编著.流体力学及其工程应用（英文版.原书第10版）.北京：机械工业出版社，20137 闻建龙编.工程流体力学.北京：机械工业出版社，2011，流体中文网，中国流体力学专业委员会，中国水利国际合作与科技网，浙江大学国家工科力学教学基地，中国仿真互动,工程流体力学课程的学习要求,通过本课程的学习,1.掌握流体力学的基本理论，基本原理；,2.能运用流体力学的基本理论解决工程实际中的问题；,3.掌握流体力学的基本计算技巧，熟练运用“三大方程”（质量、能量和动量）进行实际工程的计算和设计；,4.了解水泵(风机)的类型、性能及结构特点；,5.掌握水泵(风机)各种性能参数(流量、扬程、功率)的计算；,6.能根据工程的设计要求进行水泵(风机)选型、安装和调节。,本课程学习的有关注意事项：,3）每小组设一名课代表，负责各班的作业和实验报告收发、考勤记载。,4）迟到者，前门报告，并说明原因，不得从后门进入。,2）作业和实验报告100分，每少交一次扣10分；考勤和课堂表现100分，迟到一次扣5分，缺勤一次扣10分，主动回答问题或者指定回答问题正确奖励5分。,1）作业和实验报告20%，考勤和课堂表现20%，结业考试60%。,5）允许自修，写申请，最终分数以考试分数为准。,工程流体力学Engineering fluid mechanics,第六章 离心泵与风机的理论基础 2,第七章 离心泵与风机的性能 2,第一章 绪论 2,第二章 流体静力学 6,第三章 一元流体动力学基础 6,第四章 流动阻力和能量损失 4,第五章 孔口管嘴管路流动 4,一、物质的三态,在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。,流体和固体的区别：从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。,应用流体力学的概念及发展历史,流体与固体不同的是：流体具有流动性。即流体的基本特征就是流动性。,固体存在抗拉、抗压和抗剪三个方面能力；流体抗拉和抗剪能力很弱，但是抗压能力很强。,流体的流动性使它便于管道或渠道运输，适宜作供热和供冷的工作介质。,结合流动性和抗压能力强，可以用其进行液压或气压传动。,流体的特征,1.气体易于压缩，而液体难于压缩；2.液体有一定的体积，气体能充满任意形状的容器，无一定的形状。,液体和气体的共同点：两者均具有易流动性，故二者统称为流体。,液体和气体的区别：,实验流体力学,现代流体力学,二、流体力学的发展历史,古典水动力学（流体力学）,古老的提水工具-水车,都江堰（公元前256前251）以灌溉为主，兼有防洪、水运、城市供水等多种效益,由鱼嘴（分水工程）、飞沙堰（溢流排沙工程）和宝瓶口（引水工程）三大主体工程组成的无坝引水枢纽,二滩水电站,混凝土双曲拱坝为抛物线形，最大坝高240米，是中国已建成的最高坝，同类坝中居世界第三位；,葛洲坝水电站,三峡水电站,京杭大运河 西气东输 南水北调,XP,Xi,升力,阻力,飞机舵机液控制系统上应用,pS,飞机舵机,指令位移,舵机位移,XP,XV,导流罩=包围潜艇外部设备的一种流线型外壳，用以减小航行的阻力。,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（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、伯努利第四阶段（19世纪末以来）：流体力学飞跃发展,流体力学的发展历史,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段,公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）公元前300多年 李冰都江堰公元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,1586年斯蒂芬水静力学原理1650年帕斯卡帕斯卡原理1612年伽利略物体沉浮的基本原理1686年牛顿牛顿内摩擦定律1738年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分 方程,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（实验）,工程技术快速发展，提出很多经验公式1769年谢才谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托比托管（测流速）1797年文丘里文丘里管（测流量）理论1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,理论分析与试验研究相结合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,三、应用流体力学的概述,应用流体力学是一门讨论研究液体及气体平衡和机械运动规律及其实际工程应用的一门技术学科。,流体静力学：研究流体处于静止状态下的力学规律；流体动力学：研究作用于流体上的各种力和运动之间的关系 以及流体的运动特性及能量等问题。,机械类流体力学：机械、冶金、化工、水力机械水利类流体力学：水工、水动、海洋土木类流体力学：土建、市政、工民建、道桥、城市防洪,应用流体力学的概念,流体力学分类,流体力学的内容,2.在市政工程中的应用 如桥涵孔径设计、给水排水 系统、隧洞通风与排水等。,1.在土建工程中的应用 如路基排水、地下水渗透等。,3.城市防洪工程中的应用 如堤、坝的作用力与渗流 问题、防洪闸坝的过流能力等。,四、流体力学的应用,4.机械工程的应用 如水压机、液压打桩机、挖掘机等。,工厂流体输送管道,在化工厂，有很多输送流体的管道。它们排列整齐，还有编号。一般水管都涂成绿色，蒸汽管涂成红色，原料管涂成黄色等等。,2.潜艇外形设计。,1.飞机为什么能飞？,3.船吸现象。,五、流体力学现象分析,4.机械工程的应用 如水压机、液压打桩机、挖掘机等。,第一章 绪 论,11 作用在流体上的力,12 流体的主要力学性质,13 流体的力学模型,1.流体的主要力学性质（特别是粘滞性）；2.作用于流体上的力（质量力，表面力）；3.牛顿内摩擦定理（公式的物理意义，公式中各项的意义）,本 章 重 点,1.流体的基本特征和主要力学性质；2.作用于流体上的力；3.牛顿内摩擦定理,本 章 难 点,11 作用在流体上的力,2.按作用方式分：,分 类,1.按物理性质的不同分类：,重力、摩擦力、惯性力、弹性力、表面张力等。,质量力和面积力（表面力）。,设X、Y、Z为单位质量力在x、y、z 轴向的分力，即：,可见：质量力与加速度相关联。,一、质量力（Mass Force）：,定义：作用于流体的每一个质点(或微团)上的力,它的 大小与质量成正比。,单位质量力F：单位质量流体所受到的质量力。流体是连续分布的，研究的区域可能为无穷大，因此质量力常用单位质量力来表示。单位质量力等于质量力所引起的加速度。,当流体所受的质量力仅只有重力时，G=mg，此时重力与重力加速度相关联。g=G/m。,最常见的质量力有：重力、惯性力（直线运动和离心）,单位质量力的因次（量纲）：L/T2L-长度，M-质量，T-时间,X=Gx/m=0，,设重力在各轴相的分力为Gx、Gy、Gz，则单位质量力的轴向分力为:,Y=Gy/m=0，,Z=Gz/m=-g,p2(1-1-2),二、表面力(Surface Force)又称面积力；,定义：作用于流体表面上的力,与作用的表面积大小 成正比。,压力（拉力）、切力,法向力：垂直于流体表面 P=pA 切向力：与流体表面相切 T=A,表面力包括法向力和切向力；,A,A,表面应力：单位面积上的表面力，法向力和切向力,单位：N/m2,Pa,正应力、法向应力或压强,p3(1-1-4),切应力,因次（量纲）：M/LT2 Pa,1.静止的流体受到哪几种力的作用？,2.理想流体受到哪几种力的作用？,3.仅有重力作用的静止流体的单位 质量力为多少？,X=Y=0，Z=-g,重力与压应力，无法承受剪切力。,重力与压应力，因为无粘性，故无剪切力。,非理想流体呢？,理想流体是一种没有黏性的液体，是一种理想模型。,12 流体的主要力学性质,一、惯性,二、重力特性,三、粘滞性,四、压缩性和热胀性,五、表面张力特性,一、惯性,惯性是物体维持原有运动状态的能力的性质。表征某一流体的惯性大小可用该流体的密度。,流体的密度，kg/m3；m 流体的质量,kg；V 该流体的体积，m3。,密度(Density)：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3,均质流体内部各点处的密度均相等：,p3(1-2-2),p3(1-2-1),二、重力特性,流体受地球引力的特性，称重力特性，用容重表示。,流体的容重，N/m3；G 体积为V的流体所受的重力，N；V重力为G的流体体积，m3。,因为 G=mg,则=g；p4(1-2-5),容重(Specific Weight):指单位体积流体的重量。单位:N/m3,均质流体内部各点处的容重均相等：,p4(1-2-4),p4(1-2-3),比重(Specific Gravity):是指液体密度与标准纯水的密度之比;,液体的比重,比容(Specific Volume)：指单位气体质量所具有的体积。=1/（m3/kg）,气体的比容,（增加内容）,水的密度和容重：=1000kg/m3；=9807 N/m3；汞的密度和容重：Hg=13595kg/m3；Hg=133326 N/m3；干空气在温度为290K，压强为760mmHg时，a=1.2kg/m3；a=11.77 N/m3；,三、粘滞性,定义：流体对各质点相对运动表示抵抗的性质。它只有在运动时才表现出来。流体的粘度：是由流动流体的内聚力和分子的动量交 换所引起的。,流体在管中流动的例子见教材p4,内摩擦力,粘性：即在运动的状态下，流体所产生的阻抗剪切 变形的力。,1）与两流层间的速度差(相对速度)du成正比，和流层间距离dy成反比；2）与流层的接触面积A的大小成正比；3）与流体的种类有关；4）与流体的压力大小无关。,由此可见内摩擦力T 的大小：,牛顿内摩擦定律,由于各流层的速度不同各质点间就产生相对运动，从而产生内摩擦力以抵抗相对运动。此内摩擦力称粘滞力。,粘滞力T的大小用牛顿内摩擦定理(液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比)求得，即：,单位面积上的内摩擦力称切应力以 表示，即：,p5(1-2-6),p5(1-2-7),1）的物理意义；值的大小表征粘滞性的强弱。（du/dy=1,=)当流体静止时，du/dy=0,则=0 有时也用运动粘滞系数来描述，即:,关于粘滞系数(又称动力粘度,动力粘性系数)：,(cm2/s),水的运动粘度 通常可用经验公式计算：,2）的单位；国际单位制 Pa s(N s/m2)；工程单位制（kgf s/m2）的单位:(m2/s)-（cm2/s 斯托克斯 St）与力无关，只具有运动学要素，故称为运动粘度。流体的流动性是运动学概念，所以常用运动粘度。,3)温度对粘度的影响；液体的粘滞性随温度升高而减小，气体的粘滞性随温度升高而增大。,注意：当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。见p6(表11，表12),不同温度下水的物理性质表,牛顿流体(Newtonian Fluids):是指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。（满足牛顿内摩擦定律，如水和空气）,牛顿流体、非牛顿流体,非牛顿流体：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。（如泥浆、污水、油漆、石油,泥浆,纸浆,油墨,牙膏、番茄浆,蛋清,菜汤、化工有机溶剂等）,例1-1 如图1-2所示，汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96 cm，活塞的长度l=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油液的=0.1Pas，试问作用在活塞上的粘滞力为多少？,解,根据公式,求接触面积,作用在活塞上的粘滞力为：,由已知参数求流速梯度,压缩性流体受压，体积缩小，密度增大的性质。热胀性流体受热，体积膨胀，密度减小的性质。,四、压缩性和热胀性,流体的(可)压缩性(Compressibility):作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。压缩性可用体积压缩性系数 来量度。,气体的压缩性和热胀性,液体的压缩性和热胀性,液体的压缩性(Compressibility),用压缩性系数表示。即增加一个单位压力时所引起的密度的增加率。,1.液体的压缩性和热胀性,1）压缩性,P8(1-2-10),液体被压缩时，质量并不改变，即：,故体积压缩性系数又可表示为：,p8(1-2-11),体积弹性模量 E,液体的弹性模量(Bulk Modulus of Elasticity)以E表示，为压缩系数 的倒数。即：,与E 随温度和压强而变化，但变化甚微。,p8(1-2-12),液体的热胀性，用热胀系数表示，与压缩系数相反，当温度增加dT时，液体的密度减小率为-d/,即：,同理，热胀系数亦可表示为：,2）热胀性,p8(1-2-13),p8(1-2-14),水的压缩系数见p8;表13，水的容重及密度见表14。分析两表可知，（见教材第9页）水的热胀性和压缩性很小，一般可忽略不计。在特殊情况下(如水击、热水采暖等),才考虑其热胀性和压缩性。,2.气体的压缩性和热胀性,气体与液体不同，具有显著的压缩性和热胀性。在温度不太低，压强不过高时，气体密度、压强和温度之间的关系，服从理想气体状态方程。即：,式中:p 气体的绝对压强，N/m2；T 气体的热力学温度,K；T=273+t 气体的密度，kg/m3；R 气体常数,J/kg.K;对于空气 R=287;,p9(1-2-15),当温度不变的等温情况下，T=常数，RT=常数，则：,当压强不变的等压情况下，p=常数，p/R=常数，则：,p9(1-2-16),p10(1-2-17),在标准大气压时的空气容重和密度，见p10表1-5,例题见p10例1-2,例1-2 已知压强为1at(98.07KN/m2),0时的烟气容重为13.13 N/m3,求200时的烟气容重及密度,解：定压情况,由此可知：任何流体都是可压缩和膨胀的，只是压缩和膨胀的程度不同。,对于液体，压缩性和膨胀性很小，一般忽略不计；,气体虽可压缩与膨胀，但也须具体分析，工程中遇到的多数气体流动速度远小于音速，可当作不可压缩流体看待。对于气体速度接近或超过音速时，其密度不为常数，称可压缩气体。,流体的可压缩性和不可压缩性，取决于其密度是否为常数。,1、为什么水通常被视为不可压缩流体？,2、自来水水龙头突然开启或关闭时，水是否为不可压缩流体？为什么？,3、自来水水龙头关闭的情况下，若有滴 水，但此时水表可能不转，为什么？过了一段时间后，水表又会动一动，这又是为什么？,请 思 考,五、表面张力特性,内聚力(Cohesive Force):是分子间的相互吸引力。,附着力(Adhesion):是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。,表面张力(Surface Tension):由于分子间的吸引力，在液体自由表面上能够承受及其微小的张力。,气体不存在表面张力，因为其扩散作用，不存在自由表面。因此表面张力是液体的特有性质。对于液体，表面张力在平面上不产生附加压力，只在曲面上才产生附加压力。一般情况，表面张力的影响很小，可忽略不计。,表面张力动画,表面张力动画,表面张力系数：是指自由液面上单位长度所受到 的拉力的数值，单位为:N/m。,表面张力的大小，用表面张力系数 来度量。,毛细现象(Capillarity Phenomena):是指含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。,毛细现象,如果在一盛水或水银的容器中插入一直径为d的开口玻璃管，会看到玻璃管中液面呈下凹或上凸的弯月面。由于水的内聚力小于玻璃管壁的附着力，所以玻璃管中液面呈下凹的弯月面；而水银的内聚力大于玻璃管壁的附着力，玻璃管中液面呈上凸的弯月面。如图所示。,毛细作用的计算,对于水有：=5，=0.074N/m,对于水银有：=140，=0.514N/m,毛细高度：,1.为什么荷叶上的露珠总是呈球形？,2.一块毛巾，一头搭在脸盘内的水中，一头在脸盘 外，过了一段时间后，脸盘外的台子上湿了一大块，为什么？,3.为什么测压管的管径通常不能小于1厘米？,请 思 考,流 体 分 类,13 流体的力学模型,1.连续介质,2.无粘性流体（又称理想流体）,3.不可压缩流体,连续介质模型(Continuum Medium Model):不考虑液体的微观结构，而采用的一种代替微观结构的简化模型称为连续介质模型。,连续介质模型的建立与假设,液体的连续介质模型假设：液体物理量是空间坐标和时间的连续函数，但允许在孤立点、线、面上不连续。,微观：存在空隙及随机热运动；宏观：考虑宏观特性。,1.连续介质,2.无粘性流体(又称理想流体),一切流体都具有粘性，但在某些问题中粘性不起主要作用，则可忽略粘性的影响，建立无粘性流体模型。,考虑粘性影响的流体称为粘性流体，即实际流体就是粘性流体。,建立这样的模型是为了简化计算，有时当某些情况不能忽略粘性影响时，则先在无粘性的模型下得出规律或公式，再进行有粘性的修正，最后得出实际流体的计算公式。,3.不可压缩流体,任何流体都是可压缩的，同样，为了简化计算，不计其压缩性和热胀性，将密度视为常数，通常称为不可压缩流体模型。,对于气体，大多数情况也可采用不可压缩流体模型。但在某些情况下，速度接近或超过音速时，密度不再为常数，则不能采用不可压缩流体模型。,本课程主要研究不可压缩流体。,实际流体：指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形 的能力，即存在摩擦力，粘性系数 0。,理想流体：是指既无粘性又完全不可压缩的一种假想流体，即=0，在运动时也不能抵抗剪切变形。,不可压缩流体(Incompressible Flow):流体密度随压强变化很小以至于流体的密度为常数的流体。,可压缩流体(Compressible Flow):流体密度随压强变化不能忽略的流体。,流体的分类,1.根据流体受压体积缩小的性质：,2.根据流体是否具有粘性：,思 考 题,1.流体的主要力学性质有哪些？2.什么是流体的粘性？它对流体有何作用？3.动力粘滞系数和运动粘滞系数有何区别 及联系？4.何谓理想流体？何谓实际流体？5.何谓牛顿流体？何谓非牛顿流体？请你举例说明。,本章作业 p13；1-4,1-6,1-7,1-11。,