,李杰林 采礦工程課程,工程流體力學(xué),Engineering Fluid Mechanics,第1章 流體及其主要物理性質(zhì),第2章 流體靜力學(xué),第3章 流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),第4章 流動(dòng)阻力和水頭損失,第5章 孔口、管嘴出流及有壓管流,第6章 明渠均勻流,第7章 明渠水流的兩種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換,工程流體力學(xué),Engineering Fluid Mechanics,第一章 流體及其主要物理性質(zhì),流 體 概 述,流 體 物 性,流 體 受 力,小 結(jié),本章主要闡述了流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡(jiǎn)史； 流體力學(xué)的概述與應(yīng)用；流體力學(xué)課程的性 質(zhì)、目的、基本要求；流體力學(xué)的研究方法 及流體的主要物理性質(zhì)。流體的連續(xù)介質(zhì)模 型是流體力學(xué)的基礎(chǔ)，在此假設(shè)的基礎(chǔ)上引 出了理想流體與實(shí)際流體、可壓縮流體與不 可壓縮流體、牛頓流體與非牛頓流體概念。,內(nèi)容提要,1.1.1 流體概述,指具有流動(dòng)性且自身不能保持一定形狀的物體，如氣體和液體。,一、流體,流 動(dòng),即流體受切應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的變形,流體具有以下特征,流體只能承受壓力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也將流動(dòng)（變形）不止，直到剪切力消失為止。,沒有固定的形狀，液體的形狀取決于盛裝它的容器；氣體完全充滿容器。,流體具有可壓縮性；液體可壓縮性小，水受壓從1個(gè)大氣壓增加至100個(gè)大氣壓時(shí)，體積僅減小0.5%；氣體可壓縮性大。,流體具有明顯的流動(dòng)性；氣體的流動(dòng)性大于液體。,呈現(xiàn)流動(dòng)性？,流體,固體,液體、氣體與固體的區(qū)別,流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。,二、流體力學(xué),流體力學(xué)分類, 理論流體力學(xué)（流體力學(xué)）, 應(yīng)用流體力學(xué)（工程流體力學(xué)）,工程流體力學(xué),研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及 其在工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門學(xué)科。,力學(xué),流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì),研究對(duì)象 力學(xué)問題載體,宏觀力學(xué)分支 遵循三大守恒原理,流體力學(xué),水力學(xué),流體,水,力學(xué),強(qiáng)調(diào)水是主要研究對(duì)象 比較偏重于工程應(yīng)用 土建類專業(yè)常用,流體力學(xué)（水力學(xué)）的主要研究?jī)?nèi)容,固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺(tái)等,運(yùn)動(dòng)邊界：飛機(jī)、船只等,研究?jī)?nèi)容,流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；,流體與 邊界 的相互作用。,空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問題是很普遍的。流體力學(xué)在許多學(xué)科和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)工科專業(yè)來(lái)講，其重要性不言而喻。,與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,船舶運(yùn)動(dòng),浮標(biāo),海洋平臺(tái),潛器,地效翼艇 （WIG）,航空航天航海,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,能源動(dòng)力,發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程,Wind Turbine,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī),蒸汽機(jī)車,能源動(dòng)力,楊浦大橋,能源動(dòng)力,氣象云圖,龍卷風(fēng),氣象科學(xué),環(huán)境控制,污水凈化設(shè)備模型,電廠冷卻塔,生物仿生學(xué),信天翁滑翔,應(yīng)用廣泛已派生出很多新的分支: 電磁流體力學(xué)、生物流體力學(xué) 化學(xué)流體力學(xué)、地球流體力學(xué) 高溫氣體動(dòng)力學(xué)、非牛頓流體力學(xué) 爆炸力學(xué)、流變學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等,排球,足球,網(wǎng)球,游泳,賽艇,鐵餅,高爾夫球,賽跑,賽車,標(biāo)槍,乒乓球,羽毛球,大部分競(jìng)技體育項(xiàng) 目與流體力學(xué)有關(guān),課程地位,工程流體力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁。課程的學(xué)習(xí)將有利于數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。,數(shù)理、力學(xué) 基礎(chǔ)課程,流體力學(xué) 專業(yè)基礎(chǔ)課程,學(xué)科有關(guān) 專業(yè)課程,水、氣流動(dòng)的基本規(guī)律 環(huán)境工程中的通風(fēng)、通水 燃燒中的空氣動(dòng)力學(xué) 污染物在大氣中的擴(kuò)散,環(huán)境工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：,城市防洪工程設(shè)計(jì)、城市給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì) 水塔高度的計(jì)算、水泵的選擇等 熱的供應(yīng)、空氣的調(diào)節(jié)、燃?xì)獾妮斉?排毒除濕、除塵降溫的計(jì)算等 室內(nèi)給排水設(shè)計(jì)、地基降水和抗?jié)B設(shè)計(jì) 橋涵孔徑水力設(shè)計(jì)、隧道地下工程的通風(fēng)等,土木工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：,通風(fēng)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、通風(fēng)管網(wǎng)設(shè)計(jì) 供、排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、排水泵的選擇等 壓氣的供應(yīng)、壓氣的輸配 充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、充填料的選擇、輸運(yùn) 選礦廠中的應(yīng)用,采礦工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：,流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2200年以前，西西里島的希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體”一文開始的。 他對(duì)靜止時(shí)的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一次科學(xué)總結(jié)。 流體力學(xué)的主要發(fā)展是從牛頓時(shí)代開始的，1687年牛頓在名著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中討論了流體的阻力、波浪運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立分支。此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：,1.1.2 流體力學(xué)發(fā)展歷史,1.萌芽期：,2.發(fā)展期：,奠基人是瑞士數(shù)學(xué)家伯努利(Bernoulli，D)和他的親密朋友歐拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推導(dǎo)出了著名的伯努利方程，歐拉于1755年建立了理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程，以后納維(Navier,C .H.)和斯托克斯(Stokes，GG)建立了粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程。拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，將歐拉和伯努利所開創(chuàng)的新興的流體動(dòng)力學(xué)推向完美的分析高度。,古典流體力學(xué)階段：,依靠實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)資料形成 雷諾(Reynolds，O.) 1904年普朗特(Prandtl，L.)提出了劃時(shí)代的邊界層理論，開創(chuàng)理論與實(shí)踐并重的現(xiàn)代流體力學(xué)階段,實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)階段：,現(xiàn)代流體力學(xué)階段：,我國(guó)水利學(xué)的發(fā)展,4000多年前的 “大禹治水”的故事 順?biāo)?，治水須引?dǎo)和疏通。 秦朝在公元前256公元前210年修建了我國(guó)歷史上的三大 水利工程（都江堰、鄭國(guó)渠、靈渠） 明渠水流、堰流。 古代的計(jì)時(shí)工具“銅壺滴漏”孔口出流。 清朝雍正年間，何夢(mèng)瑤在算迪一書中提出流量等于過 水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。 隋朝（公元587610年）完成的南北大運(yùn)河。 隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605617年）的趙州 石拱橋拱背的4個(gè)小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄 洪水。流體具有明顯的流動(dòng)性；氣體的流動(dòng)性大于液體。,理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合。三個(gè)方面是互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相取代的關(guān)系。,基本假設(shè),數(shù)學(xué)模型,解析表達(dá),理論分析,數(shù)值計(jì)算,實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模型,數(shù)值解,模型試驗(yàn),量測(cè)數(shù)據(jù),換算到原型,1.1.3 流體力學(xué)的研究方法,微觀上：流體分子距離的存在以及分子運(yùn)動(dòng)的 隨機(jī)性使得流體的各物理量在時(shí)間和空 間上的分布都是不連續(xù)的。 宏觀上：當(dāng)所討論問題的特征尺寸遠(yuǎn)大于流體 的分子平均自由程時(shí)，可將流體視為在 時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。,1.1.4 連續(xù)介質(zhì)假設(shè),問題的提出,個(gè)分子,1mm3空氣 ( 1個(gè)大氣壓，00C),宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)足夠小，只占據(jù)一個(gè)空間幾何點(diǎn)，體積趨于零。 微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)足夠大的分子團(tuán)，包含了足夠多的流體分子，以致于對(duì)這些分子行為的統(tǒng)計(jì)平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運(yùn)動(dòng)要素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。,流體質(zhì)點(diǎn)概念,問題的提出,流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程是連續(xù)的；表征流體的一切特性可看成 是時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù),流體介質(zhì)是由連續(xù)的流體質(zhì)點(diǎn)所組成，流體質(zhì)點(diǎn)占 滿空間而沒有間隙。,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是近似的、宏觀的假設(shè)，它為數(shù)學(xué)工具的 應(yīng)用提供了依據(jù)，在其它力學(xué)學(xué)科也有廣泛應(yīng)用，使用 該假設(shè)的力學(xué)統(tǒng)稱為“連續(xù)介質(zhì)力學(xué)”。除了個(gè)別情形外，在 水力學(xué)中使用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是合理的。,特例,航天器在高空稀薄的空氣中的運(yùn)行 血液在毛細(xì)血管中的流動(dòng),慣性及重力特性 壓縮性和膨脹性 粘性特性 表面張力特性,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),V0的理解，流體微團(tuán)/流體質(zhì)點(diǎn)的概念,一.慣性及重力特性,慣性是指物體具有反抗改變其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種性質(zhì)。,慣性,表征量：密度,單位體積流體的質(zhì)量。ML-3 ; kg/m3,對(duì)于均質(zhì)流體:,對(duì)于非均質(zhì)流體:,= 常數(shù),表征量：比容,密度的倒數(shù)。 m3/kg,對(duì)氣體:,對(duì)液體:,4 水的密度 = 1000kg/m3 水銀的密度 p= 13600kg/m3 0空氣的密度 = 1.29 kg/m3,對(duì)于均質(zhì)流體: 對(duì)于非均質(zhì)流體，各點(diǎn)的重度不同：,=g,地球?qū)ξ矬w的吸引力,重力特性,表征量：容重,單位體積流體的重量,4 水的容重 = 9807 N/m3。 水銀的容重 = 133326 N/m3。,粘性是流體抵抗變形的能力，是流體的固有屬性， 是運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源,二.流體的粘滯性,流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力 （內(nèi)力/粘性力）以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì),牛頓內(nèi)摩擦定律,U,T與流體種類有關(guān),當(dāng)流體作層狀流動(dòng)時(shí),牛頓發(fā)現(xiàn) :, 動(dòng)力粘滯系數(shù)。 N.s/m2 ；Pa.S 運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。 m2/S,1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m =0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m2 1m2/s = 104 cm2/s = 104 斯,T的影響較大，P的影響不大；,表征量粘度,反應(yīng)粘性大小的一個(gè)物理量，與流體種類有關(guān), 單位換算 :,粘度的影響因素:,容易解釋為什么 是剪切 （角）變形速率，它表示流體 直角減小的速度。,滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體， 否則稱為非牛頓流體。,角變形速率, 分子間的吸引力, 分子運(yùn)動(dòng)引起流體層間的動(dòng)量交換,液體以此為主,氣體以此為主,隨著溫度升高，液體的粘性系數(shù)下降；氣體的粘性系數(shù)上升。,今后在談及粘性系數(shù)時(shí)一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。,運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱。,注意,形成牛頓 內(nèi)摩擦力 物理機(jī)理,理想流體假設(shè)是忽略粘性影響的假設(shè)，可近似反映粘性作用不大的實(shí)際流動(dòng)，粘性作用不大是相對(duì)于其它因素的作用而言的。,而 是流體的客觀屬性，所以往往是在變形速率不大的區(qū)域?qū)?shí)際流體簡(jiǎn)化為理想流體。,我們將會(huì)看到，是否忽略粘性影響將對(duì)流動(dòng)問題的處理帶來(lái)很大的區(qū)別，理想流體假設(shè)可以大大簡(jiǎn)化理論分析過程。,忽略粘性影響實(shí)際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力,，,理想流體假設(shè),三. 流體的壓縮性及膨脹性,流體能承受壓力，在受外力壓縮變形時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)力（彈性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢復(fù)原形，流體的這種性質(zhì)稱為壓縮性。,V,V-V,p,p+p,Pa,壓縮性表征量,K越大，流體越不易壓縮, 體積壓縮系數(shù) :, 體積彈性模量 :,Pa-1,水和其它液體可視為不可壓縮流體，即=常數(shù) 特例：水擊、熱水采暖需考慮水的壓縮性和膨脹性 當(dāng)氣體流速不是很大時(shí)，也可視為不可壓縮流體,-1,膨脹性表征量, 體積膨脹系數(shù) :,流體的壓縮性及膨脹性,四.表面張力特性,自由面上單位長(zhǎng)度的流體線所受到的拉力。N/m,表面張力是流體自由表面在分子作用半徑這一薄層內(nèi)由于分子引力大于斥力而產(chǎn)生的沿表面切向的拉力。,* 氣體不存在自由表面，也就不存在表面張力。 * 表面張力是液體特有的性質(zhì)。 * 表面張力可產(chǎn)生在液氣、液固、液液接觸面上。 * 表面張力可產(chǎn)生附加壓力使自由面彎曲。,表征量,表面張力系數(shù),當(dāng)液固接觸時(shí)，液體表面的切面與固體壁 在液體內(nèi)部所夾的角。,90；液體潤(rùn)濕固體, 90；液體不潤(rùn)濕固體,h,h,接觸角,將一小管插入液體中，管內(nèi)液體升高或降低，稱為毛細(xì)現(xiàn)象. 它是由表面張力和接觸角引起的。,液體的內(nèi)聚力小于它同固體附著力，液體沿固壁向外延展，液面向上彎曲，表面張力使其上升。,h,h,毛細(xì)現(xiàn)象,物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為汽化；液體總是在一定的溫度和壓強(qiáng)下才能沸騰，這個(gè)溫度稱為沸點(diǎn)，這個(gè)壓強(qiáng)稱為汽化壓強(qiáng)。,五.汽化壓強(qiáng),汽化壓強(qiáng)增大，沸點(diǎn)升高； 汽化壓強(qiáng)減小，沸點(diǎn)降低。,當(dāng)液體中某處壓強(qiáng)達(dá)到或小于汽化壓強(qiáng)時(shí)，該處液體便沸騰，液體內(nèi)部形 成許多氣泡，這種現(xiàn)象稱為空化。,空化,空化與外界空氣滲入液流中形成的氣泡有本質(zhì)區(qū)別。,汽化壓強(qiáng)與沸點(diǎn)的關(guān)系,為什么水通常被視為不可壓縮流體,因?yàn)樗腒=2109Pa ，水的體積變化很小，可忽略不計(jì)，所以通?？砂阉暈椴豢蓧嚎s流體。,自來(lái)水水龍頭突然開啟或關(guān)閉時(shí)，水是否為不可壓縮流體？為什么,為可壓縮流體。因?yàn)榇藭r(shí)引起水龍頭附近處的壓強(qiáng)變化，且變幅較大。,流體能否達(dá)到完全真空狀態(tài)？若不能，則最大真空度為多少？,不能，最大真空度等于大氣壓強(qiáng)與汽化壓強(qiáng)的差值,理想流體有無(wú)能量損失？為什么？,無(wú)。因?yàn)槔硐肓黧w=0 ，沒有切應(yīng)力。,流體的粘度與哪些因素有關(guān)？它們隨溫度如何變化？,流體流體的種類、溫度、壓強(qiáng)。液體粘度隨溫度升高而減小，氣體粘度隨溫度升高而增大。,牛頓流體的與du/dy成正比，那么與du/dy成正比的流體一定是牛頓流體嗎 ？,不一定，因?yàn)橘e漢塑性流體的與du/dy成正比，但曲線不通過圓點(diǎn)。,為什么荷葉上的露珠總是呈球形？,表面張力的作用。,一塊毛巾，一頭搭在臉盆內(nèi)的水中， 一頭在臉盆外，過了一段時(shí)間后，臉盆外的臺(tái)子上濕了一大塊，為什么？,毛細(xì)現(xiàn)象。,為什么測(cè)壓管的管徑通常不能小于1cm？,如管的內(nèi)徑過小，就會(huì)引起毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)管內(nèi)液面上升或下降的高度較大，從而引起過大的誤差。,若測(cè)壓管的讀數(shù)為h1 ，毛細(xì)升高為 h2， 則該點(diǎn)的測(cè)壓管實(shí)際高度為多少？（測(cè)壓管的工作流體分別為水和水銀）,h1-h2 水 h1+h2 水銀,在高原上煮雞蛋為什么須給鍋加蓋？,高原上，壓強(qiáng)低，水不到100就會(huì)沸騰，雞蛋煮不熟，所以須加蓋。,試簡(jiǎn)述水輪機(jī)葉片空蝕的原因？,低壓處產(chǎn)生氣泡，氣泡隨水流到高處破滅，產(chǎn)生沖擊力，剝蝕葉片，形成空蝕。,第三節(jié) 作用在流體上的力,無(wú)論靜止或運(yùn)動(dòng)的流體都受到外力的作用，作用在 流體上的力按其性質(zhì)（作用方式）的不同，可分為： 質(zhì)量力 表面力,重力場(chǎng)中：,重力場(chǎng)；慣性力，磁力場(chǎng)；電力場(chǎng),一. 質(zhì)量力,分解為三個(gè)分力：,是指在某種力場(chǎng)中，作用在流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力。 它的大小與流體的質(zhì)量成正比； 方向由力場(chǎng)的性質(zhì)決定。,單位質(zhì)量的流體所受到的力場(chǎng)作用力。,單位質(zhì)量力f,二. 表面力,是指作用在所研究的流體表面上的力，它是由所研究的流體的表面與相接觸的物體（流體或固體或氣體）的相互作用而產(chǎn)生的。 它的大小與流體的表面積成正比；