工程流体力学13011课件

工程流体力学1301v 流体（气体和液体）区别于固体的主要物理特性是易于流动。v 运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这种抵抗体现在限制剪切变形的速率而不是大小上，这就是粘滞性。第一章第一章第一章第一章 概述和流体的物理性质概述和流体的物理性质概述和流体的物理性质概述和流体的物理性质v 流体能承受压力，抵抗压缩变形。流体能承受压力，抵抗压缩变形。v 流体不能承受集中力，只能承受分布力。流体不能承受集中力，只能承受分布力。v 一般情况下流体可看成是连续介质。一般情况下流体可看成是连续介质。v 流体的上述物理力学特性使流体力学（水力学）成为宏观力学的一个独特分支。流体的上述物理力学特性使流体力学（水力学）成为宏观力学的一个独特分支。11 课程概述 工程流体力学的学科性质工程流体力学的学科性质研究对象研究对象力学问题载体力学问题载体 宏观力学分支宏观力学分支遵循三大守恒原理遵循三大守恒原理 强调水是主要研究对象强调水是主要研究对象偏重于工程应用，水利工程、流体动偏重于工程应用，水利工程、流体动力工程专业常用力工程专业常用 1.1.流体在外力作用下，静止（相对平衡）流体在外力作用下，静止（相对平衡）及及运动的规律；运动的规律；2.2.流体与边界的相互作用。流体与边界的相互作用。工程流体力学（水力学）的主要研究内容工程流体力学（水力学）的主要研究内容 固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界：流体机械、飞机、船只等运动边界：流体机械、飞机、船只等流体静力学：研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系；流体静力学：研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系；流体动力学：研究流体处于运动状态时，作用在流体上的力流体动力学：研究流体处于运动状态时，作用在流体上的力及及各运动要素之间的相互关系，以及运动特各运动要素之间的相互关系，以及运动特性与能量转换的关系等。性与能量转换的关系等。运动要素：描述流体运动状态的特性量，如速度、加速度、压强、温度以及其它物理量如密度、粘性等。运动要素：描述流体运动状态的特性量，如速度、加速度、压强、温度以及其它物理量如密度、粘性等。空气和水是地球上广泛存在的物质，所以及流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多工程领域有着广泛的应用，对水利水电、流体动力工程专业来讲，其重要性不言而喻。及及流体力学相关的工程领域和学科流体力学相关的工程领域和学科排球排球足球足球网球网球游泳游泳赛艇赛艇铁饼铁饼高尔夫球高尔夫球赛跑赛跑赛车赛车标枪标枪乒乓球乒乓球羽毛球羽毛球大部分竞技体育项目及流体力学有关 课程地位课程地位 工程流体力学（水力学）是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固及提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课程的学习打下坚实基础。数理、力学数理、力学 基础课程基础课程工程流体力学（水力学）工程流体力学（水力学）专业基础课程专业基础课程水利、动力工程有关专业水利、动力工程有关专业课程课程 水工建筑物及河槽所受水力荷载水工建筑物及河槽所受水力荷载 水工建筑物及河槽过流能力水工建筑物及河槽过流能力 水流流动形态水流流动形态 水电（泵）站能量利用和消耗水电（泵）站能量利用和消耗水利水电工程中的部分流体力学问题：水利水电工程中的部分流体力学问题：流体力学的研究方法流体力学的研究方法 理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。基本假设基本假设 数学模型数学模型 解析表达解析表达 理论分析理论分析数值计算数值计算 实验研究实验研究 数学模型数学模型 数值模型数值模型 数值解数值解 模型试验模型试验 量测数据量测数据 换算到原型换算到原型 优优 势势局局 限限理论分析对流动机理解析表达，因果关系清晰。对流动机理解析表达，因果关系清晰。受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。实验研究（模型试验）直接测量流动参数，找到经验性规律。直接测量流动参数，找到经验性规律。成成本本高高，对对量量测测技技术术要要求求高高，不不易易改改变变工工况况，存在比尺效应。存在比尺效应。数值计算扩扩大大理理论论求求解解范范围围，成成本本低低，易易于于改改变变工况，不受比尺限制。工况，不受比尺限制。受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。有无固定的体积？有无固定的体积？能否呈现能否呈现流动性？流动性？是否容易是否容易被压缩？被压缩？流体气体气体无无能能易易液体液体有有能能不易不易固体固体有有否否不易不易 流体最主要的物理特性流体最主要的物理特性12 流体的物理性质流体几乎不能承受拉力，没有抵抗拉伸变形的能力。流体几乎不能承受拉力，没有抵抗拉伸变形的能力。流体能承受压力，具有抵抗压缩变形的能力。流体能承受压力，具有抵抗压缩变形的能力。关于流体承受剪切力，抵抗剪切变形能力的叙述：关于流体承受剪切力，抵抗剪切变形能力的叙述：一一.流体的基本特性流体的基本特性 流动性流动性什么是剪切力、剪切变形什么是剪切力、剪切变形和抵抗剪切变形的能力？和抵抗剪切变形的能力？流体在静止时不能承受剪切力，抵抗剪切变形。流体在静止时不能承受剪切力，抵抗剪切变形。流流体体只只有有在在运运动动状状态态下下，当当流流体体质质点点之之间间有相对运动时，才能抵抗剪切变形。有相对运动时，才能抵抗剪切变形。只只要要有有剪剪切切力力的的作作用用，流流体体就就不不会会静静止止下下来来，发发生生连连续续变形而流动。变形而流动。作作用用在在流流体体上上的的剪剪切切力力不不论论多多么么微微小小，只只要要有有足足够够的的时时间，便能产生任意大的变形。间，便能产生任意大的变形。运运动动流流体体抵抵抗抗剪剪切切变变形形的的能能力力（产产生生剪剪切切应应力力的的大大小小）体体现现在在变变形形的的速速率率上上，而而不不是是变变形形的的大大小小（及及弹弹性性体体的的不不同同之之处）。处）。设想放置在敞口容器中初始表面有隆起或凹陷的液体之运动和变形过程可以帮助理解以上论述。当液面不水平时，设想放置在敞口容器中初始表面有隆起或凹陷的液体之运动和变形过程可以帮助理解以上论述。当液面不水平时，重力起到剪切力的作用，使液体变形，最终当液面绝对水平时，剪切力为零，液体变形也终止。不同的液体都能重力起到剪切力的作用，使液体变形，最终当液面绝对水平时，剪切力为零，液体变形也终止。不同的液体都能完成上述变形过程，但所需的时间不同。完成上述变形过程，但所需的时间不同。二二.流体质点概念和连续介质假设流体质点概念和连续介质假设个分子个分子 13空气(1个大气压，00C)宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。微微观观（分分子子自自由由程程的的尺尺度度）上上看看，流流体体质质点点是是一一个个足足够够大大的的分分子子团团，包包含含了了足足够够多多的的流流体体分分子子，以以致致于于对对这这些些分分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。流体质点概念流体质点概念以以密密度度为为例例，考考察察物物理理量量是是怎怎样样定定义义在在流流体体质质点点上上的的。若若流流体体微微团团的的体体积积为为V，质量为，质量为m，则流体质点密度为，则流体质点密度为流体区域是由流体质点组成的占满空间而没有间隙的连续体，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。流体区域是由流体质点组成的占满空间而没有间隙的连续体，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。连续介质假设连续介质假设连连续续介介质质假假设设是是近近似似的的、宏宏观观的的假假设设，它它为为数数学学工工具具的的应应用用提提供供了了依依据据，在在其其它它力力学学学学科科也也有有广广泛泛应应用用，使使用用该该假假设设的的力力学学统统称称为为“连连续续介介质质力力学学”。除除了了个个别别情情形形外外，在在水力学中使用连续介质假设是合理的。水力学中使用连续介质假设是合理的。其其中中V0的的含含义义应应理理解解为流体微团趋于流体质点。为流体微团趋于流体质点。运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性。值得强 调的是，这种抵抗体现在剪切变形的快慢上。在剪切变形中，流体内部出现成对的切应力，称为内摩擦 力，来抵抗相邻两层流体之间的相对运动。连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础：设在 t 时刻，有某个流体质点占据了空间点()，将此流体质点所具有的某种物理量（数量或矢量）定义在该时刻和空间点上，根据连续介质假设，就可形成定义在连续时间和空间域上的数量或矢量场。三三.流体的粘滞性流体的粘滞性 对于如图的平面流动，流体速度 u 都沿 x 方向，且不随 x 变化，只随 y 变化。两层流体之间存在相对运动和剪切（角）变形，同时也出现成对的切应力，流动快的一层要带动流动慢的一层，而流动慢的一层则要阻碍流动快的一层，它起到抵抗剪切变形的作用。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。本课程主要讨论牛顿流体。非牛顿流体。本课程主要讨论牛顿流体。牛顿内摩擦定律告诉我们：切应力 和剪切（角）变形速率 之间存在正比例关系 比例系数 称为动力粘性系数，是粘性流体的重要物理属性。形成牛顿内摩擦形成牛顿内摩擦力物理机理力物理机理分子间的吸引力分子间的吸引力分子运动引起流体层间的动量交换分子运动引起流体层间的动量交换液体以此为液体以此为主主气体以此为气体以此为主主随随着着温温度度升升高高，液液体体的的粘粘性性系系数数下下降降；气气体体的的粘粘性性系数上升。系数上升。今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。运动粘性系数运动粘性系数具有运动学量纲，具有运动学量纲，m2注意注意四、理想流体假设四、理想流体假设理想流体假设是忽略粘性影响的假设，可近似反映粘性作用不大的实际流动，粘性作用不大是相对于其它因素的作用而理想流体假设是忽略粘性影响的假设，可近似反映粘性作用不大的实际流动，粘性作用不大是相对于其它因素的作用而言的。言的。而而 是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体。是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体。我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。忽略粘性影响实际上就是忽略切应力，切应力忽略粘性影响实际上就是忽略切应力，切应力，五五.流体的压缩性流体的压缩性流体能承受压力，在受外力压缩变形时，产生内力（弹性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢复原形，流体的这种性质称为压缩性。VVpp将将 相相 对对 压压 缩缩 值值 及及 压压 强强 增增 量量 之之 比比 值值 称称为压缩系数，其倒数为压缩系数，其倒数称为体积弹性系数。称为体积弹性系数。K越大，越不易被压缩。越大，越不易被压缩。液液体体的的K随随温温度度和和压压强强而而变变，随随温温度度变变化化不不显显著著。液液体体的的K值值很很大大，除除非非压压强强变变化化很很剧剧烈烈、很很迅迅速速，一一般般可可不不考考虑虑压压缩缩性性，作作不不可可压压缩缩流流体体假假设设，即即认认为为液液体体的的K值值为为无无穷穷大大，密密度度为为常常数数。但但若若考考虑虑水水下下爆爆炸炸、水水击击问问题题时时，则则必必须须考考虑压缩性。虑压缩性。六六.表面张力和毛细现象表面张力和毛细现象表表面面张张力力是是液液体体自自由由表表面面在在分分子子引引力力作作用用下下而而在在沿沿表表面面方方向向产产生生的的拉拉力力，用用单单位位自自由由表表面面长长度度上上所所受受的的横横向向拉拉力力 表示。量纲为表示。量纲为2 2，单位：。，单位：。液体的表面张力量级一般较小，对水：液体的表面张力量级一般较小，对水：0.0740.074，对汞：，对汞：0.540.54。R1R2R1R2曲表面的表面张力和压强毛毛细细管管现现象象：当当小小内内径径管管（毛毛细细管管）插插入入液液体体中中时时，在在表表面面张张力力的的作作用用下下使使管管中中的的液液面面和和及及之之相相连连通通的的容容器器中中的的液液面不在同一水平面上。液面高度差与毛细管内径大小及液体性质有关。面不在同一水平面上。液面高度差与毛细管内径大小及液体性质有关。应用：在液流实验中使用测压管时，应注意这种毛细管作用产生的误差应用：在液流实验中使用测压管时，应注意这种毛细管作用产生的误差 。(a)(a)湿润管的液面上升湿润管的液面上升液体的毛细管现象液体的毛细管现象(6)(6)非湿润管的液面下降非湿润管的液面下降液体的毛细管现象液体的毛细管现象七七.汽化压强汽化压强 汽汽化化和和凝凝结结：液液体体分分子子逸逸出出液液面面向向空空间间扩扩散散的的过过程程称称为为汽汽化化，液液体体汽汽化化为为蒸蒸汽汽。汽汽化化的的逆逆过过程程称称为为凝凝结结，蒸蒸汽汽凝凝结结为液体。为液体。汽汽化化压压强强：在在液液体体中中汽汽化化和和凝凝结结作作用用同同时时存存在在且且达达到到平平衡衡时时，宏宏观观汽汽化化现现象象停停止止，此此时时液液体体的的压压强强称称为为汽汽化化压压强强或或饱和蒸汽压强。汽化压强饱和蒸汽压强。汽化压强及及温度有关。温度有关。当当液液体体内内部部某某处处的的压压强强低低于于汽汽化化压压强强时时，在在该该处处发发生生汽汽化化，液液流流连连续续性性受受到到破破坏坏，形形成成空空泡泡。当当空空泡泡移移动动到到高高于于汽汽化压强区时，空泡迅速溃灭，这种现象称为空化。空化作用对液体运动和液体与固体接触的壁面产生不良的影响。化压强区时，空泡迅速溃灭，这种现象称为空化。空化作用对液体运动和液体与固体接触的壁面产生不良的影响。质量力分布在流体质量（体积）上，是一种远程力。我们定义的质量力为力的质量密度f，即单位质量流体所承受的质量力，是加速度的单位。13 作用在流体上的力流体不能承受集中力，只能承受分布力。分布力按表现形式又分为：质量力、表面力。一一.质量力质量力的含义，按连续介质假设，即为流体团趋于流体质点。所以质量力是定义在流体质点上的。的含义，按连续介质假设，即为流体团趋于流体质点。所以质量力是定义在流体质点上的。设体积为设体积为V的流体团，其质量为的流体团，其质量为m，所受质量力为，所受质量力为F，则，则V0二二.表面力表面力表面力分布在流体面上，是一种接触力。定义表面力的面积密度，即单位面积上流体所承受的表面力为应力。n设面积为A的流体面元，法向为n，指向表面力受体外侧，所受表面力为P，则应力的的含含义义为为面面元元趋趋于于面面元元上上的的某某定定点点，所所以以应应力力是是定定义义在在流流体体面面上上一一点点处处的的。同同一一点点处处的的应应力力还还及及作作用面的方位有关，所以须将作用面的法向用脚标指明。用面的方位有关，所以须将作用面的法向用脚标指明。A0 应力 是矢量，可向作用面的法向或切向投影，分解成法 应力和切应力。凡谈及应力，应注意明确以下几个要素：凡谈及应力，应注意明确以下几个要素：哪一点的应力；哪一点的应力；哪个方位作用面上的应力；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；而决定法线的指向；应力在哪个方向上的分量。应力在哪个方向上的分量。三个基本单位 长度单位：m（米）质量单位：（公斤）时间单位：s（秒）流体力学课程中使用的单位制流体力学课程中使用的单位制 国际单位制（米、公斤、秒制）国际单位制（米、公斤、秒制）导出单位，如：密度 单位：3 力的单位：N（牛顿），1 1 2 应力、压强单位：（帕斯卡），112 动力粘性系数 单位：N2 s 运动粘性系数 单位：m2 体积弹性系数 K 单位：及水和空气有关的一些重要物理量的数值 1大气压，40C 1大气压，100Cv 常压常温下，空气的密度是水的 1/800v 一般取海水密度为v 空气的密度随温度变化相当大，温度高，密 度低。v 水的密度随温度变化很小。1大气压，00C 1大气压，800C 150C，海平面(标准大气压)20C，海拔2 工程大气压（相当于10m水柱底部压强）v空气容易被压缩空气容易被压缩 00C 1000C -40C 1000Cv空空气气的的动动力力粘粘性性系系数数比比水水小小2个个数数量量级级，但但空空气气的的运动粘性系数比水大。运动粘性系数比水大。v空空气气的的粘粘性性系系数数随随温温度度升升高高而而增增大大，而而水水的的粘粘性性系系数随温度升高而减小。数随温度升高而减小。常温下，水的体积弹性系数 相对压缩（或密度增加）1%，需要增压 约为 200 个大气压，即 2000m 水下的压强。v一般情况下可以认为水是不可压缩的。一般情况下可以认为水是不可压缩的。解：根据牛顿内摩擦定律解：根据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：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：一平板距另一固定平板例题：一平板距另一固定平板=0.5=0.5，二板水平放置，其间充满流体，上板在单位面积上为，二板水平放置，其间充满流体，上板在单位面积上为=2 2=2 2 的力作用下，以的力作用下，以0.25 0.25 的速度移动，求该流体的运动粘性系数的速度移动，求该流体的运动粘性系数。本章习题本章习题v作业：习题作业：习题12，14，18。v课后复习：建议对照复习思考题进行。课后复习：建议对照复习思考题进行。自选作业自选作业18a15oa31020;0.3m2.12.IfK=2.2GPaisthebulkmodulusofelasticityforwater,whatpressureisrequiredtoreduceavolumeby0.6percent?谢谢观赏！2020/11/546