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1、流体力学第一章你现在浏览的是第一页，共28页第一章第一章 绪论绪论第第1 1章章绪论绪论 1.11.1 概述概述1.21.2 流体的连续介质模型流体的连续介质模型1.31.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1.41.4 作用在流体上的力作用在流体上的力你现在浏览的是第二页，共28页第一章第一章 绪论绪论第第1 1章章绪论绪论(2(2学时学时)一、本章学习要点一、本章学习要点:工程流体力学的任务。工程流体力学的任务。流体的连续介质模型。流体的连续介质模型。流体的主要物理性质流体的主要物理性质:惯性、粘性、惯性、粘性、压缩性和表面张力特性。压缩性和表面张力特性。作用在流体上的力：表面力和质量
2、力。作用在流体上的力：表面力和质量力。二、本章重点掌握二、本章重点掌握:流体的主要物理性质。流体的主要物理性质。作用在流体上的力。作用在流体上的力。你现在浏览的是第三页，共28页第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 概概 述述一、自然界物质存在的主要形式一、自然界物质存在的主要形式 自然界物质存在的主要形式有自然界物质存在的主要形式有:固体固体、流体流体(包括包括液体液体和和气气体体）。）。1.1.流体和固体的区别流体和固体的区别(1).(1).(1).(1).从表观看，从表观看，固体固体具有固定的形状，不易流动；具有固定的形状，不易流动；流体流体则随盛器而方圆，且易流动。则随盛器而方圆，且易
3、流动。(2).(2).(2).(2).从力学分析的角度看，在于两者对外力抵抗的能力从力学分析的角度看，在于两者对外力抵抗的能力不同。不同。你现在浏览的是第四页，共28页第一章第一章 绪论绪论w w固体：固体：固体：固体：可以承受拉力、压力和剪力。可以承受拉力、压力和剪力。w w流体：流体：流体：流体：几乎不能承受拉力；静止流体还不能承受几乎不能承受拉力；静止流体还不能承受剪力。剪力。2 2.液体和气体的区别液体和气体的区别w气体气体易于压缩；易于压缩；液体液体难于压缩。难于压缩。w液体液体具有一定的体积，并可形成自由表面；具有一定的体积，并可形成自由表面；气体气体可充可充满任何容器，但无一定体
4、积，也不能形成自由表面。满任何容器，但无一定体积，也不能形成自由表面。你现在浏览的是第五页，共28页第一章第一章 绪论绪论二、流体力学的分类二、流体力学的分类1.1.1.1.按研究内容的侧重点分按研究内容的侧重点分按研究内容的侧重点分按研究内容的侧重点分w理论流体力学：理论流体力学：理论流体力学：理论流体力学：侧重于理论方面的研究，主要采用数侧重于理论方面的研究，主要采用数学推理方法，力求严密性和准确性。学推理方法，力求严密性和准确性。w w工程流体力学：工程流体力学：工程流体力学：工程流体力学：侧重于解决工程实际中出现的问题，侧重于解决工程实际中出现的问题，不追求数学上的严密性。不追求数学上
5、的严密性。你现在浏览的是第六页，共28页第一章第一章 绪论绪论2.2.按学科发展分按学科发展分w古典流体力学：古典流体力学：古典流体力学：古典流体力学：在古典力学的基础上，运用严密在古典力学的基础上，运用严密的数学分析方法，建立有关流体的基本方程，但理的数学分析方法，建立有关流体的基本方程，但理论中有些假设与实际不尽相符。论中有些假设与实际不尽相符。w实验流体力学实验流体力学实验流体力学实验流体力学：依靠实验方法制定一些经验公式，依靠实验方法制定一些经验公式，以满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础。以满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础。w w现代流体力学：现代流体力学：现代流体力学：现代流体
6、力学：理论分析与实验方法相结合，理论理论分析与实验方法相结合，理论与实验并重。与实验并重。你现在浏览的是第七页，共28页第一章第一章 绪论绪论三、工程流体力学的研究任务三、工程流体力学的研究任务1.1.1.1.学科属性：学科属性：学科属性：学科属性：工程流体力学为工程力学的分支学科。工程流体力学为工程力学的分支学科。2.2.2.2.课程性质：课程性质：课程性质：课程性质：工程流体力学是土建类各专业的一门工程流体力学是土建类各专业的一门重要技术基础课。重要技术基础课。3.3.3.3.研究任务：研究任务：研究任务：研究任务：研究流体平衡和机械运动规律及其实际应研究流体平衡和机械运动规律及其实际应用
7、。用。你现在浏览的是第八页，共28页第一章第一章 绪论绪论4.4.4.4.研究内容：研究内容：研究内容：研究内容：包括基础理论和实际应用的研究。其中包括基础理论和实际应用的研究。其中:2 2）.实际应用方面的研究有实际应用方面的研究有实际应用方面的研究有实际应用方面的研究有w流体静力学理论流体静力学理论w流体动力学理论流体动力学理论 w流体实验分析理论流体实验分析理论 w流体阻力与水头损失理论流体阻力与水头损失理论 w有压管道水力计算有压管道水力计算 w明渠水力计算明渠水力计算 w堰、闸（孔）、桥、涵水力计算堰、闸（孔）、桥、涵水力计算 w工程渗流计算工程渗流计算 1 1）.基础理论方面的研究
8、有基础理论方面的研究有基础理论方面的研究有基础理论方面的研究有你现在浏览的是第九页，共28页第一章第一章 绪论绪论四、工程流体力学的研究方法四、工程流体力学的研究方法一般有理论分析、实验研究和数值模拟三种。一般有理论分析、实验研究和数值模拟三种。1.1.1.1.理论分析理论分析理论分析理论分析：通过运用数学方法求解理论模型来揭示流通过运用数学方法求解理论模型来揭示流体运动的规律。但许多实际问题尚难以从数学上精确体运动的规律。但许多实际问题尚难以从数学上精确求解。求解。2.2.2.2.实验研究实验研究实验研究实验研究：通过对具体流动的观测来认识流体运动通过对具体流动的观测来认识流体运动的规律。的
9、规律。3.3.3.3.数值模拟（或称数值实验）：数值模拟（或称数值实验）：数值模拟（或称数值实验）：数值模拟（或称数值实验）：通过运用数值方法将理通过运用数值方法将理论模型离散成数值模型，用计算机求解数值模型来论模型离散成数值模型，用计算机求解数值模型来揭示流体运动的规律。揭示流体运动的规律。你现在浏览的是第十页，共28页第一章第一章 绪论绪论五、流体力学在土木工程中的应用五、流体力学在土木工程中的应用 流体力学在土木工程中有着广泛的应用。流体力学在土木工程中有着广泛的应用。1.1.1.1.市政工程：市政工程：市政工程：市政工程：城市给排水管网设计；城市防洪工程设城市给排水管网设计；城市防洪工
10、程设计；取水工程、净水工程设计等。计；取水工程、净水工程设计等。2.2.2.2.交通土建工程交通土建工程交通土建工程交通土建工程：路基、站场排水设计；桥涵孔径路基、站场排水设计；桥涵孔径水力设计；隧道及地下工程通风及排水设计水力设计；隧道及地下工程通风及排水设计;高高速铁速铁(公公)路隧道洞形设计等。路隧道洞形设计等。3.3.3.3.建筑工程建筑工程建筑工程建筑工程：室内给排水设计；地基降水及抗渗设计等。室内给排水设计；地基降水及抗渗设计等。你现在浏览的是第十一页，共28页第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 流体的连续介质模型流体的连续介质模型w微观：微观：微观：微观：流体是由大量做无规则热
11、运动的分子所组成，流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，物理量在空间和时间上都是不连续分子间存有空隙，物理量在空间和时间上都是不连续的。但在标准状况下，的。但在标准状况下，1cm1cm3 3液体含有液体含有3.3103.3102222个分子，个分子，分子间距离为分子间距离为3.1103.110-8-8cmcm；1cm1cm3 3气体含有气体含有2.7102.7101919个分个分子。分子间距离为子。分子间距离为3.2103.210-7-7cmcm。w w宏观：宏观：宏观：宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度和时间尺一般工程中，所研究流体的空间尺度和时间尺度要比分子距离和分子
12、碰撞时间大得多。度要比分子距离和分子碰撞时间大得多。录录 像像你现在浏览的是第十二页，共28页第一章第一章 绪论绪论1.1.定义定义2.2.优点优点w w连续介质连续介质连续介质连续介质：质点连续地充满所占空间的流体和固体。质点连续地充满所占空间的流体和固体。w流体的连续介质模型流体的连续介质模型流体的连续介质模型流体的连续介质模型：把流体视为没有间隙地充把流体视为没有间隙地充满其所占空间的连续介质，且其所有物理量都是空满其所占空间的连续介质，且其所有物理量都是空间坐标和时间变量的连续函数的一种假设模型。间坐标和时间变量的连续函数的一种假设模型。w避免了流体分子运动的复杂性。避免了流体分子运动
13、的复杂性。w物理量作为时空连续函数，则可利用高等数学中连物理量作为时空连续函数，则可利用高等数学中连续函数分析方法研究流体流动问题。续函数分析方法研究流体流动问题。你现在浏览的是第十三页，共28页第一章第一章 绪论绪论1.3 1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1.1.1.1.流体与固体一样，也具有惯性。流体与固体一样，也具有惯性。2.2.2.2.质量是惯性大小的度量。质量是惯性大小的度量。水的密度常用值：水的密度常用值：=1000kg/m=1000kg/m3 3。水银的密度常用值：水银的密度常用值：=13600kg/m=13600kg/m3 3。密度密度密度密度：单位体积流体的质量。
14、单位体积流体的质量。SISI单位为单位为kg/mkg/m3 3。一、惯性一、惯性一、惯性一、惯性 你现在浏览的是第十四页，共28页第一章第一章 绪论绪论二、粘性（粘滞性二、粘性（粘滞性）粘性粘性粘性粘性：流体在运动状态下抵抗剪切变形的性质。流体在运动状态下抵抗剪切变形的性质。1.1.牛顿平板实验牛顿平板实验当当h h和和u u不是很大时，两平板间沿不是很大时，两平板间沿y y方向的流速呈线性分方向的流速呈线性分布，即布，即录录 像像录录 像像你现在浏览的是第十五页，共28页第一章第一章 绪论绪论2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律引入比例系数引入比例系数，则得著名的牛顿内摩擦定律：，则得著名的
15、牛顿内摩擦定律：实验表明，对于大多数流体，存在实验表明，对于大多数流体，存在你现在浏览的是第十六页，共28页第一章第一章 绪论绪论(1)(1)粘度粘度粘性的大小由粘度来度量。流体的粘度是由流体流粘性的大小由粘度来度量。流体的粘度是由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起的。动的内聚力和分子的动量交换引起的。1)1)粘度系数粘度系数w动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度：SISI单位为单位为N Ns/ms/m2 2或或papas s。w w运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度：SISI单位为单位为m m2 2/s/s。其计算式：。其计算式：你现在浏览的是第十七页，共28页第一章第一章 绪论绪论2)2)粘度
16、的影响因素粘度的影响因素w流体的种类：流体的种类：流体的种类：流体的种类：主要影响因素。一般在相同主要影响因素。一般在相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。条件下，液体的粘度大于气体的粘度。w 压强：压强：压强：压强：对常见流体，如水、气体等，影响不大，一般对常见流体，如水、气体等，影响不大，一般可忽略不计。可忽略不计。w 温度：温度：温度：温度：主要影响因素。当温度升高时，液体的粘度减小，主要影响因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大。气体的粘度增大。你现在浏览的是第十八页，共28页第一章第一章 绪论绪论 液体：液体：液体：液体：内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要
17、因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度 气体：气体：气体：气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 你现在浏览的是第十九页，共28页第一章第一章 绪论绪论(2)(2)的含义的含义1)1)1)1)数学上：数学上：数学上：数学上：为沿流体运动法线方向的流为沿流体运动法线方向的流 速梯度。速梯度。2)2)2)2)物理上：物理上：物理上：物理上：为运动流体相邻两流层的剪为运动流体相邻两流层的剪切变形速率。切变形速率。你现在浏览的是第二十页，共
18、28页第一章第一章 绪论绪论故牛顿内摩擦定律又可以写成：故牛顿内摩擦定律又可以写成：证明：证明：证明：证明：如图所示如图所示你现在浏览的是第二十一页，共28页第一章第一章 绪论绪论3.3.牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体w牛顿流体：牛顿流体：牛顿流体：牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的流体。如水、符合牛顿内摩擦定律的流体。如水、空气、汽油和水银等。空气、汽油和水银等。w w非牛顿流体：非牛顿流体：非牛顿流体：非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律的流体。如泥不符合牛顿内摩擦定律的流体。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。你现在浏览的是第二十二页，共28
19、页第一章第一章 绪论绪论w实际流体：实际流体：实际流体：实际流体：具有粘性的流具有粘性的流体（体（00）。粘性是流体）。粘性是流体的固有属性。的固有属性。w w理想流体：理想流体：理想流体：理想流体：忽略粘性的流体忽略粘性的流体（=0=0），为研究方便引入），为研究方便引入的假想流体。的假想流体。平衡流体（平衡流体（）引入的或理想流体（）引入的或理想流体（=0=0）均）均不产生切应力，即不产生切应力，即=0=0。4.4.实际流体与理想流体实际流体与理想流体你现在浏览的是第二十三页，共28页第一章第一章 绪论绪论三、压缩性三、压缩性压缩性压缩性压缩性压缩性：流体的宏观体积随着作用压强的增大而减小
20、的性质。流体的宏观体积随着作用压强的增大而减小的性质。1.1.体积压缩系数体积压缩系数2.2.2.2.体积弹性模量体积弹性模量w 实际流体都是可压缩的。实际流体都是可压缩的。w 液体的压缩性很小，如水的相对压缩值约液体的压缩性很小，如水的相对压缩值约1/200001/20000。故一般工程设计中，认为水的压缩可以。故一般工程设计中，认为水的压缩可以忽略，其密度可视为常数。忽略，其密度可视为常数。你现在浏览的是第二十四页，共28页第一章第一章 绪论绪论四、表面张力特性四、表面张力特性1.1.1.1.表面张力现象表面张力现象表面张力现象表面张力现象3.3.3.3.表面张力系数表面张力系数表面张力系
21、数表面张力系数：自由表面内单位长度上所受的表面张自由表面内单位长度上所受的表面张力，力，SISI单位为单位为N/mN/m。w水滴悬在水龙头出口而不滴落；水滴悬在水龙头出口而不滴落；w细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；w铁针浮在液面上而不下沉。铁针浮在液面上而不下沉。2.2.2.2.表面张力表面张力表面张力表面张力：液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力。方向产生的拉力。录录 像像录录 像像你现在浏览的是第二十五页，共28页第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 作用在流体上
22、的力作用在流体上的力 在工程流体力学中，一般将作用在流体上的力分为表在工程流体力学中，一般将作用在流体上的力分为表面力和质量力两类。面力和质量力两类。1.1.1.1.表面力表面力表面力表面力(接触力接触力接触力接触力)：作用在流体隔离体表面上，其大小作用在流体隔离体表面上，其大小 与作用面积成正比。与作用面积成正比。你现在浏览的是第二十六页，共28页第一章第一章 绪论绪论2.2.2.2.质量力质量力质量力质量力(体积力体积力体积力体积力)：作用在流体隔离体内每个流体微团上，作用在流体隔离体内每个流体微团上，其大小与流体质量成正比。如重力、惯性力等。其大小与流体质量成正比。如重力、惯性力等。你现在浏览的是第二十七页，共28页