第1章-流体力学绪论-矿山流体机械课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,矿山流体机械,龙岩学院物理与机电工程学院陈虹微,本课程的主要内容分四部分：,第一篇：流体力学基础,1、流体的特征及物理性质,2、流体静力学：流体静压强特性；流体静压强分布规律； 作用在平面与曲面上的静水总压力。,3、流体动力学：流体动力学基本概念；伯努利方程；恒定总流的连续性方程及其综合应用。,4、管路中流体的水头损失计算、水力计算。,第二篇 矿山排水设备,矿山排水的意义、特点、方式，排水设备类型、结构选型设计计算，矿山排水设备运行的调节原理、方法，排水设备的检修检测等。,第一篇 流体力学基础,流体力学是研究流体运动和平衡规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。,流体力学研究的对象液体和气体。,流体力学的研究内容：,1、关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系，这一部分称为流体静力学；,2、关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。,流体力学的应用：,流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式，因此许多科学技术部门都和流体力学有关。例如水利工程、土木建筑、交通运输、机械制造、矿山石油开采、化学工业、生物工程、环境工程等都有大量的流体问题需要应用流体力学的知识来解决。事实上，目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。,目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下三类： 1) 水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等； 2) 机械类流体力学：面向机械、矿山、冶金、化工、水机（水泵和风机）等； 3) 土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。,流体力学在煤矿中的应用,矿山通风、排水、压气，水力采煤、重力选矿，气力、水力运输，采煤机、支架、机床设备的液压系统等。,第1章 绪论,本章学习目标：,掌握液体和气体流动性的区别；,掌握流体密度和重度的概念及计算；,掌握流体的压缩性和膨胀性特点；,掌握牛顿黏性定律及黏性的度量方法。,流体力学发展简史,流体力学的研究方法,流体的主要物理性质,第一节 流体力学概述,流体力学发展简史,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,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,李冰都江堰深淘滩，低作堰,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,返回,李冰（公元前302235）是我国科学治水的典范，伟大的水利学家。他领导创建了目前世界上历史最悠久的水利工程都江堰。在水利史上立下了千古奇功，名扬世界，造福百姓，功垂千秋，恩泽万世。,李冰总结了前人治水的经验，在渠首工程的选点上作了深刻的科学研究。精心地选择在成都平原顶点的岷江上游出山口处作为工程地点，采用乘势利导、因时制宜的治水方略，修建了都江堰水利工程：无坝引水的鱼嘴分水堤，泄洪排沙的溢洪道，保证成都平原引足春水和控制洪水的咽喉工程宝瓶口。使鱼嘴分水堤、宝瓶口、飞沙堰溢洪道三大主体工程各有其独特的功能和作用。它们之间相互依存，相互制约，形成布局合理的系统工程，联合发挥分流分沙、泄洪排沙、引水输沙的重要作用。其科学合理的设计方案，仍令当今科学界赞叹不已。都江堰保证了流区千万亩农田和城市用水的需要，使其枯水不缺、洪水不淹、泥沙少淤、水旱从人，堪称“天然佳构”。,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，,1687年牛顿的名著原理讨论流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始变为力学中的一个独立分支。,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（理论）、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）,为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”。但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄且缺乏进一步发展的基础。,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,主要的流体力学事件有：,1738年瑞士数学家伯诺里在名著流体动力学中提出了伯诺里方程。,1755年,欧拉,在名著流体运动的一般原理中提出理想流体概念，并建立了理想流体基本方程和连续方程，从而提出了流体运动的解析方法，同时提出了速度势的概念。,1781年拉格朗日首先引进了流函数的概念。,1826年法国工程师Navier，1845年英国数学家、物理学家Stokes提出了著名的N-S方程,。,1876年雷诺发现了流体流动的两种流体：层流和紊流。,1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于1887年提出了脱体绕流理论。,十九世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。,1904年普朗特提出了边界层理论。,二十世纪六十年代以后，计算流体力学得到了迅速的发展，流体力学内涵也不断地得到了充实与提高。,我国主要流体力学事件,四千多年前的 “大禹治水”的故事顺水之性，治水须引导和疏通。,秦朝在公元前256210年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）明渠水流、堰流。,古代的计时工具“,铜壶漏滴,”孔口出流。,清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。,隋朝（公元587-610年）完成的南北大运河。,隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605-617年）的赵州石拱桥拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。,“寸金难买寸光阴”对我们来说是再熟悉不过的诗句了，但是其中却揭示了计量时间的方法。我国古代计时是用铜壶滴漏，它使水从高度不等的几个容器里依次滴下来，最后滴到最低的有浮标的容器里，根据浮标上的刻度也就是根据最低容器里的水位来读取时间。这样，就是无形的时间改换成有形的尺寸了。光阴自然可以用寸来计量。铜壶漏滴中的最低容器里的水位，是由高处的水一滴一滴流下来，经过长时间的积累而形成的，所以铜壶滴漏的计时原理实质上就是水滴总数的自动累计。,流体力学,的研究方法,理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充,理论研究方法,力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律,实验方法,相似理论模型实验装置,数值方法,计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,第二节 流体的主要物理性质,（流动性、惯性、粘性、压缩（膨胀）性）决定流体运动状态变化的内因,一、流动性,流体与固体的区别：质点內聚力不同，流动性不同,流动性,液体和气体的流动性差别,二.,惯性,密度,常见流体的密度（在一个标准大气压下）：,4时的水20时的空气,容重（重度）,比重：物体的密度与4时蒸馏水的密度之比值称为比重。 4时，水的比重为1；比重无量纲。,三.,压缩（膨胀）性,1.流体的压缩性T不变，P大而V小的性质。,压缩系数,在一定,温度,下，密度的变化率与压强的变化成正比,体积模量（弹性模量）,说明：,a. E越大，越不易被压缩，当E,时，表示该流体绝对不可压缩 。,b.流体的种类不同，其,和E值不同。,c.同一种流体的,和E值随温度、压强的变化而变化，但 变化甚微。,d.在一定温度和中等压强下，水的弹性模量变化不大。,2.流体的膨胀性P不变，T升高而V变大的性质,膨胀系数,在一定,压强,下，体积的变化率与温度的变化成正比,四.,黏性：在外力作用下，流体微元间出现,相对运动,时，,随之产生阻抗相对运动的内摩擦力,微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换,牛顿内摩擦定律：,切应力：,z,v,v+dv,v,x,z,dz,y,a.速度梯度的物理意义,角变形速度（剪切变形速度）,vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,流体,与,固体,在摩擦规律上完全不同,正比于,dv,/,dz,正比于正压力，与速度无关,b.动力粘度（系数）,：与流体性质有关又称绝对粘度，直接测量困难，方法有转筒式、毛细管式、落球式。PaS,运动粘度（系数）：,m,/s,微观机制：,液体吸引力,T,气体热运动,T,恩氏粘度：200ml被测液体从恩氏粘度计中流出所需时间与200ml的20,蒸馏水从该粘度计流出所需时间之比。单位,:E,dv/dz,牛顿流体,o,牛顿流体,服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）,c.牛顿流体与非牛顿流体,0,dv/dz,o,塑性流体,非牛顿流体,塑性流体克服初始应力,0,后，,才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）,dv/dz,o,拟塑性流体,拟塑性流体,的,增长率,随,dv,/,dz,的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）,dv/dz,o,膨胀型流体,膨胀型流体,的,增长率,随,dv,/,dz,的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）,0,dv/dz,o,膨胀型流体,牛顿流体,拟塑性流体,塑性流体,例：汽缸内壁的直径,D,=12,cm,，活塞的直径,d,=,11.96,cm,，活塞长度,L,=,14,cm,，活塞往复运动的速度为,1,m/s,，润滑油的,=,0.1Pa,s,。求作用在活塞上的粘性力。,解：,注意：面积、速度梯度的取法,d,D,L,例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速,n,=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒,r,1,=1.93cm，外筒,r,2,=2cm，内筒高,h,=7cm，转轴上扭距,M,=0.0045N,m。求该实验液体的粘度。,解：,注意：1.面积,A,的取法；,2.单位统一,h,n,r,1,r,2,得,补充：表面张力和毛细现象,1.表面张力：由分子的内聚力引起.,当自由表面收缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方向相反的作用力，这种力称为表面张力。在不相混合的液体间以及液体和固体间的分界面附近的分子都将受到两种介质吸引力的作用，沿着分界面产生表面张力，通常称为交界面张力。,表面张力的大小以作用在单位长度上的力表示，单位为Nm。,表面张力和毛细现象,2.毛细现象：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。,液固间附着力大于液体的内聚力,液固间附着力小于液体的内聚力,凹上升,凸下降,h,h,本节小结：,一、流动性,二、密度和重度,三、压缩性和膨胀性,四、黏性,作业：P,7,2、3、4、5、6（补充）,