流体力学基础(绪论) 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史

流体力学基础***第一章绪论§1.1   流体的定义、流体力学的任务及其发展简史§1.2  流体的力学模型§1.3  流体的主要物理性质§1.4流体的分类§1.5作用在流体上的力***第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体定义流体力学研究的对象是流体，流体是液体和气体的总称。 流体力学任务流体力学作为力学的一个分支，研究在各种力的作用下，流体处于静止和宏观运动状态时的规律及流体与固体边界间发生相对运动时的相互作用：（1）管道、明渠中的流体运动（2）物体在流体中的运动及流体绕过物体的运动（3）水的动力作用（4）流体机械*第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史（1）第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段（2）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（3）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（4）第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展*第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段远古时代，箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的探索。在我国，墨家经典《墨子》中就有关于浮力规律的探讨，其他如：北魏贾思勰的《齐名要术》、《淮南子》、以及后来的《太平寰宇记》、《考工记》等都有关于流体力学问题的记载。曹冲称象、怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识脍炙人口的故事。*第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段公元前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。*第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史第二阶段（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即伯努利方程1775年　欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程*第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实验 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 人物有皮托（H.Pitot）、谢才（A.deChezy）、达西（H.Darcy）等。提出很多经验公式：　　　*第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实验经验公式：　　　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　比托——比托管（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） *第一章绪论§1.1  流体的定义、流体力学的任务及其发展简史 流体力学发展简史第四阶段（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） 侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学 侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学 *第一章绪论§1.2流体的力学模型（连续介质模型） 质点的概念宏观看充分小，可视为空间的一个点；微观看又充分大，每个质点包含足够多的分子并保持着宏观运动的的一切特性。 连续介质模型将流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，表征流体运动的各物理量在时间和空间上都是连续分布和连续变化的。 建立连续介质模型的意义可用连续 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力学的问题。 *第一章绪论§1.2流体的力学模型（连续介质模型） 注意稀薄气体动力学问题,连续介质模型不再适用(分子间距大)。 *第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 惯性密度 流体密度与温度和压力密切相关。 常见的密度（在一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气压下）： 4℃时的水　　　　　　 20℃时的空气*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 流动性静止流体在切应力作用下，发生连续变形的特性称为流动性。流动性是流体与固体的主要区别标志，也是液体和气体被统称为流体的主要依据。 粘性在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力。内摩擦力产生的微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换。*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 粘性⑴牛顿内摩擦定律流体的粘性可通过牛顿内摩擦定律予以定义，表达式为：式中，为作用于外法线为y方向的平面上，沿x方向的切应力；为速度梯度，也称为角变形率；为动力粘度，Pa·s。*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 粘性⑴牛顿内摩擦定律速度梯度的物理意义：udt(u+du)dtdudtdydθ——角变形速度（剪切变形速度）流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 粘性粘度动力粘度（系数）μ：与流体性质有关　Pa·s运动粘度（系数）：　　　　m２/s微观机制液体　吸引力　T↑　μ↓气体　热运动　T↑　μ↑*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 粘性粘度动力粘度（系数）μ：与流体性质有关　Pa·S运动粘度（系数）：　　　　m２/s微观机制液体　吸引力　T↑　μ↓气体　热运动　T↑　μ↑*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 压缩（膨胀）性⑴体积压缩率(压缩系数)流体受到压力后体积或密度发生变化的特性称为压缩性，通常用体积压缩率KT表示，单位为m2/N。将倒数定义为流体的体积模量，单位为Pa。a.体积压缩率(压缩系数)*第一章绪论§1.3流体的主要物理性质 压缩（膨胀）性⑵膨胀系数（）在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比，解决实际问题时，是否要考虑流体的压缩或膨胀性，要根据具体情况进行分析论证。*第一章绪论§1.4流体的分类 牛顿流体与非牛顿流体根据流体是否满足牛顿内摩擦定律将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体：水、空气、水银等；非牛顿流体：胶体、润滑剂、聚合溶液、泥浆、血液、夹沙水流等。*第一章绪论§1.4流体的分类 牛顿流体与非牛顿流体根据流体组成是否均匀，将流体分为均质流体和非均质流体。均质流体：单一的水流或气流等；非均质流体：水和气的混合流体、夹沙水流等。 可压缩流体与不可顿流体根据流体的压缩性，将流体分为可压缩流体和不可压缩流体。一般情况下，气体多属于可压缩流体，而液体属于不可压缩流体。*第一章绪论§1.4流体的分类 粘性流体与无粘性流体根据是否考虑流体的粘性，可将流体分为粘性流体与无粘性流体。粘性流体即实际流体；无粘性流体即理想流体。*第一章绪论§1.5作用在流体上的力 质量力质量力是作用于流体的每一个质点上且与质量成正比的力。质量力包括重力和惯性力、离心力等。对于均质流体，质量力与体积成正比，又称体积力。单位质量所受到的质量力称为单位质量力，用f表示。对于均质流体，f=F/m。*第一章绪论§1.5作用在流体上的力 表面力表面力外界对所研究流体表面的作用力，与表面积大小成正比。应力:单位表面力切线方向：切向应力——剪切力内法线方向：法向应力——压强流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力ΔFΔFnΔFτ*第一章绪论例题 例1-1质量力汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。dL*第一章绪论例题 例1-1解：dL注意：面积、速度梯度的取法*第一章绪论例题 例1-2旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045N·m。求该实验液体的粘度。Lhnr1r2*第一章绪论例题 例1-2解：dL注意：面积、速度梯度的取法；单位统一*第一章绪论例题 例1-3两平行平板间隙δ=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δ按线性分布。试求：（1）切应力τ沿间隙的分布（2）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。L*第一章绪论例题 例1-3解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，（（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402NdL********