第01章流体力学绪论

1主讲：贾宝贤教材：流体力学教材：流体力学.王家楣等主编王家楣等主编.大连海事大学出版社大连海事大学出版社参考书：参考书：船舶流体力学船舶流体力学.夏国泽夏国泽 主编主编.华中科技大学出版社华中科技大学出版社流体力学流体力学.张亮、李云波编张亮、李云波编.哈尔滨工程大学出版社哈尔滨工程大学出版社周光坰周光坰.流体力学流体力学.上、下册上、下册 第二版第二版.高等教育出版社高等教育出版社余常昭余常昭.环境流体力学导论环境流体力学导论.清华大学出版社清华大学出版社 环境水力学环境水力学本讲课件网上获取方式：本讲课件网上获取方式：在百度中搜索：在百度中搜索：第第0101章章 流体力学绪论流体力学绪论在百度文库中下载在百度文库中下载封页封页2学习要求：学习要求：1.保证出席。保证出席。2.课堂上认真听讲，不做与本课程无关的事情，课堂上认真听讲，不做与本课程无关的事情，保证上课效率。保证上课效率。3.记好课堂笔记，提炼内容、感受、发现老师记好课堂笔记，提炼内容、感受、发现老师讲课中的问题，记录学习中遇到的问题。防讲课中的问题，记录学习中遇到的问题。防止上课溜号。止上课溜号。4.及时复习并与老师同学交流。及时复习并与老师同学交流。5.按时完成作业，自己独立完成。按时完成作业，自己独立完成。3内容提要内容提要1.绪论绪论2.流体静力学流体静力学3.流体运动学流体运动学4.理想流体动力学理想流体动力学 5.旋涡理论旋涡理论6.势流理论势流理论7.波浪理论波浪理论8.粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础 9.相似理论相似理论10.粘性流体的一元流动粘性流体的一元流动-管道流体力学管道流体力学11.边界层理论边界层理论12.机翼理论机翼理论41流体力学与实际工程技术流体力学与实际工程技术2 2连续介质假设连续介质假设三三 流体的性质流体的性质四四 作用于流体上的力作用于流体上的力第一章第一章 绪绪 论论绪论绪论51-1流体力学与工程技术流体力学与工程技术-流体力学与工程技术流体力学与工程技术一、研究对象一、研究对象:流体流体(fluid),(fluid),包括液体和气体。包括液体和气体。特性：特性：流动流动(flow)(flow)性性 流体遵循牛顿的力学定律、质量守恒定律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。和能量守恒定律等。流体流体F固体固体F6幻影2000幻影幻影20002000二二 流体力学与工程技术流体力学与工程技术航空航空 空气动力学空气动力学7一架经改装的波音一架经改装的波音747747搭载搭载“发现号发现号”航天飞机航天飞机波音波音7477478太空站从航天飞机上看到的太空站从航天飞机上看到的太空站超高速气体动力学超高速气体动力学物理化学流体力学物理化学流体力学稀薄气体力学稀薄气体力学9三峡水利枢纽三峡水利枢纽水利、土建工程水利、土建工程 水力学水力学三峡水利枢纽三峡水利枢纽10建筑流体力学建筑流体力学11其他n生物流变学生物流变学毛细血管流动毛细血管流动n渗流力学渗流力学n物理物理-化学流体动力学化学流体动力学n多相流体力学多相流体力学12大型运输船大型运输船造船造船 水动力学水动力学 船舶流体力学船舶流体力学排水量达排水量达5050万吨以上的超大型运输船万吨以上的超大型运输船13大型运输船大型运输船造船造船 水动力学水动力学 船舶流体力学船舶流体力学14核动力潜艇核动力潜艇航速达航速达3030节，深潜达数百米的核动力潜艇节，深潜达数百米的核动力潜艇15轮船轮船16水翼飞机水翼飞机17 祝同学们前程远大！祝同学们前程远大！乘风破浪，驶向辉煌！乘风破浪，驶向辉煌！18按按流体作用力的性质流体作用力的性质分类分类:流体静力学流体静力学流体运动学流体运动学流体动力学流体动力学按按力学模型力学模型分类分类理想流体动力学理想流体动力学粘性流体动力学粘性流体动力学不可压缩流体动力学不可压缩流体动力学可压缩流体动力学可压缩流体动力学非牛顿流体力学非牛顿流体力学分类分类19三三 流体力学的研究方法流体力学的研究方法1 1模型实验模型实验相似理论相似理论模型实验装置模型实验装置2 2理论研究理论研究力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析和揭示本分析和揭示本质和规律质和规律3 3数值计算数值计算力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律计算机数值方法求解数学方程计算机数值方法求解数学方程20 根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性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。动规律和机理。包括：包括：湍流湍流 非定常流动非定常流动 非线性水波非线性水波 旋涡理论旋涡理论 交叉学科交叉学科 有关各种实验设备和仪器等。有关各种实验设备和仪器等。四、流体力学的展望四、流体力学的展望211.1.连续介质模型引入：连续介质模型引入：流体分子之间不连续、有间隙。流体分子之间不连续、有间隙。2.2.流体质点流体质点(或称流体微团或称流体微团):):忽略尺寸效应但包含无数分子的流体最小单元。忽略尺寸效应但包含无数分子的流体最小单元。3.3.连续介质模型：连续介质模型：流体由流体质点组成，流体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。质点连续的、无间隙的分布于整个流场中。1-2流体的流体的连续介质模型连续介质模型22一、流体的密度和重度一、流体的密度和重度1.1.密度（密度（densitydensity）均质流体，密度为常数均质流体，密度为常数2.2.重度重度(gravity)(gravity)水的重度为水的重度为39800/N m0limAVmdmVdV0limAVGdGVdVg密度和重度之间的关系为：密度和重度之间的关系为：mmGG1-3 流体性质流体性质(1-1)(1-1)(1-2)(1-2)(1-3)(1-3)23密度和重度密度和重度海水海水：1020kg1020kgm m3 3，99969996/m m3 3；气体在高速流动时，密度与流场中的压气体在高速流动时，密度与流场中的压力和温度有密切的关系力和温度有密切的关系:即即f f（p p，）。）。气体密度的变化非常小的流动，可将气体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。作不可压缩流体处理。Mach=Mach=流速流速/声速声速0.30.3空气空气：1.226 kgm3，12/m3。24()Uu yyhUFAh1FF1F1Fu=Uu=0FFdyu+duu1.牛顿平板试验牛顿平板试验二、流体的粘性二、流体的粘性25FUAh讨论讨论:对于此种线性速度分布的情形，不同地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？方的切应力是否相等？u=0u=Udyu+duu剪应力剪应力26FduAdy 粘性切应力与速度梯度成正比粘性切应力与速度梯度成正比比例系数称动力粘性系数，简称粘度。比例系数称动力粘性系数，简称粘度。n讨论讨论:对于此种速度分布的情形，不同地方的切应对于此种速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？力是否相等？u=0u=Udyu+duu(1-7)(1-7)273 流体的粘性系数流体的粘性系数NSNSm masas 气体气体：温度上升：温度上升,升高升高 液体液体:温度上升，温度上升，下降下降(3)与温度的关系与温度的关系（2）运动粘性系数运动粘性系数Kinematic viscosity（1）动力粘性系数）动力粘性系数Dynamic viscosity物理常数物理常数(1-9)(1-9)28粘性系数粘性系数：与流体物性有关的物理常数：与流体物性有关的物理常数 运动粘性系数运动粘性系数：与温度、压力的关系与温度、压力的关系压力的变化对压力的变化对的影响不大的影响不大N Ns s2 2帕帕秒秒a as s气体：温度上升，气体：温度上升，升高升高液体液体:温度上升，温度上升，下降下降 米米/秒秒 2/粘性系数粘性系数294.粘性产生的原因粘性产生的原因(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成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两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成30四、真实流体和理想流体四、真实流体和理想流体理想流体理想流体0 0在固体表面上发在固体表面上发生相对滑移生相对滑移在固体表面上其流速在固体表面上其流速与固体的速度相同与固体的速度相同真实流体真实流体0相互接触的流体层之相互接触的流体层之间有剪切应力作用间有剪切应力作用（壁面无滑移条件）（壁面无滑移条件）（壁面粘附条件）（壁面粘附条件）（壁面滑移条件）（壁面滑移条件）（壁面无粘附条件）（壁面无粘附条件）31真实流体和理想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：真实流体与理想流体的主要差别：（1 1）流体运动时，真实流体相互接触的流体）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；层之间有剪切应力作用，而理想流体没有；（2 2）真实流体附着于固体表面，即在固体）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。流体在固体表面上发生相对滑移。32牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体dudy牛顿型流体牛顿型流体：如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯甲苯非牛顿型流体：非牛顿型流体：33一、流体的压缩性一、流体的压缩性定义：温度不变，流体的体积随压强增加定义：温度不变，流体的体积随压强增加 而缩小为流体的压缩性。而缩小为流体的压缩性。温度不变时压强增加一个单位所引起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的倒数，即的流体体积相对缩小量的倒数，即称为称为体积摸量体积摸量VVpVVpEdddd流体的其他属性流体的其他属性34E E的值越大表明流体越不易压缩的值越大表明流体越不易压缩 温度为温度为1515o oC C时，通常可取水的时，通常可取水的值为值为1.96131.961310109 9a a。因为因为dVdV 所以所以dpEd流体的其他属性35二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性定义：压强不变，流体的体积随温度增高而定义：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。增大，称为流体的膨胀性。通常用体积膨胀系数通常用体积膨胀系数表示。是指压强不变表示。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时温度增加一个单位所引起的流体体积相对增大量，即增大量，即或称或称温度温度膨胀系数膨胀系数11dVdV dTdT 36三、液体的汽化和空化三、液体的汽化和空化 若液体的压力小于大气压力，或温度升高若液体的压力小于大气压力，或温度升高时，部分溶解于液体中的气体会形成气泡时，部分溶解于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。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这现象发生在物面附近，将对材料形成严重的剥蚀作用。剥蚀作用。37-4-4 作用于流体上的力作用于流体上的力 1.1.质量力（体积力）质量力（体积力）重力场，有重力场，有,，单位质量力单位质量力:其大小与流体质量（或体积）成正比的力，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称为质量力。例如重力、电磁力以及惯性力等均属于质量力。均属于质量力。mFXxm 0lim mFYym 0lim mFZzm 0lim(1-10)(1-10)38表面力作用于作用于点处单位面积点处单位面积上的法向力和切向力为上的法向力和切向力为:2.2.表面力表面力00lim,limndAdAdFpdAdFdAdAdFdFndFzyx(1-11)(1-11)(1-12)(1-12)39-5-5 流体静压特性流体静压特性静止流体的压力沿作用面的静止流体的压力沿作用面的内法线内法线方向方向特性一特性一一、流体静压特性一、流体静压特性特性二特性二静止流体中任意一点的压力与作用面的方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。向无关，只是该点的坐标函数。40 静止液体中有一平板，平板的轴位于静止液体中有一平板，平板的轴位于C C点，平点，平板绕板绕C C轴旋转，轴旋转，C C点深度不变故不管平板转到什点深度不变故不管平板转到什么方位，在么方位，在C C点处的压力仍然保持不变。点处的压力仍然保持不变。不同点的压力不相等，不同点的压力不相等，压力是空间坐标的连压力是空间坐标的连续函数。即：续函数。即：p=pp=p(x,y,zx,y,z)。ccpp同上C41二、静止流体中压力的变化规律二、静止流体中压力的变化规律对于静止流体中任意两对于静止流体中任意两点点A，B，若已知，若已知A点的点的压力，则压力，则这便是静止流体的基本方程式这便是静止流体的基本方程式pB=pA+h P0zyxhAhh0BA点的压力点的压力为：为：pA=p0+h 42静止流体压力分布规律的几个特性静止流体压力分布规律的几个特性（3 3）自由面上压力改变，若液体仍能保持静止，）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。则液体内部任意一点的压力将发生相同的变化。（2 2）压力随深度线性增加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。）同一种流体中，深度相同的面为等压面。水银水银332121水水papahh43压力的单位及测量压力的单位及测量俗称表压俗称表压p相=p绝 pa(2)相对压力相对压力p：以大气压：以大气压为基准计算计的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。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。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工程上压力的几种表示方法(3)真空压力真空压力p真=pa p绝P=0(绝对真空绝对真空)绝绝对对压压力力PPPa(大气压大气压)表表压压P真空真空压力压力(1-13)(1-13)(1-14)(1-14)44常用的压力单位常用的压力单位1 1）际单位制（）际单位制（SISI）：）：N Nm m 或或 PaPa。1 Pa 1 Pa N Nm m）大气压：标准大气压、工程大气压。）大气压：标准大气压、工程大气压。标准大气压标准大气压 P Patmatm=1.013=1.01310105 5 Pa Pa =760 =760汞柱汞柱=10.33=10.33水柱水柱）液柱高：长度单位，如水银柱、水柱等。）液柱高：长度单位，如水银柱、水柱等。工程大气压工程大气压 P Pataata=kgf/cmkgf/cm2 2=10=10水柱水柱 =0.981=0.98110105 5Pa=0.968Pa=0.968atmatm45例例1.11.1例例1.1 1.1 两平行平板间充满液体，平板移动速度两平行平板间充满液体，平板移动速度0.25m/s0.25m/s，单位面积上所受的作用力，单位面积上所受的作用力2Pa(2Pa(m m)试确定平板间液体的粘性系数试确定平板间液体的粘性系数。解：解：000.25/uum s 牛顿内摩擦定律得牛顿内摩擦定律得:d uud yy20.000520.004(/)0.25N s m0.5mm0.25m/sd uud yyy0.5mm。故。故46例例1.21.2例例1.2 1.2 滑块从斜面滑下，底面积为滑块从斜面滑下，底面积为10mm10mm 10mm,10mm,其其质量为质量为30kg30kg，其间底油膜厚度为，其间底油膜厚度为0.01cm,0.01cm,当滑块当滑块底速度恒定为底速度恒定为1m/s1m/s时时,试求油底粘性系数。试求油底粘性系数。解：解：由牛顿第二定理和牛由牛顿第二定理和牛顿内摩擦定律有顿内摩擦定律有：mgmgsinsin=d du u/d/dy y A A得：得：1.4711.471（N.s/mN.s/m2 2）yx30o30kg0.01cm47例例1.31.3例例1.3 1.3 轴与同心轴套的间隙中充有牛顿流体，轴与同心轴套的间隙中充有牛顿流体，500500轴向力作用于套管，使套管的移动速度为轴向力作用于套管，使套管的移动速度为m/sm/s。若作用力增加到。若作用力增加到15001500，求套管的移动，求套管的移动速度。设粘性系数不变。速度。设粘性系数不变。解：设粘性系数为解：设粘性系数为，液膜厚度为，液膜厚度为 由于轴套固定，故由于轴套固定，故=-=1m/s=1m/sd uud yy15 0 0 NT由牛顿内摩擦定律：由牛顿内摩擦定律：48即得即得 150015003/500uTm sT 当当15001500时：时：即套管的移动速度为即套管的移动速度为 u u=3m/s=3m/s49总结总结本本 章章 小小 结结本章的基本概念：流体的流动性、连续介质假设、流本章的基本概念：流体的流动性、连续介质假设、流体的压缩性、热膨胀性、可压缩流体、不可压缩流体体的压缩性、热膨胀性、可压缩流体、不可压缩流体、牛顿流体、非牛顿流体、流体的粘性、理想流体、牛顿流体、非牛顿流体、流体的粘性、理想流体、真实流体、质量力、表面力、应力张量、流体的压力真实流体、质量力、表面力、应力张量、流体的压力、真空度等。、真空度等。50总结总结基本理论与基本公式：基本理论与基本公式：(1)连续介质模型。为了数学处理上的方便，提出了连续介质模型。为了数学处理上的方便，提出了流体的连续介质模型：把流体看成没有间隙的连续介流体的连续介质模型：把流体看成没有间隙的连续介质，则流体中的一切物理量质，则流体中的一切物理量(如速度如速度u和密度和密度p)都可以都可以看作是时空的连续函数，可采用连续函数理论作为分看作是时空的连续函数，可采用连续函数理论作为分析工具。析工具。(2)流体的主要物理性质。流动性、重力特性、惯性、流体的主要物理性质。流动性、重力特性、惯性、粘性、压缩性和热膨胀性。流体的主要物理量有：密粘性、压缩性和热膨胀性。流体的主要物理量有：密度度、重度、重度、等温压缩系数、等温压缩系数T、等压热膨胀系数、等压热膨胀系数、粘性系数粘性系数()。(3)流体的剪应力流体的剪应力(内摩擦应力内摩擦应力)。牛顿内摩擦定律。牛顿内摩擦定律。牛顿内摩擦定律表述为：相邻液层间所产生的剪应力牛顿内摩擦定律表述为：相邻液层间所产生的剪应力与该液层间的速度梯度成正比。与该液层间的速度梯度成正比。51总结总结(4)作用于流体的力。为了便于研究，将作用于流体作用于流体的力。为了便于研究，将作用于流体的力按其作用方式分为：质量力和表面力，表面力常的力按其作用方式分为：质量力和表面力，表面力常分为垂直于表面的压力和平行于表面的切力。分为垂直于表面的压力和平行于表面的切力。(5)流体的压力。根据适用场合不同，流体压力的表流体的压力。根据适用场合不同，流体压力的表示方法有绝对压力、相对压力和真空度。示方法有绝对压力、相对压力和真空度。(6)流体静压力的两个特性：液体静压力垂直于作用流体静压力的两个特性：液体静压力垂直于作用面且沿着作用面的内法线方向；任一点的流体静压力面且沿着作用面的内法线方向；任一点的流体静压力的大小只是位置坐标的函数，与作用面的方位无关。的大小只是位置坐标的函数，与作用面的方位无关。52总结总结二重点，难点二重点，难点1.重点：重点：基本概念，如连续介质模型，不可压缩流体，理想流基本概念，如连续介质模型，不可压缩流体，理想流体，粘性，表面力，质量力，压力的几种表示方法，体，粘性，表面力，质量力，压力的几种表示方法，它们的单位、牛顿内摩擦定律的适用条件，粘性系数它们的单位、牛顿内摩擦定律的适用条件，粘性系数等与温度变化等基本概念有清晰的了解，静止流体的等与温度变化等基本概念有清晰的了解，静止流体的两个特性等。两个特性等。2.难点：难点：流体的粘性，理想流体以及真实流体在固壁上的运动流体的粘性，理想流体以及真实流体在固壁上的运动学条件。学条件。53作业作业作业作业1-4课件网上获取：课件网上获取：在百度中搜索：在百度中搜索：第第01章章 流体力学绪论流体力学绪论在百度文库中下载在百度文库中下载