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1、流体力学多媒体课件河北工程大学环境工程系朱长军河北工程大学环境工程系朱长军本门课的性质与任务n n性质:环境工程专业的一门专业基础课，是 一门必修课n n任务:通过该课程的学习，使学生掌握：“流体力学的基本思想，基本理论，基本方法”，并培养学生应用理论分析和解决工程中的实际问题。注意环节n n（1）实验：要注意观察实验现象，分析其实质，从而巩固和加深对课堂理论知识的理解。n n（2）解题：解题无疑是教学过程中必不可少的一个重要环节。通过解题可以所学理论，提高分析问题解决问题的能力本门课与其它课程的关系n n本门的先修课程是“高等数学”、“理论力学”，“大学物理”，其后续课程是“水污染控制工程”
2、，“大气污染控制工程”成绩考核n n总成绩=期末考试（70%）+平时（30%）（其中作业5%，实验10%，出勤等考核15%）n n原则上无故旷课1/3，取消考试资格参考书目n n徐文娟，工程流体力学，哈尔滨工程大学出版社，2002年7月n n王惠民，工程流体力学，河海大学出版社，2005年1月n n周光召流体力学，高等教育出版社第一章 绪论流体力学是研究在各种力的作用下,流体处于静止和运动状态时的规律以及流体与固体边界发生相对运动的相互作用.是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象液体和气体。流体力学发展简史n第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段n第二阶段（16世纪文艺复兴以后-1
3、8世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段n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n第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展第一阶段（第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段n公元前2286年公元前2278年大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）n公元前300多年李冰都江堰深淘滩，低作堰n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n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第二阶段（第二阶段（16世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以
4、后-18世纪中叶）流体力学世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段成为一门独立学科的基础阶段n1586年斯蒂芬水静力学原理n1650年帕斯卡“帕斯卡原理”n1612年伽利略物体沉浮的基本原理n1686年牛顿牛顿内摩擦定律n1738年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程n1775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（第三阶段（18世纪中叶世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方世纪末）流体力学沿着两个方向发展向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验）n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
5、数）1732年比托比托管（测流速）1797年文丘里文丘里管（测流量）n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）第四阶段（第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展n理论分析与试验研究相结合n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1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设 微观：微观：微观：微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，流体是由大
6、量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。分子间存有空隙，在空间是不连续的。宏观：宏观：宏观：宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。距离大得多。问题的引出：问题的引出：1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设 定义：不考虑流体分子间的间隙，把定义：不考虑流体分子间的间隙，把定义：不考虑流体分子间的间隙，把定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无流体视为由无 数连续分布的数连续分布的流体微团流体微团组成的连续介质。组成的连续介质。流体微团必须具备的两个条件流体微团必须具备的两个条件必须包含足够多的
7、分子；必须包含足够多的分子；体积必须很小。体积必须很小。一、流体的一、流体的连续介质假设连续介质假设1.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要形态：一、流体的定义一、流体的定义一、流体的定义一、流体的定义流体与固体的区别流体与固体的区别具有具有流动性流动性的物体（即能够流动的物体）的物体（即能够流动的物体）。液体和气体是流体液体和气体是流体固态固态、液态和气态、液态和气态 固体的变形与受力的大小成正比；固体的变形与受力的大小成正比；任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形任何一个微小的剪
8、切力都能使流体发生连续的变形。1.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征一、流体的定义（续）一、流体的定义（续）一、流体的定义（续）一、流体的定义（续）液体与气体的区别液体与气体的区别二、流体的特征二、流体的特征二、流体的特征二、流体的特征流动性流动性 液体的流动性小于气体；液体的流动性小于气体；-在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性 液体具有一定的体积，并取容器的形状；液体具有一定的体积，并取容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积气体充满任何容器，而无一定体积。1.3 1.3 作用在流体表面上的力作用在流体表面上的力两类作用在流体上的力：两类
9、作用在流体上的力：表面力和质量力表面力和质量力一、表面力一、表面力1.应力应力 分离体以外的流体通过分离体以外的流体通过流体分离体表面作用在流体上流体分离体表面作用在流体上的力，其大小与作用面积成比的力，其大小与作用面积成比单位面积上的表面力。单位面积上的表面力。1.3 1.3 作用在流体表面上的力作用在流体表面上的力一、表面力（续）一、表面力（续）2.法向法向应力和切向应力应力和切向应力 1.3 1.3 作用在流体表面上的力作用在流体表面上的力二、质量力二、质量力 作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。成正比。例如：重力、惯性力、磁力例如
10、：重力、惯性力、磁力1.4 1.4 流体的密度流体的密度一、流体的密度一、流体的密度单位体积流体所具有的质量。单位体积流体所具有的质量。密度表征物体惯性的物理量。密度表征物体惯性的物理量。单位：单位：kg/mkg/m3 3 常见流体的密度：常见流体的密度：水水1000 kg/m3 空气空气1.23 kg/m3 水银水银136000 kg/m3均匀流体：均匀流体：1.4 1.4 流体的密度流体的密度二、流体的相对密度二、流体的相对密度流体的密度与流体的密度与4 4o oC C时水的密度的比值。时水的密度的比值。式中，式中，f 流体的密度（流体的密度（kg/m3）w4oC时水的密度（时水的密度（k
11、g/m3）1.4 1.4 流体的密度流体的密度三、流体的比容三、流体的比容单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位：单位：m3/kg1.4 1.4 流体的密度流体的密度四、混合气体的密度四、混合气体的密度混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。式中：式中：1，2，n 各组分气体的密度各组分气体的密度 a1，a2，an各组分气体所占的体积百分数各组分气体所占的体积百分数221.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性一、流体的压缩性一、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质
12、。流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数压缩系数2.体积模量体积模量 单位压力增加所引起的体积单位压力增加所引起的体积相对变化量相对变化量1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性流体体积随着温度的增大而增大的性质。流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.体胀系数体胀系数单位温度增加所引起的体积单位温度增加所引起的体积相对变化量相对变化量1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性三、可压缩性流体和不可压缩性流体三、可压缩性流体和不可压缩性流体1.可压缩性可压缩性 2.可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体 可压缩流
13、体：考虑可压缩性的流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体 不可压缩流体不可压缩流体(incompressible flow)：不考虑可压缩性的流体：不考虑可压缩性的流体流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。n n注：n n(a)严格地说，不存在完全不可压缩的流体。n n(b)一般情况下的液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。n n(c)对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。n n(d)管路中压降较大时，应作为可压缩流体。体积模量体积模量K流体的压缩性在工程上往往用体积模量来表示体积模量体积模量K K（bulk modul
14、us of elasticitybulk modulus of elasticity）是是体积压缩率的倒数。体积压缩率的倒数。n nk k与与K K随温度和压强而变化，但变化甚微。随温度和压强而变化，但变化甚微。n n说明：说明：n na.a.K K越大，越不易被压缩，当越大，越不易被压缩，当K K趋向无穷趋向无穷时，表示时，表示该流体绝对不可压缩该流体绝对不可压缩 。n nb.b.流体的种类不同，其流体的种类不同，其k k和和K K值不同。值不同。n nc.c.同一种流体的同一种流体的k k和和K K值随温度、压强的变化而值随温度、压强的变化而变化。变化。n nd.d.在一定温度和中等压强下
15、，水的体积模量在一定温度和中等压强下，水的体积模量变化不大变化不大1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性1.1.粘性的定义粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1)(1)库仑实验库仑实验(1784)(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)1 1.粘性的粘性的定义定义(续续)(2)(2)流体粘性所产生的
16、两种效应流体粘性所产生的两种效应 流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体降粘附于它所接触的固体表面。流体降粘附于它所接触的固体表面。1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 (1)(1)牛顿平板实验牛顿平板实验当当h和和u不是不是很大时，两平板间沿很大时，两平板间沿y y方向的流速呈线性分布，方向的流速呈线性分布，1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(续续)(2)(2)牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律实验表明，对于大多数流
17、体，存在实验表明，对于大多数流体，存在引入比例系数引入比例系数，得：得：1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(续续)(2)(2)牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(续续)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；(2)(2)粘性切应力与角变形速率成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；(3)(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：CDBAdbadydudt1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)流体粘性大小的度量流体粘性
18、大小的度量,由流体流动由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。的内聚力和分子的动量交换引起。(1)(1)动力粘度动力粘度(2)(2)运动粘度运动粘度3.3.粘度粘度1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)3.3.粘度（续）粘度（续）粘度（续）粘度（续）(3)(3)粘度的影响因素粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大温度对流体粘度的影响很大温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：液体：液体：液体：分子分子分子分子内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要因素。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
19、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因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。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 流体种类一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度流体种类一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)3.3.粘度（续）粘度（续）粘度（续）粘度（续）(4)(4)粘度的测量粘度的测量管流法管流法落球法落球法旋转法旋转法工业粘度计工业粘度计1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性二、粘性流体和理想流体二、粘性流体和理想流体1.1
20、.粘性流体粘性流体粘性流体粘性流体 具有粘性的流体（具有粘性的流体（00）。）。2.2.理想理想流体流体流体流体 忽略粘性的流体（忽略粘性的流体（=0 0）。）。一种理想的流体模型。一种理想的流体模型。1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性三、牛顿流体和非牛顿流体三、牛顿流体和非牛顿流体1.1.牛顿牛顿流体流体流体流体 2.2.非牛顿非牛顿流体流体流体流体 符合牛顿内摩擦定律的流体符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体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。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。1.7 1
21、.7 液体的表面性质液体的表面性质一、表面张力一、表面张力1.1.表面张力现象表面张力现象 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。1.7 1.7 液体的表面性质液体的表面性质一、表面张力（续）一、表面张力（续）(1)(1)影响球影响球影响球影响球 液体分子吸引力的作用范围大约在以液体分子吸引力的作用范围大约在以液体分子吸引力的作用范围大约在以液体分子吸引力的作用范围大约在以34343434倍平均分子距倍平均分子距倍平均分子距
22、倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为为半径的球形范围内，该球形范围称为为半径的球形范围内，该球形范围称为为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球影响球影响球影响球”。2.2.表面张力表面张力 (2)(2)表面层表面层表面层表面层 厚度小于厚度小于厚度小于厚度小于“影响球影响球影响球影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。半径的液面下的薄层称为表面层。半径的液面下的薄层称为表面层。半径的液面下的薄层称为表面层。(3)(3)表面张力表面张力表面张力表面张力（N/m)N/m)N/m)N/m)液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产液体
23、表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产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生的拉力生的拉力生的拉力,单位长度上的这种拉力称为表面拉力。单位长度上的这种拉力称为表面拉力。单位长度上的这种拉力称为表面拉力。单位长度上的这种拉力称为表面拉力。1.7 1.7 液体的表面性质液体的表面性质二、毛细现象二、毛细现象液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。1.1.内聚力，附着力内聚力，附着力 2.2.毛细压强毛细压强由由表面张力表面张力引起的附加压强称为毛细压强引起的附加压强称为毛细压强当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力1.7 1.7 液体的表面性质液体的表面性质二、毛细现象（续）二、毛细现象（续）3.3.毛细管中液体的上升或下降高度毛细管中液体的上升或下降高度