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1、流体力学泵与风机1现在学习的是第1页，共42页第一部分第一部分流体力学流体力学第一章第一章 绪论第二章第二章 流体静力学流体静力学第三章第三章 一元流体动力学基础一元流体动力学基础第四章第四章 流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失第五章第五章 孔口管嘴管路流动孔口管嘴管路流动2现在学习的是第2页，共42页第一章 绪 论1.1 1.1 认识流体力学认识流体力学1.21.2作用在流体上的力作用在流体上的力1.31.3流体流体的主要的主要力学力学性质性质1.4 1.4 流体的力学模型流体的力学模型3现在学习的是第3页，共42页1.11.1 认识流体力学 自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要
2、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：固态固态、液态和气态、液态和气态二、流体的定义：二、流体的定义：二、流体的定义：二、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是流体（即能够流动的物体）的物体是流体（即能够流动的物体）。液体和气体是液体和气体是流体流体固体静止时固体静止时既能承受压力，也能承受拉力与剪切力既能承受压力，也能承受拉力与剪切力 ；流体只能承受压力，一般不能承受拉力，流体只能承受压力，一般不能承受拉力，任何一个任何一个 微小的剪切力都能使流体发生连续的变形微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。一、流体力学的定义：一、流体力学的定义
3、：一、流体力学的定义：一、流体力学的定义：研研究究流流体体在在静静止止与与运运动动状状态态下下的的力力学学规规律律及及其其工工程程应应用用的的学学科科（研研究究对对象、内容及目的）象、内容及目的）4现在学习的是第4页，共42页 液体与气体的区别液体与气体的区别液体与气体的区别液体与气体的区别：液体的流动性小于气体；液体的流动性小于气体；气体易于压缩；而液体难于压缩气体易于压缩；而液体难于压缩 ；液体具有一定的体积，并取决于容器的形状，液体具有一定的体积，并取决于容器的形状，存在一个自由存在一个自由液面液面；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，不存在自由液，不存在自由
4、液面面。液体与气体的共同点：液体与气体的共同点：液体与气体的共同点：液体与气体的共同点：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生连续变形或流动，故二者统称为流体。生连续变形或流动，故二者统称为流体。三、流体的特征三、流体的特征三、流体的特征三、流体的特征流动性流动性-在任意微小剪切力作用下会发生连续变形的在任意微小剪切力作用下会发生连续变形的 特性特性 流动性是区别流体和固体的基本力学特征，是便于用管道、流动性是区别流体和固体的基本力学特征，是便于用管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工作介质的主要原因。渠道进行输送，适宜作供热、
5、供冷等工作介质的主要原因。5现在学习的是第5页，共42页四、流体的分类四、流体的分类流体分为牛顿流体和非牛顿流体流体分为牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体：指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低牛顿流体：指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。粘性流体。非牛顿流体：是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪非牛顿流体：是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。非牛顿流体
6、广泛存在以及低速流动的气体等均为牛顿流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于现在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多种体所定义的非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像红细胞那样的液，以及像红细胞那样的“半流体半流体”都属于非牛顿流体。都属于非牛顿流体。本课程讲述的是牛顿流体本课程讲述的是牛顿流体6现在学习的是第6页，共42页五、生活中的流体力学五、生活中的流体力学 水往低处流水往低处流司马光砸缸；司马光砸缸；风平浪静，无风不起浪；微风吹拂，微波荡漾；大风风平浪静，无风不起浪；微风吹拂
7、，微波荡漾；大风大浪；狂风大作，波浪滔天大浪；狂风大作，波浪滔天 ；高尔夫球的粗糙表面；高尔夫球的粗糙表面；足球的弧圈球，乒乓球的旋球技术足球的弧圈球，乒乓球的旋球技术 ；飞机之所以能起飞；飞机之所以能起飞；两张纸相吸的实验两张纸相吸的实验 ；风案、船案风案、船案-“流体力学流体力学”断案。断案。认识的形象化、具体化认识的形象化、具体化学以致用，善于利用，趋利避害。学以致用，善于利用，趋利避害。汽车的形状进化汽车的形状进化 ；7现在学习的是第7页，共42页五、流体力学的研究方法五、流体力学的研究方法1.1.理论方法理论方法 理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本理论分析的一般过程是：
8、建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。解释求解结果。理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范围有限。分析范围有限。理论基础：理论基础：1、质量守恒原理质量守恒原理 2、能量守恒原理、能量守恒原理 3、动量定理、动量定理4、牛顿三大定律、牛顿三大定律18现在学习的是第18页，共42页2.2.实验方法实验方法 实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体
9、测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。典型的流体力学实验有：典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验风洞实验、水洞实验、水池实验等。等。测量技术有：测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量照相；压力、密度测量等。等。现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。实时测量方面已取得长足进步。实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现
10、象，检验理论结果等，实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。但结果的普适性较差。19现在学习的是第19页，共42页 数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。常用的方法有：常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法分析法等。等。计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算；计算的内容包括：飞机、汽车、河
11、道、桥梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程计算软件已成为湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。研究工程流动问题的有力武器。数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。确性和计算机的性能所限制。l l 三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。3.数值
12、方法数值方法20现在学习的是第20页，共42页1.2 作用在流体上的力一、质量力一、质量力质量力是作用于流体的每一个质点上的力质量力是作用于流体的每一个质点上的力对对于于均均质质流流体体，质质量量力力与与体体积积成成正正比比，又又称称体体积积力或超距力力或超距力质量力包括重力和惯性力质量力包括重力和惯性力单单位位质质量量所所受受到到的的质质量量力力称称为为单单位位质质量量力力，用用f 表表示示对于均质流体对于均质流体 单位质量重力（X，Y，Z）=（0，0，-g)单位质量惯性力1.2 作用在流体上的力21现在学习的是第21页，共42页二、表面力二、表面力表表面面力力是是作作用用在在流流体体表表面
13、面或或截截面面上上且且与与作作用用面面的的面面积积成成正正比比的的力，表面力又称面积力或接触力力，表面力又称面积力或接触力表面力包括压力和切力表面力包括压力和切力作用于单位面积上的压力称为压强，以作用于单位面积上的压力称为压强，以p表示表示 作用于单位面积上的切力称为切应力，以表示 压强和切应力的单位：N/m2（Pa），kN/m2（kPa）22现在学习的是第22页，共42页1.31.3 流体的主要力学性质一、惯性一、惯性惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为g或或kg水的密度水
14、的密度=1000/m3水银的密度水银的密度=13.61000/m3均质流体的密度非均质流体的密度物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的反作用力称为惯性力23现在学习的是第23页，共42页二、重力特性二、重力特性地地球球对对地地球球表表面面附附近近物物体体的的引引力力称称为为重重力力。用用G表示，重力的大小称为重量表示，重力的大小称为重量G=mg重量的单位为重量的单位为N，kN1N=1m/s2单位体积的重量是单位体积的重量是容重容重=g24现在学习的是第24页，共42页三、粘滞性三、粘滞性流体具有流动性流体具有流动性流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质流动性是流体受切力作用发生连续变形
15、的性质这种变形亦称为剪切变形这种变形亦称为剪切变形流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流体流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流体的粘（滞）性的粘（滞）性或者说流体内部质点间或流层间因相对运动而产或者说流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（内力）以反抗相对运动的性质称为生内摩擦力（内力）以反抗相对运动的性质称为流体的粘（滞）性流体的粘（滞）性25现在学习的是第25页，共42页牛顿内摩擦定律实验证明内摩擦力实验证明内摩擦力T T与两流层间速度差与两流层间速度差dudu和流层的和流层的接触面积接触面积A A成正比，与流层间距离成正比，与流层间距离dydy成反比，与流成反比，与流体的种
16、类有关，与流体的压力大小无关体的种类有关，与流体的压力大小无关动力粘滞系数动力粘滞系数m m，单位：，单位：Ns/m2。运动粘滞系数运动粘滞系数，单位：为，单位：为m2/s 流体的运动粘度和动力粘度圆管流圆管流26现在学习的是第26页，共42页 粘性表象粘性表象平板间流动平板间流动圆管内流动圆管内流动27现在学习的是第27页，共42页速度梯度是速度沿垂直于速度方向y的变化率，单位s-1.可以看出，速度梯度就是直角变形速度，这个直角变形速度是在切应力的作用下发生的，所以，也称剪切变形速度。28现在学习的是第28页，共42页粘度的影响因素粘度的影响因素1）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大
17、于气体的）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。粘度。2）压强。对常见的流体，如水、气体等，）压强。对常见的流体，如水、气体等，m m值随压强的变化值随压强的变化不大，一般可忽略不计。不大，一般可忽略不计。3）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。度减小，气体的粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度 所产生的切应力减小，所以m值减小。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主 要是由气体分子运动动量交换的结果所引起
18、的。温度 升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以m值增加。粘滞性产生的原因：粘滞性产生的原因：29现在学习的是第29页，共42页水和空气的粘滞系数温度T()水水的动力粘度（10-3Ns/m2）水水的运动粘度（10-6m2/s）空气空气的动力粘度（10-3Ns/m2）空气空气的运动粘度（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.7
19、16.617.630现在学习的是第30页，共42页水的运动粘度与温度的关系31现在学习的是第31页，共42页 例 题例1-1 两平行平板间隙=1cm，水温为20，下板固定不动，上板以u=2m/s的速度向右运动。设流速沿间隙按线性分布。试求：（1）切应力（2）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。32现在学习的是第32页，共42页（1）查表得=1.00510-3Ns/m2 （2）F=T=A=0.2012=0.402N解：33现在学习的是第33页，共42页例例1-2 气气缸缸内内壁壁的的直直径径D=12cm，活活 塞塞 的的 直直 径径d=11.96cm，活活塞塞的的长长度度l=14cm，活活塞塞往往
20、复复运运动动的的速速度度为为1m/s，润润滑滑油油液液的的=1P(1P=0.1Pas)，试试问问作用在活塞上的粘滞力为多少？作用在活塞上的粘滞力为多少？解：解：34现在学习的是第34页，共42页四、压缩性和热胀性四、压缩性和热胀性压缩性：压缩性：T不变时，不变时，P增大，增大，V随之减小的性质。随之减小的性质。热胀性：热胀性：P不变，不变，T升高时，升高时，V增大的性质增大的性质。1、液体的压缩性和热胀性、液体的压缩性和热胀性体积压缩系数体积压缩系数E 的单位为N/m2液体的压缩性很小，一般可将水作为不可压缩液体处理 的单位为m2/N 体积弹性模量35现在学习的是第35页，共42页液体的热胀系
21、数液体的热胀系数2、气体的压缩性和热胀性 气体具有显著的压缩性和热胀性 当气体运动速度小于一定的数值时，可不考虑其压缩性。当速度为68m/s 时，密度变化为1%；当速度为150m/s 时，密度变化为10%36现在学习的是第36页，共42页例例1-3已已知知压压强强为为1at(98.07kN/m2)，0oC时时的的烟烟气气容容重为重为13.13N/m3，求，求200oC时的烟气容重及密度。时的烟气容重及密度。解：解：37现在学习的是第37页，共42页五、表面张力特性五、表面张力特性由于分子间的吸引力，在液体的由于分子间的吸引力，在液体的自由表面自由表面上能够承上能够承受极其微小的张力受极其微小的
22、张力表面张力：表面张力：表面张力能够发生在液体和气体、液体和固体、两种液体相表面张力能够发生在液体和气体、液体和固体、两种液体相接触的周界上。接触的周界上。气体不存在表面张力，因为由于扩散作用不存在自由表面。气体不存在表面张力，因为由于扩散作用不存在自由表面。h水重力与表面张力产生的附加压重力与表面张力产生的附加压力的铅垂分力相平衡，所以：力的铅垂分力相平衡，所以：为液体的表面张力系数为液体的表面张力系数38现在学习的是第38页，共42页1.4 流体的力学模型一、连续介质模型一、连续介质模型流体的宏观特性和微观运动流体的宏观特性和微观运动质质点点的的概概念念：宏宏观观看看非非常常小小，可可视视
23、为为空空间间的的一一个个点点；微微观观看看又又很很大大，每每个个质质点点包包含含足足够够多多的的分分子子并并保保持持着宏观运动的的一切特性着宏观运动的的一切特性连续介质模型将连续介质模型将流流体看作由无数没有微观运动的体看作由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙的连续体，表征质点组成的没有空隙的连续体，表征流流体运动的体运动的各物理量（密度、速度、应力等等）在时间和空间各物理量（密度、速度、应力等等）在时间和空间上都是连续分布和连续变化的上都是连续分布和连续变化的39现在学习的是第39页，共42页1.4 流体的力学模型二、理想流体二、理想流体实实际际流流体体总总是是存存在在粘粘性性，实实际际流流体体称称为为粘粘性性流流体体为简化研究，忽略流体的粘性，引入理想流体为简化研究，忽略流体的粘性，引入理想流体的概念。无粘性即的概念。无粘性即=0的流体称为理想流体。的流体称为理想流体。三、不可压缩流体三、不可压缩流体密度不变：这是不计压缩性和热胀性对流体物理性密度不变：这是不计压缩性和热胀性对流体物理性质的简化质的简化本课程主要讨论不可压缩流体本课程主要讨论不可压缩流体40现在学习的是第40页，共42页作作业业1-5、1-6、1-7、1-1141现在学习的是第41页，共42页