1、流体力学与流体机械流体力学,主讲：somebody山东科技大学机械电子工程学院,联系方式,电话：13792902530电子信箱：办公室：J8-306,教材,教材,流体力学与流体机械之流体力学 ，张景松编著，高等学校教学用书，中国矿业大学出版社，2010.12（第3版）,主要参考书,黄卫星，陈文梅主编，工程流体力学，北京：化学工业出版社，2001 许贤良，陈庆光等编著.“十一五”高等学校（矿业）规划教材流体力学，北京：中国矿业大学出版社，2007 孔珑等主编，国家“九五”重点教材流体力学(I、II)，北京：高等教育出版社，2003.9 孔珑主编，普通高等教育“十一五”规划教材工程流体力学(第三版
2、)，北京：中国电力出版社，2007.2 张兆顺，崔桂香编著，流体力学，北京：清华大学出版社，1999 景思睿，张鸣远编著，流体力学，西安：西安交通大学出版社，2001 Frank M. White, Fluid Mechanics, 5th ed., McGraw-Hill, New York, 2003,主要参考书,课时安排,授课学时 36周一下午5，6节（第9周-第17周）周四下午5，6节（第9周-第17周）注意：周一 教室：14-519 周四 教室：14-419,采矿11-1,2,3,纪律要求,这门课程的学习和其它各个学科一样，都需要大家认真上课、听讲。严禁上课聊天、听歌、打闹等与课程内
3、容无关的活动。上课关闭手机或改为静音,成绩考核,该门课程属于专业基础课，必修课。 考试内容：（1）基础知识（填空、简答、判断）（2）知识运用（计算题）最终成绩=平时（30%）+卷面（70%）,第1章 流体及其物理性质 第2章 流体静力学 第3章 流体运动学 第4章 流体动力学基础 第5章 粘性流体流动及阻力 第6章 能量损失及管路计算,总目录,EXIT,EXIT,课程的主要内容和基本要求,理解流体的主要物理性质，特别是粘滞性和牛顿内摩擦定律； 理解连续介质假设和流体质点的概念； 理解理想流体和实际流体、可压缩流体和不可压缩流体的概念。,绪 论,流体静力学,EXIT,掌握作用在流体上的质量力、表
4、面力的概念和表示方法。掌握流体静压强的概念及其特性，掌握流体静压强的计测和表示方法； 掌握流体平衡微分方程，计算重力场中静止流体压强分布掌握流体的绝对和相对平衡；,流体运动学,EXIT,了解描述流体运动的两种方法，建立以流场的观点描述流体运动的概念； 理解流线和迹线的概念，掌握它们的微分方程及求解方法； 了解流体微团速度分解定理，会判断流动是否有旋； 势函数和流函数。,流体动力学基础,EXIT,掌握理想流体运动方程（欧拉方程）的推导过程，了解不可压缩粘性流体运动方程（纳维斯托克斯方程），理解方程的物理意义； 掌握理想流体运动方程 欧拉方程的伯努利积分及其成立的条件，并会应用伯努利积分。 掌握流
5、体运动的总流分析法，熟悉恒定总流条件下的连续方程、能量方程和动量方程，并能综合运用计算总流问题。,粘性流体流动及阻力,EXIT,了解流动的两种流态（层流与紊流）及其判别，知道紊流的脉动特性与时间平均的概念； 知道圆管层流和紊流的断面流速分布； 牢固掌握确定圆管流动沿程水头损失系数和水头损失的途径和方法。,能量损失及管路计算,EXIT,掌握短管、简单长管水力计算； 了解局部阻力系数水力计算方法； 掌握沿程阻力系数水力计算方法。,EXIT,第一章 流体及其物理性质,EXIT,11 课程概述,12 流体的概念,13 流体的密度和重度,14 流体的压缩性与膨胀性,15 流体的粘性,EXIT,11 课程
6、概述,流体力学的学科性质流体力学的主要研究内容与流体力学相关的工程领域和学科流体力学的研究方法流体力学发展简史,EXIT,力学,一、流体力学的学科性质,研究对象力学问题载体,宏观力学分支遵循三大守恒原理,流体力学,水力学,流体,水,力学,强调水是主要研究对象,EXIT,1. 流体在外力作用下，静止与运动的规律； 2. 流体与边界的相互作用。,二、流体力学（水力学）的主要研究内容,固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界：飞机、船只等,EXIT,三、与流体力学相关的工程领域和学科,EXIT,供水系统：开拓水渠；取水口布置；水的净化与消毒；水泵选择；水塔修建；管道设计。 公路桥梁：路基沉陷
7、、崩塌、滑坡、排水；桥梁、涵洞修建。 土建施工：修建围堰、基坑排水、污水排放。,水力学问题举例,EXIT,四、流体力学（水力学）的研究方法,理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。,基本假设,数学模型,解析表达,理论分析,数值计算,实验研究,数学模型,数值模型,数值解,模型试验,量测数据,换算到原型,EXIT,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶19世纪末）流体力学沿着两个方向发展欧拉、伯努利第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,五
8、、流体力学发展简史,第一阶段（16世纪以前）：萌芽阶段,公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）公元前300多年 李冰：都江堰深淘滩，低作堰公元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。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（16世纪文艺复兴后-18世纪中叶）-基础阶段,1586年斯蒂芬水静力学原理1650年帕斯卡“帕斯卡原理”1612年伽利略物体沉浮的基本原理1686年牛顿牛顿内摩擦定律1738年伯努利理想流体的运动方程的积分伯努利方程1775年欧拉
9、理想流体的运动微分方程欧拉运动方程,第三阶段(18世纪中叶-19世纪末,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（计算谢才系数）1732年毕托毕托管（测流速）1797年文丘里文丘里管（测流量）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（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,理论分析与试验研究相结合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
10、，形成了很多新的分支和交叉学科.,六、单位制,自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。,一. 流体的定义,流体与固体的区别,具有流动性的物体（即能够流动的物体）。,流体包括气体和液体。,固体的变形与受力的大小成正比；,任何微小的剪切力都会使流体发生连续不断的变形 流动。,12 流体的概念,液体与气体的区别,二. 流体的特征,液体的流动性小于气体； 液体具有固定的体积，并取决于容器的形状；而 气体充满任何容器，无固定体积。,流动性-在任意微小剪切力作用下都会发生连续变形的特 性。,只要有剪切力的作用，流体就不会静止下来，发生连续变形而流动。,流体
11、只有在运动状态下，当流体质点之间有相对运动时，才能抵抗剪切变形。,EXIT,流体在静止时不能承受剪切力，抵抗剪切变形。,作用在流体上的剪切力不论多么微小，只要有足够的时间，便能产生任意大的变形。,运动流体抵抗剪切变形的能力（产生剪切应力的大小）体现在变形的速率上，而不是变形的大小（与弹性体的不同之处）。,EXIT,二、 流体质点概念和连续介质假设,1mm3空气2.71016个分子,( 1个大气压，00C),流体质点概念,宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。 微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致
12、于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。,EXIT,连续介质假设,连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的 应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用该假设的力学统称为“连续介质力学”。除了个别情形外，在水力学中使用连续介质假设是合理的。,连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。,EXIT,以密度为例，考察物理量是怎样定义在流体质点上的。若流体微团的体积为V，质量为m，则流体质点密度为,其中V0 的含义应理解为流体微团趋于流体质点。,连续介质假设为建立流场的概
13、念奠定了基础：设在 t 时刻，有某个流体质点占据了空间点 (x,y,z)，将此流体质点所具有的某种物理量（数量或矢量）定义在该时刻和空间点上，根据连续介质假设，就可形成定义在连续时间和空间域上的数量或矢量场。,13 流体的密度和重度,密度的定义：单位体积流体所具有的质量。,密度的单位：kg/m3 。,几种常见流体的密度： 水1000 kg/m3 空气1.23 kg/m3 水银136000 kg/m3,均匀流体的密度：,重度的定义：重度的单位： N/m3,2.流体的相对密度,流体的密度与4oC时水的密度的比值。,式中，f 流体的密度，kg/m3； w4oC时水的密度kg/m3。,3.流体的比容,
14、单位质量流体所占有的体积，即流体密度的倒数。,单位：m3/kg,EXIT,流体能承受压力，在受外力压缩变形时，体积缩小，密度加大，并产生内力（弹性力）予以抵抗，在撤除外力后恢复原状，流体的这种性质称为压缩性。,压缩系数:单位压力增加所引起的体积相对变化量。 称为体积弹性系数。,E 越大，越不易被压缩,压缩性,14 流体的压缩性和膨胀性,EXIT,T,T+T,V,将相对体积膨胀值 dVV 与温度增量 dT 之比值称为体积膨胀系数。 V 越大，越易膨胀。,膨涨性,流体受热，体积膨胀，密度减小，当温度下降后能恢复原状，流体的这种性质称为膨胀性。,EXIT,液体的压缩性和膨胀性都很小。例如，压强每升高
15、一个大气压，水的密度约增加0.5/10000；常温下，温度每升高10C，水的密度约减小1.5/10000。 气体具有显著的压缩性和膨胀性。,液体和气体的压缩性和膨涨性,通常情况下，气体的密度随压力和温度的变化很明显。对于实际气体，当压力不大于10Mpa时，遵循理想气体（ideal gas）状态方程：,式中：气体的密度 T热力学温度 R气体常数 p绝对压力,例11 压缩性问题压缩系数计算,厚壁容器中盛有,的水，初始压力为,当压力增至,时，问水的体积减小了多少？,。,解：取水的弹性模数,粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。 流体层间发生相对滑移
16、运动时产生切向力的性质。 理想流体分子间无引力，故没有黏性。 静止的流体因为没有相对运动而不表现出黏性。,流体粘性实验,15 流体的粘性（viscosity）,牛顿内摩擦定律,牛顿平板剪切流动实验,当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布,牛顿内摩擦定律,实验表明，对于大多数流体（一维、层流、牛顿流体），存在,引入比例系数，得两层流体间内摩擦应力（剪应力）：,速度梯度，1/s;,剪切变形率，rad/s;,单位面积上的内摩擦力，动力粘度， Pas。,由牛顿内摩擦定律可得到如下结论: 粘性切应力与速度梯度成正比；,粘性切应力与角变形速率成正比；,比例系数表征了流体粘性的动力学特性，称为
17、动力粘度。,动力粘度（dynamic viscosity）:表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体粘性的大小。,运动粘度（kinematic viscosity）,粘性的表示方法及其单位,单位：（Ns/m2 或 Pas ）,注：油液的牌号是以40时运动黏度的数学期望值命名的。如20号油液，在40时运动黏度的期望值为20mm2/s。,恩氏黏度（Engler Degrees） 恩氏黏度是指200ml的某温度下的液体从恩氏黏度计（=2.8mm小孔）流出的时间，与200ml的20蒸馏水流出恩氏黏度计的时间的比值。,粘度的影响因素,温度对流体粘度的影响很大,压力对流体粘度的影响不大，一
18、般忽略不计,液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度,气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度,EXIT,液体以此为主,气体以此为主,运动粘性系数 具有运动学量纲。,注意,今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。,形成牛顿内摩擦力物理机理, 分子间的吸引力, 分子运动引起流体层间的动量交换,随着温度升高，液体的粘性系数下降；气体的粘性系数上升。,EXIT,满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。,对于非牛顿流体，切应力 和剪切（角）变形速率之间的关系不是正比例关系。,牛顿流体与非牛顿流体,例2 同心
19、环形缝隙运动如图所示，直径为d的轴回转角速度为，轴套长度为L，间隙为，油液黏度为，研究轴表面上的摩擦力、轴的摩擦矩和轴的摩擦功率。,注意牛顿黏性定律适用的条件：一维、层流、牛顿流体。,解：通常间隙 ，速度分布近乎线性分布，按 牛顿黏性定律，速度梯度: 则摩擦力为 则摩擦力矩为 则摩擦功率为,例3 直径为d、长为L的柱塞在缸体内作往复运动，运动方程为 ， 为频率，柱塞与缸体间隙为，试研究柱塞上的摩擦功率（图1-5所示）。,主要求解步骤：,例4. 半径为R的圆盘与平板间隙为，旋转角速度为，油液黏度为，试研究圆盘的摩擦力、摩擦力矩和摩擦功率（图16所示）。,解：圆盘不同半径处线速度 不同，速度梯度不同，摩擦力也不同，但在微小面积上可视为常量。在半径r处，取增量dr，微面积 ，则微面积上的摩擦力为积分上式则有dF上的摩擦力矩积分上式则有则摩擦功率为,小 结,1.基本概念：流体、流体质点、流体微团；连续介质假设；流体的热膨胀性、可压缩性、粘性。2.重点：流体的可压缩性计算、牛顿内摩擦定律及应用(适用条件)、粘度的三种表示方法。,作业：习题1.8，1.10，1.13,
