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1、第第1 1章章 绪论绪论（Preface Preface）目的：目的：了解流体的基本物理性质了解流体的基本物理性质(流淌性、粘性、流淌性、粘性、可压缩性可压缩性)内容：内容：连续介质假设连续介质假设流体的流淌性、粘性、可压缩性等物理性质流体的流淌性、粘性、可压缩性等物理性质作用在流体上的力。作用在流体上的力。11.1流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义1.1.11.1.1探讨对象探讨对象探讨对象探讨对象流体流体流体流体(FluidFluid),),),),包括包括包括包括液体液体(LiquidLiquid)和和和和气体气体气体气体(GasGas)。1)1)1)1)流体与固体的区分：
2、流体与固体的区分：流体与固体的区分：流体与固体的区分：l l 固体：具有确定形态，不易变形，能承受法向应力，固体：具有确定形态，不易变形，能承受法向应力，固体：具有确定形态，不易变形，能承受法向应力，固体：具有确定形态，不易变形，能承受法向应力，l l亦能承受切向力，可以通过应力、亦能承受切向力，可以通过应力、亦能承受切向力，可以通过应力、亦能承受切向力，可以通过应力、应变关系来描述应变关系来描述应变关系来描述应变关系来描述l l其变形。其变形。其变形。其变形。l l 流体：无固定形态，只能承受压力，一旦受到剪切流体：无固定形态，只能承受压力，一旦受到剪切流体：无固定形态，只能承受压力，一旦受
3、到剪切流体：无固定形态，只能承受压力，一旦受到剪切l l力，便连绵不断变形，产生流淌；力，便连绵不断变形，产生流淌；力，便连绵不断变形，产生流淌；力，便连绵不断变形，产生流淌；它只能通过应变它只能通过应变它只能通过应变它只能通过应变l l与速度变更率描述。与速度变更率描述。与速度变更率描述。与速度变更率描述。21.1.11.1.1探讨对象探讨对象探讨对象探讨对象 液体液体液体液体无形态，有确定的体积；不易压缩，存在自无形态，有确定的体积；不易压缩，存在自无形态，有确定的体积；不易压缩，存在自无形态，有确定的体积；不易压缩，存在自 由（液）面。由（液）面。由（液）面。由（液）面。气体气体气体气体
4、既无形态，也无体积，易于压缩。既无形态，也无体积，易于压缩。既无形态，也无体积，易于压缩。既无形态，也无体积，易于压缩。水动力学水动力学(Hydrodynamics)空气动力学空气动力学(Aerodynamics)2)2)2)2)液体与气体的区分：液体与气体的区分：液体与气体的区分：液体与气体的区分：3)3)3)3)流体力学的进一步分类：流体力学的进一步分类：流体力学的进一步分类：流体力学的进一步分类：31.1流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义水动力学基础水动力学基础势流理论势流理论(波浪理论波浪理论)、粘流理论、粘流理论、边界层理论及机翼理论。边界层理论及机翼理论。课程体系课程
5、体系静力学、运动学、动力学（志向流、静力学、运动学、动力学（志向流、粘流）。粘流）。4)4)4)4)船舶流体力学探讨内容：船舶流体力学探讨内容：船舶流体力学探讨内容：船舶流体力学探讨内容：力学意义力学意义流场中速度和压力分布及其变更规律、流场中速度和压力分布及其变更规律、物体与流体相互作用、流体对物体的作用力（矩）物体与流体相互作用、流体对物体的作用力（矩）及其产生的缘由及影响因素。及其产生的缘由及影响因素。4江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技技技技 大大大大 学学学学*理论探讨方法：通过对流体物理性质和流淌特征的科学抽象（近似）抽出合理的理论模型。对这样的理论模型，依据机械运动的普遍规律，建立
6、限制流体运动的闭合方程组，将原来的具体流淌问题转化为数学问题，在相应边界条件和初始条件下求解。理论探讨方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法求出理论结果。由于数学上的困难，很多实际问题还难以精确求解 理论流体力学。*试验探讨方法：将实际流淌问题归结为相像的试验模型，依据试验过程和试验结果来推想实际问题结果 试验流体力学。*数值探讨方法：在计算机运用的基础上，接受各种离散方法（有限差分法，有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值试验，获得定量描述流淌的数值解。近二三十年来这一方法得到很大发展，已形成特地的学科 计算流体力学。1.1 1.1 流体力学的探讨对象及意义流体力
7、学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义5 5 5 5）流体力学探讨方法：）流体力学探讨方法：）流体力学探讨方法：）流体力学探讨方法：理论方法、试验方法、数值方法。理论方法、试验方法、数值方法。5江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技大技大技大技大 学学学学 流体力学的萌芽，是自距今约2200年希腊学者阿基米德的论浮体一文起先的。他对静止流体的性质作了第一次科学总结。流体力学的主要发展，是从牛忽然代起先的，1687年牛顿的名著原理探讨了流体的阻力、波浪运动等问题，使流体力学起先变为力学中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经验了四个阶段：1、伯努利所提出的液体运动的能量
8、估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为探讨液体运动的规律奠定了理论基础，在这一基础上形成了属于数学的古典“水动力学”（或古典流体力学）；2、在古典“水动力学”的基础上，Navier和stokes提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程N-S方程。从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但是由于古典流体力学在理论上的假设，如志向流体与实际不尽相符，或数学上求解方程的困难，不能满足地解决工程问题，故而形成了以试验方法来制定阅历公式的“试验流体力学”；1.1 1.1 流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义5 5 5 5）流体力学的发展史）流体
9、力学的发展史）流体力学的发展史）流体力学的发展史6江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技技技技 大大大大 学学学学3、从十九世纪末起，人们将理论分析方法和试验分析方法相结合以解决实际问题，“古典流体力学”和“试验流体力学”的内容也不断更新。在此基础上，最终形成了理论与实际并重的现代流体力学；这期间，英国工程师、物理学家雷诺阐明白相像原理，流体流淌有层流和湍流两种形态，判别准数雷诺数，雷诺方程。英国物理学家、数学家瑞利提出了量纲分析求流淌相像准则。4、二十世纪六十年头以后，由于计算机的独创与普及，出现了在理论分析和试验视察的基础上拟定计算方案，利用计算机编程求解数值解的流体力学探讨方法，即“计算流体力
10、学“。现代测量技术如激光测速仪等的应用和计算机在试验数据的监测、采集等中的应用，都促进了工程流体力学的发展。1.1 1.1 流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义7江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技大技大技大技大 学学学学在我国水利的历史特别悠久。在我国水利的历史特别悠久。在我国水利的历史特别悠久。在我国水利的历史特别悠久。*四千多年前”大禹治水“的故事顺水之性，治水需引导和疏通。*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、国渠和灵渠）明渠水流和堰流。*古代的计时工具“铜壶滴漏”孔口出流*清朝雍正年间，何梦瑶在算
11、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。*隋朝完成的南北大运输河。*隋朝工匠李春在（公元605617年）修建的赵洲石拱桥 拱背的4个小拱，既可减压主拱的负载，又可宣泄洪水。*中华人民共和国成立以来，根治了淮河工程，黄河的综合工程，长江综合利用、整治工程和几座大桥相继建成，长江三峡工程顺当建成。1.1 1.1 流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义流体力学的探讨对象及意义8江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技技技技 大大大大 学学学学流体力学已广泛用于国民经济的各个领域。流体力学已广泛用于国民经济的各个领域。流体力学已广泛用于国民经济的各个领域。
12、流体力学已广泛用于国民经济的各个领域。uu 在水利建设中：如防洪、浇灌、航运、水力发电、河道整治等；在水利建设中：如防洪、浇灌、航运、水力发电、河道整治等；u 在航空航天中：如航天飞机、人造卫星等;u 在国民经济的其他技术部门中：如机械工程中的润滑、液压传动；船舶的行波阻力；市政工程中的通风、通水，高层建筑的受风作用；铁路、马路隧道中的压力波传播、汽车的外形与阻力的关系；血液在人体内的流淌；污染物在大气中的扩散等。1.1 1.1 流体力学及流体力学课程概述流体力学及流体力学课程概述流体力学及流体力学课程概述流体力学及流体力学课程概述1.1.3 1.1.3 工程应用工程应用9江江江江 苏苏苏苏
13、科科科科 技技技技 大大大大 学学学学1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设流体的连续介质假设流体的连续介质假设 实际流体是由分子组成的，流体分子是有确定形态的，流体分子与分子之间存在间隙，每个分子不停地做无规则的热运动，从微观结构上来看，在空间和时间上都是不连续的，但是流体力学探讨的是流体的宏观规律，一般不须要探讨流体分子的微观结构，客观上又是稳定和连续的。因此须要对流体的物理实体加以模型化。1753年瑞士自然科学家欧拉首先提出了连续介质模型 为宏观的流体力学模型，即假定流体是由多数流体质点所组成，这些流体质点紧密接触,彼此没有间隙。*流体质点流体质点宏观上足够小,以致于可以将
14、其看成一个几何上没有维度的点；它的形态是随意的，因此流体质点之间可以紧密接触，彼此没有间隙。微观上足够大，它里面包含许很多多的流体分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质；10江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技技技技 大大大大 学学学学*流体微团流体微团接受连续介质模型后，就可以把流体的一切物理性质如密度、压强、温度及宏观运动速度等表为空间和时间的连续可微函数，便于用数学分析工具来解决问题。！通常将流体中随意小的一个微元部分称作流体微团。当流体微团的体积无限缩小并以一个坐标点为极限时，流体微团就成为位于该坐标点上的流体质点。1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设流体的连续介质假设
15、流体的连续介质假设112)2)2)2)假设的合理性及其意义假设的合理性及其意义假设的合理性及其意义假设的合理性及其意义 合合理理性性：在在标标准准状状态态下下（,1atm1atm）1 1 空空气气中中，具具有有2.7 2.7 个个分分子子，水水具具有有3.4 3.4 个个分分子子，气气体体分分子子平均自由行程约为平均自由行程约为7 cm.7 cm.意意义义：可可以以应应用用数数学学方方法法描描述述流流体体的的连连续续流流淌淌，亦亦即即流流体体的各种物理量应为空间和时间的单值连续可微函数。的各种物理量应为空间和时间的单值连续可微函数。如流体密度：如流体密度：如流体密度：如流体密度：1.2 流体的
16、连续介质假设流体的连续介质假设12江江江江 苏苏苏苏 科科科科 技技技技 大大大大 学学学学1.1.流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质一、易流淌性一、易流淌性静止流体不能承受切应力，在切应力作用下流体能产生连续变形(流淌)。131.3流体的物理性质流体的物理性质 流体的密度流体的密度流体的密度流体的密度 重度重度重度重度 密度密度密度密度(density)(density)：()intheSIunitsystem比比容容(specificvolume)：重度重度重度重度（specificweightspecificweight）：）：）：）：比重比重（specificgr
17、avity）：）：141.3.21.3.2粘性粘性粘性粘性(viscosity)(viscosity)1)1)1)1)粘性的定义粘性的定义粘性的定义粘性的定义U流体运动时，对相邻两层流体间相对运动，即相对滑流体运动时，对相邻两层流体间相对运动，即相对滑动速度具有反抗剪切（力）变形的性质称为粘性或内动速度具有反抗剪切（力）变形的性质称为粘性或内摩擦。摩擦。151.3.21.3.2粘性粘性粘性粘性(viscosity)(viscosity)2)2)2)2)牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律图1.3.1NewtonsNewtons试验：试验：试验：试验：发觉粘俯现象（内摩擦力）
18、；发觉粘俯现象（内摩擦力）；发觉粘俯现象（内摩擦力）；发觉粘俯现象（内摩擦力）；发觉内摩擦（剪应）力和变形速率呈线性发觉内摩擦（剪应）力和变形速率呈线性发觉内摩擦（剪应）力和变形速率呈线性发觉内摩擦（剪应）力和变形速率呈线性161.3.21.3.2粘性粘性粘性粘性(viscosity)(viscosity)3)3)3)3)粘性系数粘性系数粘性系数粘性系数动动动动力力力力粘粘粘粘性性性性系系系系数数数数（Pa.sPa.s）。值值值值越越越越大大大大，流流流流体体体体越粘，抵抗变形运动的能力越强。越粘，抵抗变形运动的能力越强。越粘，抵抗变形运动的能力越强。越粘，抵抗变形运动的能力越强。运动粘性系数
19、（运动粘性系数（运动粘性系数（运动粘性系数（mm2 2/s/s）。常温常压下：常温常压下：常温常压下：常温常压下：粘性系数与温度的关系粘性系数与温度的关系粘性系数与温度的关系粘性系数与温度的关系171.3.2粘性粘性(viscosity)4)4)志向流体与粘性流体志向流体与粘性流体理理想想流流体体：的的流流体体（无无粘粘性流体）。性流体）。5)5)牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 牛牛牛牛顿顿顿顿流流流流体体体体:剪剪剪剪应应应应力力力力和和和和变变变变形形形形速速速速率率率率满满满满足足足足线线线线性性性性关系。关系。关系。关系。非非非非牛牛牛牛顿顿顿顿流流流流体体体体：剪剪剪剪切切
20、切切应应应应力力力力和和和和变变变变形形形形速速速速率率率率之之之之间间间间不不不不满足线性关系的流体。满足线性关系的流体。满足线性关系的流体。满足线性关系的流体。m1图1.3.4牛顿流体和非牛顿流体O181)1)压缩性定义：压缩性定义：1.3.31.3.3压缩性（压缩性（压缩性（压缩性（compressibilitycompressibility）流体的密度或容积随压力或温度变更的性质。流体都是流体的密度或容积随压力或温度变更的性质。流体都是流体的密度或容积随压力或温度变更的性质。流体都是流体的密度或容积随压力或温度变更的性质。流体都是可压缩的。可压缩的。可压缩的。可压缩的。压缩系数压缩系数
21、 体积模量体积模量膨胀系数膨胀系数（体胀系数）：（体胀系数）：191.3.3压缩性（压缩性（compressibility）2)2)2)2)可可可可压压压压缩缩缩缩流流流流体体体体和和和和不不不不行行行行压压压压缩缩缩缩流流流流体体体体，斜压、正压概念斜压、正压概念斜压、正压概念斜压、正压概念 不行压缩流体：不行压缩流体：不行压缩流体：不行压缩流体：正压流体：正压流体：正压流体：正压流体：斜压流体：斜压流体：斜压流体：斜压流体：201.4流体的界面现象和性质流体的界面现象和性质1.互不掺混流体界面上存在表面张力互不掺混流体界面上存在表面张力（surfacetension）2.流体与固壁界面表面
22、张力流体与固壁界面表面张力毛细现象：毛细现象：气、液、固三种界面之间的浸润作用。气、液、固三种界面之间的浸润作用。3.流流-固界面上速度的连续性固界面上速度的连续性粘性流体：粘性流体：界面上流体速度和固体运动速度相等。界面上流体速度和固体运动速度相等。（无滑移条件）（无滑移条件）理想流体：理想流体：界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上流界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上流-固速度的法向投影相等固速度的法向投影相等（不可穿透条件）（不可穿透条件）21 1.5作用在流体上的质量力和表面力作用在流体上的质量力和表面力 1.5.1质量力（体积力）质量力（体积力）：重力场中：重力场中：
23、单位质量质量力：单位质量质量力：质量力的合力：质量力的合力：SV透透过过物物质质传传递递的的力力。分分离离体体内内任任取取一一微微元元体体积积，其其质质量量为为 ，有有 221.5.2.表面力：表面力：表面力的合力表面力的合力表面力的合力表面力的合力SV外界通过接触传递的力，用应力来表示。外界通过接触传递的力，用应力来表示。231.5.3志向流体中一点处的应力志向流体中一点处的应力Pascalslaw志向（静止）流体中没有切应力志向（静止）流体中没有切应力 ，只承受压，只承受压力力 ，不能承受拉力。表面力只有法向压应力，不能承受拉力。表面力只有法向压应力p p24 压力是唯一的表面力，指向作用
24、面的内法线方向；压力是唯一的表面力，指向作用面的内法线方向；压力是唯一的表面力，指向作用面的内法线方向；压力是唯一的表面力，指向作用面的内法线方向；压力只是位置和时间的函数，与作用面的方位无关。压力只是位置和时间的函数，与作用面的方位无关。压力只是位置和时间的函数，与作用面的方位无关。压力只是位置和时间的函数，与作用面的方位无关。Thepressureatapointinafluidatrest,orinmotion,isindependentofThepressureatapointinafluidatrest,orinmotion,isindependentofdirectionaslongastherearenoshearingstressespresent.Thisdirectionaslongastherearenoshearingstressespresent.ThisimportantresultisknownasimportantresultisknownasPascals lawPascals law.图1.5.2 理想流体中一点处的应力D25作业：作业：1-31-41-51-61-7 26