《流体力学1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学1.ppt（48页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、力学我们周围世界物体的位置往往处于变动之中。物体位置的变动称为机械运动。力学，正是研究机械运动基本规律的学科。力学，是最古老 的学科之一。据史书记载，中国的墨翟（公元前478?392?）在墨经里已对力和运动下过定义，而且对杠杆的平衡有了理论的叙述。古希腊的亚里士多德（公元前384322）和阿基米德（公元前287?212）也提出了杠杆的平衡理论及浮力定律。从十六世纪开始，由于生产、航海以及军事上的需要，力学获得了很大的发展。意大利的达.芬奇(14521519)，多才多艺，他提出了力矩的概念，发现了力的平行四边形 定则，他还设计和制做出最早的飞行器。最具代表性的理论是哥白尼（14731543）的日
2、心说。开普勒在日心说基础上提出的行星三大运动定律伽里略（15641642）引入了加速度的概念，给出了自由落体的运动规律，等等。牛顿（16421727）在总结前人科学成果的基础上，提出了三大运动定律和万有引力定律，奠定了经典力学的基础，同时他还建立了微积分学，在力学和数学上都取得了辉煌的成就。欧拉（17071783）提出了刚体理论。伯努利(17001782)、拉格朗日（17361813）及哈密顿(18051865)等人，提出了与牛顿定律等价的另一些力学原理，如流体力学,使力学成为结构严谨、完整的理论体系。5EXIT几个实验现象1.船吸现象2.香蕉球3.飞机为什么能够起飞?7流体力学基础流体是液体
3、和气体的总称。流体力学是力学的一流体是液体和气体的总称。流体力学是力学的一个分支。它研究流体静止和运动的力学规律。个分支。它研究流体静止和运动的力学规律。流体流体(fluid)：容易形变的连续分布介质：容易形变的连续分布介质(medium)，（没有固定形状，容易流动的物质）。（没有固定形状，容易流动的物质）。特点特点特点特点：内部各部分之间极容易发生相对位移：内部各部分之间极容易发生相对位移 本章重点：讨论理想本章重点：讨论理想流体的运动性质和规律流体的运动性质和规律流体静力学流体静力学流体动力学流体动力学8主要内容和教学要求主要内容和教学要求 理想流体的定常流动理想流体的定常流动 连续性原理
4、连续性原理 伯努利方程及其应用伯努利方程及其应用 流体的粘滞性和内摩擦定律流体的粘滞性和内摩擦定律 掌握掌握理想流体的定常流动的有关概念，理想流体的定常流动的有关概念，连续性原理，伯努利方程及其应用。连续性原理，伯努利方程及其应用。理解理解牛顿粘滞定律，泊肃叶公式，斯托克斯公牛顿粘滞定律，泊肃叶公式，斯托克斯公式式。9一、理想流体一、理想流体一、理想流体一、理想流体 定义：定义：完全不可压缩的无黏滞性流体称为完全不可压缩的无黏滞性流体称为理想流体理想流体(ideal fluid)理想模型理想模型可以被看作理想流体的条件：可以被看作理想流体的条件：1.不不考虑压缩性考虑压缩性(compress
5、characteristic)液体压缩性小液体压缩性小 流体流动时，内部各层之间，外层与容器之流体流动时，内部各层之间，外层与容器之间有摩擦力，与黏滞性有关。有些液体黏滞性间有摩擦力，与黏滞性有关。有些液体黏滞性大，不能忽略。大，不能忽略。2.不考虑黏滞性不考虑黏滞性(viscous characteristic)气体压缩性大，但流动性大。气体压缩性大，但流动性大。气体和某些液体，如水，黏滞性小，可以忽略气体和某些液体，如水，黏滞性小，可以忽略1-1 理想流体的稳定流动理想流体的稳定流动 10 无黏滞性，流无黏滞性，流体中各点的速度体中各点的速度相同。相同。有黏滞性，流有黏滞性，流体中各点的速
6、度体中各点的速度不同。不同。流体的黏滞性取决于流体内部接触层间切向流体的黏滞性取决于流体内部接触层间切向黏滞力黏滞力(viscous force)(内摩擦力内摩擦力)的大小的大小。11A、B点速度不同点速度不同本身流速也变化本身流速也变化A、B点速度不同点速度不同本身流速不变化本身流速不变化稳定流动：流体质点流经空间各点的速稳定流动：流体质点流经空间各点的速度不随时间变化的流动。度不随时间变化的流动。二、稳定流动二、稳定流动二、稳定流动二、稳定流动12三、流线和流管三、流线和流管三、流线和流管三、流线和流管1.流线流线(streamlines)：在流体中，对某一时刻，在流体中，对某一时刻，取一
7、曲线，使得其上各点的速度方向都沿着取一曲线，使得其上各点的速度方向都沿着该曲线的切线方向，则这根曲线称为流线。该曲线的切线方向，则这根曲线称为流线。13注意注意:流线的切线方向与流体在该点的速度方向流线的切线方向与流体在该点的速度方向一致，即流体微元的速度方向；其疏密表示一致，即流体微元的速度方向；其疏密表示流速的大小。流速的大小。流线不是质元运动的轨迹，而是流速分布流线不是质元运动的轨迹，而是流速分布曲线，它是不能相交、没有折点的。曲线，它是不能相交、没有折点的。稳定流体的流线不随时间变化。稳定流体的流线不随时间变化。14计算机模拟的流线计算机模拟的流线计算机模拟的流线计算机模拟的流线15特
8、点：特点：1 流管上各点的流速都在其切线方流管上各点的流速都在其切线方向上，不穿过流管表面。向上，不穿过流管表面。2 流管内外的流体不会相混。流管内外的流体不会相混。2.流管流管(tube of flow):在流在流体内取一微小的闭合曲面，体内取一微小的闭合曲面，通过此面的流线所组成的细通过此面的流线所组成的细管叫流管。管叫流管。16 任取一段流管，如任取一段流管，如图图所示，所示，设设其两端的垂直截面其两端的垂直截面积积分分别别为为和 1-2 连续性方程和伯努利方程连续性方程和伯努利方程一、流体连续性方程一、流体连续性方程一、流体连续性方程一、流体连续性方程-质量流量守恒定律质量流量守恒定律
9、-体积流量守恒定律体积流量守恒定律17连续性方程连续性方程，理想流体在同一流管中稳定，理想流体在同一流管中稳定流动时流速与流管的截面积成反比。流动时流速与流管的截面积成反比。对于任意一个流管，一段时间内流入的流体对于任意一个流管，一段时间内流入的流体质量等于流出的流体质量。质量等于流出的流体质量。物理意义：物理意义：体现了流体在流动中质量守恒。对体现了流体在流动中质量守恒。对实际管道中不可压缩流体的不定常流动也适用。实际管道中不可压缩流体的不定常流动也适用。18 水龙头流出的水为什水龙头流出的水为什么下面比上面的细？么下面比上面的细？为什么用手挡住部分水为什么用手挡住部分水管出口，出水就会较急
10、管出口，出水就会较急?19二、理想流体的伯努利方程二、理想流体的伯努利方程二、理想流体的伯努利方程二、理想流体的伯努利方程 设某时刻这段流体在设某时刻这段流体在a1a2位置，经过极短时间位置，经过极短时间 t后，后，这段流体达到这段流体达到b1b2位置。位置。考虑流体的受力情况：重力，截面考虑流体的受力情况：重力，截面和流管管壁和流管管壁 上的压力上的压力做功的力：截面上的压力做功的力：截面上的压力周围流体的压力所作的总功为：周围流体的压力所作的总功为：理想流理想流体被认为不可压缩体被认为不可压缩a1b1和和a2b2两小段两小段流体的体积流体的体积S1v1 t和和S2v2 t相等，用相等，用
11、V表示表示20机械能增量：机械能增量：由功能原理：由功能原理：即：即：21 伯努利方程：伯努利方程：在同一管道中任何一点处，在同一管道中任何一点处，流体每单位体积的动能和势能以及该处压强流体每单位体积的动能和势能以及该处压强之和为常量。之和为常量。伯努利方程是理想流体作稳定流动时的基本伯努利方程是理想流体作稳定流动时的基本方程，指出了理想流体在同一流管中作稳定方程，指出了理想流体在同一流管中作稳定流动时各处压强、流速和高度的关系。流动时各处压强、流速和高度的关系。22 理想流体定常流动的伯努利方程理想流体定常流动的伯努利方程理想流体定常流动的伯努利方程理想流体定常流动的伯努利方程 对同一对同一
12、流管中任一横截面均成立流管中任一横截面均成立压力头压力头速度头速度头位置头位置头单位重量流体单位重量流体的压力势能的压力势能单位重量流单位重量流体的动能体的动能单位重量流体单位重量流体的重力势能的重力势能适用范围：适用范围：理想流体、稳定流动、同一流管。理想流体、稳定流动、同一流管。23例：例：流速为零流速为零液体静压强公式：液体静压强公式：流体静力学是流体动力学的特殊情况。流体静力学是流体动力学的特殊情况。24流体静力学流体静力学（1）流体静压力的方向永远沿着作用面的内）流体静压力的方向永远沿着作用面的内法线方向；法线方向；（2）静止流体中任一点压强）静止流体中任一点压强p的大小，在各的大小
13、，在各个方向上都是相等的；个方向上都是相等的；（3）基本方程：）基本方程：p=p0+g（h0 h）=p0+gh 25图图 流体静力学基本方程的符号流体静力学基本方程的符号p0 h0 p hh26在方程中，在方程中，p是高度为是高度为h处的压强，处的压强，p0是高是高度为度为h0处处(譬如水面譬如水面)的压强，的压强，是液体密度，是液体密度，g是重力加速度，而是重力加速度，而h=h0 h是高度差。是高度差。（4）在静止平衡的流体中，当流体表面压强）在静止平衡的流体中，当流体表面压强增大时，它能够大小不变的传递到流体内增大时，它能够大小不变的传递到流体内部各点。部各点。p=p0+g（h0 h）=p
14、0+ghEXIT几个实验现象的解释1.船吸现象2.香蕉球3.飞机为什么能够起飞?281.小孔泄流小孔泄流由伯努力方程由伯努力方程得小孔流速得小孔流速流量流量三、伯努利方程应用举例三、伯努利方程应用举例三、伯努利方程应用举例三、伯努利方程应用举例 在大容器的器壁上水深为在大容器的器壁上水深为 h 处，开一直径处，开一直径为为d 的小圆孔，不计任何阻力，求小孔的泄的小圆孔，不计任何阻力，求小孔的泄流量。流量。托里拆里定律托里拆里定律292.皮托皮托(pitot)管原理管原理 一种用来测量流体速度的装置一种用来测量流体速度的装置 hAB1)测液体测液体液体流速为液体流速为30hAB气体流速为气体流速
15、为设设 为液体密度，为液体密度，为气体密度为气体密度2)测气体测气体31v1v2H主管细管3.文特利文特利(Venturi)流量计原理流量计原理32流量计流量计334.空吸作用空吸作用34例题例题 在如图所示的虹吸管装置中，已在如图所示的虹吸管装置中，已知知 和和 ，试问：（，试问：（1 1）当截面均匀的虹吸管）当截面均匀的虹吸管下端被塞住时，下端被塞住时，A、B和和C处的压强各为多大？处的压强各为多大？（2）当）当虹吸管下端开启时，虹吸管下端开启时，A、B和和C处的压处的压强又各为多大？强又各为多大？这时水流出这时水流出虹吸管的速率为虹吸管的速率为多大？多大？（1 1）当截面均匀的）当截面均
16、匀的虹吸管下端被塞住时：虹吸管下端被塞住时：解解35（2）当）当虹吸管下端开启时，虹吸管下端开启时，下端和下端和A处的压强仍为：处的压强仍为：由伯努利方程，得由伯努利方程，得这时水流出这时水流出虹吸管的速率为虹吸管的速率为38 无黏滞性，流无黏滞性，流体中各点的速度体中各点的速度相同。相同。有黏滞性，流有黏滞性，流体中各点的速度体中各点的速度不同。不同。流体的黏滞性取决于流体内部接触层间切向流体的黏滞性取决于流体内部接触层间切向黏滞力黏滞力(viscous force)(各层流体之间存在的内摩各层流体之间存在的内摩擦力擦力)的大小的大小。1-3 黏滞液体的运动黏滞液体的运动39速度梯度速度梯度
17、黏滞定律黏滞定律 层流层流(laminar flow):各层各层流体互不混杂流体互不混杂一、实际流体的黏滞定律一、实际流体的黏滞定律一、实际流体的黏滞定律一、实际流体的黏滞定律xAByv=v(y)v=0ffzxOyv1v2f f42二、湍流二、湍流二、湍流二、湍流(turbulent flow)实际流体两种状态：层流、湍流实际流体两种状态：层流、湍流红色液体与水密度一样红色液体与水密度一样红色液体与水密度一样红色液体与水密度一样阀门开启程度不同，阀门开启程度不同，A管中水流状态有何管中水流状态有何不同？不同？A Av很大或很大或S线度增大时流体在向前运动同时还出现横向运动线度增大时流体在向前运
18、动同时还出现横向运动43A A湍湍湍湍A A阀门微开阀门微开阀门开大阀门开大阀门再开大阀门再开大阀门开启程度不同，阀门开启程度不同，A管中水流状态有何不同？管中水流状态有何不同？44 管道或河渠中的水流，通风管道中的空气流，一般管道或河渠中的水流，通风管道中的空气流，一般皆为湍流。出现条件皆为湍流。出现条件雷诺雷诺(O.Reynolds)判据：判据：实验得出实验得出湍流湍流层流层流不稳定过渡状态不稳定过渡状态45三、泊肃叶定律三、泊肃叶定律三、泊肃叶定律三、泊肃叶定律L段之压力差段之压力差黏滞阻力黏滞阻力定常流动定常流动液体在半径为液体在半径为R的圆管内流动的圆管内流动黏滞力黏滞力L46定常流
19、动定常流动47四、斯脱克斯定律四、斯脱克斯定律四、斯脱克斯定律四、斯脱克斯定律 固体在理想流体中匀速运动时，不受阻力。固体在理想流体中匀速运动时，不受阻力。在实际流体中运动，由于存在黏滞性，会受到在实际流体中运动，由于存在黏滞性，会受到阻力的作用。阻力的作用。球体球体在实际流体中所受到的在实际流体中所受到的黏滞阻力可用黏滞阻力可用斯脱克斯定律斯脱克斯定律(Stokes law)描述描述 为黏滞系数，为黏滞系数，r 为小球半径，为小球半径，v为小球在流体为小球在流体中的运动速度。中的运动速度。48 小球所受黏滞阻力与浮力之和与重力平小球所受黏滞阻力与浮力之和与重力平衡衡,小球开始作匀速直线下落时的速度称小球开始作匀速直线下落时的速度称收收收收尾速度尾速度尾速度尾速度(terminal velocity)v vT T(沉积速度沉积速度)小球密度小球密度 0液体密度液体密度