1、粘性流体力学教案主讲：刘正先参考书：粘性流体力学 由南工、华工、重大、天大合编粘性流体力学基础陈矛章粘性流体力学章梓雄、董曾南 清华大学出版社粘性流体力学怀特 魏中磊译 机械出版社流体力学吴望一、周光垌流体力学张也影第一章 绪论和基本概念（图片和教学电影）第一节 工程流体力学的研究对象、任务和方法理论流体力学：偏重数理分析，属基础科学范畴。工程流体力学：着眼于工程应用，属应用科学范畴。方法：1. 理论方法：适当的假定、理论模型、数学工具求解。2. 实验方法：实验模型推测实际。3. 计算方法：模拟数值解。第二节 流体质点与连续介质概念一、 流体的物理属性流体（液体和气体统称流体）的三个基本属性：
2、1 由大量分子组成；2 分子不断作随机热运动；3 分子与分子之间存在着分子力的作用。流体的两个特点：1 流体不能承受拉力；2 流体在宏观平衡状态下不能承受剪应力。 总称为流体的易流动性。二、 流体质点的概念(理论模型之一 )定义：流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。形 状 可 任 意 划 定） 的 一 个 物 理 实 体包 含 有 足 够 多 分 子 在 内） 微 观 尺 寸 足 够 大） 宏 观 尺 寸 非 常 小432)1三、 连续介质的概念(理论模型之二 )第三节 流体的密度、比体积和相对密度表征流体质量的几个基本概念。dVmVli0vm均质流体的概念：空间上质量分
3、布是均匀的，但流体密度和比体积可以随温度和压强而变化。流体的密度、比体积两者关系： v1相对密度：物体质量与同体积 4蒸馏水质量之比。无量纲数。第四节 流体的压缩性和膨胀性一、 气体压缩性和膨胀性的方程表示理想气体的状态方程： TmRpVgp, 是绝对压强，Pa， 2/1NPa二、 流体压缩性和膨胀性的系数表示：1. 流体的体胀系数（图 12）dtVTVTVttV 1li/li00 物理意义：当压强不变时，每增加单位温度所产生的流体体积相对变化率。2. 流体的压缩率（图 14）dppkppT 1lim/li00 物理意义：当温度不变时，每增加单位压强所产生的流体体积相对变化率。气体的等温压缩率
4、： pVTmRdpVkggT 1)(12注：压强越高，气体的等温压缩率越小，压缩越困难；反之。压强较低时，气体比较容易压缩。3. 流体的体积模量dkKVT/lim10三、 不可压缩流体的概念：等温压缩率和体胀系数完全为零的流体。特点：密度、比体积和相对密度均为常数。第五节 流体的粘性一、 粘性概念（图示） （采用 kankan1.ppt 中 46）二、 牛顿内摩擦定律（图示 1-9）三、 粘度：1. 定义和单位。 2. 变化规律四、 理想流体的概念五、 应用举例（可图示 1-14，15，16）第二章 管中流动四部分： 短 管 和 长 管 计 算沿 程 阻 力 和 局 部 阻 力 计 算 方 法
5、能 量 损 失 的 形 成 原 因 和层 流 和 湍 流.43.21第一节 雷诺实验一、 临界速度与临界雷诺数 （动画 01、02、03）二、 层流湍流的形成原因 （图见教材（52） ）与粘性力和惯性力的关系。三、 水力直径SAdH4A：过流断面面积； S：过流断面上流体与固体接触的湿周长。四、 管中层流湍流的水头损失规律层流区 ： vkkhf 101lg45tanlgl f1湍流区: mf vkkh22lgtanlgl fh2（m1）第二节 圆管中的层流一、 分析层流运动的两种方法1. 第一种方法根据圆管中层流的数学特点对 N-S 方程式进行简化，定常不可压缩完全扩展段的管中层流具有如下五方
6、面的特点：1) 只有轴向运动2）定常、不可压缩3）速度分布的轴对称性4）等径管路压强变化的均匀性5）管道中质量力不影响其流动性能： rlpdrvy22. 第二种方法：受力分析法02)(221 rlrp引入牛顿内摩擦定律得： rlpdrvy2二、速度分析与流量24rRlpvy lpdRlprdldAvqy 128824402 三、平均速度和最大速度; lpRv82 vlpRv24max四、切应力分布lpR20 lvRllpRlF8220 五、动能与动量修正系数六、沿程损失1）压强损失 23dlvp2）水头损失 2glhf由 得 Re64 gdlgdlf 2Re6423）功率损失 FvpqghPv
7、vf 七、层流起始段第三节 圆管中的湍流一、时均流动与脉动 Tudt01 0111000 TudtudtTdtuTuTtt Ttttt0ttt二、混合长度理论两层之间的切应力为： （雷诺切应力）uturb22dyvLturb：湍动粘度dyvyvyvturblam)(22 三、管中湍流的切应力分布和速度分布1）粘性底层、水力光滑管与水力粗糙管粘性底层厚度： Re8.32d2）速度分布在粘性底层： yvx在湍流核心： Ckxln10第四节 管路中的沿程阻力，gdlhf2dfRe,一、尼古拉兹（Nikuradse）实验1. 层流区： Re642. 临界区： 31025.3. 光滑管湍流区： 78)(
8、2.e4d柏 拉 修 斯 （ Blasius） 式 ： 25.0Re3164.0 （ 3060截止阀6.5 5.5 4.5 3.5 3.0 2.5 1.8 1.705 10 15 20 25 30 35 400.24 0.52 0.90 1.54 2.51 3.91 6.22 10.8045 50 55 60 65 70 90 蝶阀 18.7 32.6 58.8 118 256 751 全开时（即 ）0da(mm)d15 2050 80 100 150 2002501.5 0.5 0.4 0.2 0.1 0.08各种开度时d开度 daMm in 1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 112.
9、5 1/2 450 60 22 11 2.2 1.019 3/4 310 40 12 5.5 1.1 0.2825 1 230 32 9.0 4.2 0.90 0.2340 3/2 170 23 7.2 3.3 0.75 0.1850 2 140 20 6.5 3.0 0.68 0.16100 4 91 16 5.6 2.6 0.55 0.14150 6 74 14 5.3 2.4 0.49 0.12200 8 66 13 5.2 2.3 0.47 0.10闸阀300 12 56 12 5.1 2.2 0.47 0.07二、水头损失的叠加原则一条管道上的总水头损失，为管道上的所有沿程损失与局部
10、损失的算术加法求和。 gvdlhf 21） dleLglef 2称为管路的总阻力长度elL2） de2mehg称为管路的总阻力系数。e第六节 管路计算通常在工程上遇到的管道计算问题有以下三种情况：1） 已知所需的流量 和管道尺寸 、 ，计算压降 或确定Qldp所需的供水水头。2） 已知管道的尺寸 、 及水头 或允许的压降 ，确定实ldH际可以获得的流量 。Q3） 已知所需的流量 和实际具有的作用水头 ，并给定管长，计算管径 。ld一、短管计算短管计算中应包括沿程损失、局部损失和出流的速度水头。二、管路特性：gdlhHf225242816vvv KqLqdLelldgdgLK52528串联管路：
11、K=K1+ K2+ K3并联管路：321kk三、长管计算长管计算，运用阻力综合参数可以使计算过程简化。第三章 孔口出流第一节 薄壁孔口出流薄壁孔口定义：l/d2 p1 p2 1 2 R 孔 板 流 量 计 一、孔口出流公式孔口收缩系数： ACcgvgpvcc221 pCpDdCvcc 21142Cv 为孔口的流速系数Cq 为孔口流量系数, 1ccvqC二、孔口出流系数出流系数指标志孔口出流性能的参数，如流速系数、流量系数 、收缩系数与阻力系数等。三、大孔口的出流公式收缩系数：437.06.DdCc出流速度： gHCDdgpDdCv vccc 21221 442 流量公式： gAgHAvq qc
12、ccV 242流速系数： 421DdCcv流量系数： 42cvcq第二节 厚壁孔口出流（图 66）厚壁孔口： 42dl一、厚壁孔口出流公式孔口内收缩gvgvp221gHCpDdv2114 Cv 为孔口的流速系数， vCq 为孔口流量系数, vqC二、厚壁孔口出流系数总阻力系数 321Cv0.82, Cc=1, Cq=0.82.三、孔口与管嘴出流性能的比较第三节 孔口及机械中的气穴现象第四章 缝隙与边界层流动第一节 平行平面缝隙与同心环形缝隙（图 71 至 75）一、速度分布规律定常、连续、不可压缩、忽略质量力，N-S 方程简化为：边界条件：01012zpxzvypy 0 v,yzzvlvy02
13、二、切应力与摩擦力 002vlpBlF0三、流量与无泄漏缝隙021vlpqv006四、功率损失与最佳缝隙lBvlpP203210057.3b五、压差流与剪切流（表 71）第四章 边界层理论（图片和教学电影）第一节 边界层概念(1)紧贴壁面非常薄的一层，该薄层内速度梯度很大，这一薄层称为边界层。(2)边界层以外的流动区域，称为主体区或外流区。该区域内流体速度变化很小，流体流动可近似看成是理想流体流动。附面层内流体的流动和管内流动一样，也可以有层流和湍流两种流态。流体流过光滑平板时，边界层由层流转变为湍流发生在Rec=21053106 u u u u u u u 层 流 边 界 层 过 渡 区 湍
14、 流 边 界 层 x 边 界 层 的 发 展 边界层的基本特征有：1） 与物体的长度相比，边界层的厚度很小；2） 边界层内的速度梯度很大；3） 边界层沿流动方向逐渐增厚；4） 由于边界层很薄，可近似地认为，边界层中各截面上的压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；5） 在边界层内，粘滞力相对于惯性力不可忽略，两者处于同一数量级；第二节 边界层厚度1）边界层名义厚度：在实际应用中规定从固体壁面沿外法线到速度达到势流速度 99%处的距离为边界层的名义厚度，用 表示。2）位移厚度（排挤厚度）：整个边界层厚度内，有粘性流动相对于无粘性流动所亏损的质量流量与单位厚度内无粘性流动的质量流量之比。 00*1dyUue3）动量厚度：整个边界层厚度内，有粘性流动相对于无粘性流动所亏损的动量流量与单位厚度内无粘性流动的动量流量之比01dyUuee4）形状因子： *H第三节 边界层方程 0yvxu 221yuxpFyuvxut xb 22yvxyyvxtvyb LLx llvv* , 2* , vpvvutc 0*yvxu 2*2*2* Re1yuxxpFvLyuvxutS Lbx 2*2*2* eyvxyvyvxtv Lby0*yvxu 2*2* Re1yuxpFvLyuvxutS Lbx *0yp
