流體力學(xué)江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院1第一章緒論§1-1工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法§1-2流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)概念§1-3流體的密度、比體積和相對密度§1-4流體的壓縮性和膨脹比§1-5流體的粘性§1-6流體的表面張力與汽化壓強(qiáng)2空氣動力學(xué)：航空航天。水利類流體力學(xué)：面向水工、水動、海洋等；機(jī)械類流體力學(xué)：面向機(jī)械、冶金、化工、電力、水機(jī)等；土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等；生物。。。流體力學(xué)是研究流體平衡、運動規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)，流體力學(xué)是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)?！?-1工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法3航空航天4使重量超過3百噸，面積達(dá)半個足球場的大型民航客機(jī)，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術(shù)史上的奇跡。5船舶：排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運輸船；6航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動力潛艇；7汽車、賽車問題：尾翼什么用？風(fēng)阻系數(shù)？8動力機(jī)械：用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動理論設(shè)計制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動機(jī)等動力機(jī)械，為人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動力。汽輪機(jī)葉片9楊浦大橋建筑：大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。10衛(wèi)星云圖氣象11“卡特里娜”颶風(fēng)衛(wèi)星云圖氣象12龍卷風(fēng)氣象13生命：流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。14流體力學(xué)的內(nèi)容和發(fā)展1.流體力學(xué)的內(nèi)容流體靜力學(xué)：流體內(nèi)壓力分布、壓力測量、作用在平面和曲面上的靜壓力。流體運動學(xué)：流場、流線、速度分布、有旋與無旋流動、流函數(shù)、勢函數(shù)、流網(wǎng)。流體動力學(xué)：流體的質(zhì)量、動量和能量守恒定律，流動阻力等。152.流體力學(xué)發(fā)展簡史第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展——歐拉、伯努利第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展16第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河）公元前300多年

李冰都江堰——深淘灘，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大運河、船閘應(yīng)用埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)研究古希臘哲學(xué)家阿基米德《論浮體》（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)17返回18第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段1586年斯蒂芬——水靜力學(xué)原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年伽利略——物體沉浮的基本原理1686年牛頓——牛頓內(nèi)摩擦定律1738年伯努利——理想流體的運動方程即伯努利方程1775年歐拉——理想流體的運動方程即歐拉運動微分方程19第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展——歐拉（理論）、伯努利（實驗）工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗公式

1769年謝才——謝才公式（計算流速、流量）

1895年曼寧——曼寧公式（計算謝才系數(shù)）

1732年畢托——畢托管（測流速）

1797年文丘里——文丘里管（測流量）理論

1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運動方程組（N-S方程）（光滑解的存在性，還沒有得到證明，克萊數(shù)學(xué)促進(jìn)會懸賞100萬美元20第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展理論分析與試驗研究相結(jié)合量綱分析和相似性原理起重要作用

1883年

雷諾——雷諾實驗（判斷流態(tài)）

1903年普朗特——邊界層概念（繞流運動）

1933-1934年尼古拉茲——尼古拉茲實驗（確定阻力系數(shù)）

馮.卡門(1929)—加州理工學(xué)院航天實驗室

20世紀(jì)初人類進(jìn)入航空時代

—40-50年代跨聲障、越熱障

—60年代載人宇宙航行……流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新分支和交叉學(xué)科21流體力學(xué)研究方法：理論分析法實驗方法(如風(fēng)洞實驗）?直接解決生產(chǎn)問題，檢驗和建立理論；?發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象；?普適性較差，受到費用和環(huán)境限制。?明確給出各物理量與流動參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；?建立簡化的數(shù)學(xué)模型時需要一定的假設(shè)，必須證實簡化模型的合理性；?由于數(shù)學(xué)上的困難，能獲得分析解的問題的數(shù)量有限。22數(shù)值方法:?計算機(jī)性能提高，計算方法改進(jìn)，作用越來越大；?數(shù)值計算是近似方法，需要用實驗和分析的結(jié)果驗證方法的可靠性；?數(shù)值方法對復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問題是無能為力的。23NASA,LangleyLab.24建筑風(fēng)洞25§1-2流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)概念1.流體的易變形性流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢，不能承受拉力，這是流體與固體在宏觀力學(xué)行為方面的主要差異；微觀上，流體分子間吸引力小；2.流體質(zhì)點為了符合數(shù)學(xué)分析的需要，引入流體質(zhì)點模型:流體中宏觀尺寸非常小，微觀尺寸又足夠大的任意物理實體。包含有足夠多分子，其形狀可以任意劃定。26

(1)流體質(zhì)點無線尺度，無熱運動，只在外力作用下作宏觀平移運動;(2)具有宏觀物理特性---溫度、壓強(qiáng)、密度。。。

1mm3體積水:3.31019

個分子空氣:2.71016個分子

10-10mm3

體積

(相當(dāng)于一?；覊m體積)空氣:2.7106個分子273.連續(xù)介質(zhì)模型：假設(shè)流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點組成的介質(zhì)。(1)可用連續(xù)性函數(shù)u(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點物理量的空間分布和時間變化；(2)由物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。

*除了稀薄氣體與激波的絕大多數(shù)工程問題，均可用連續(xù)介質(zhì)模型作理論分析。281、流體的密度常溫下取ρ水=1000kg/m3

ρ空氣=1.2kg/m3

2、相對密度：§1-3流體的密度、比體積和相對密度均勻流體：一般流體：3、比體積（比容）：1個大氣壓，4oC水(kg/m3)(m3/kg)29§1-4流體的壓縮性和膨脹性理想氣體的狀態(tài)方程：30（1）流體的體積壓縮系數(shù)：（3）體積模量（2）流體的體積膨脹系數(shù)：物理意義：在溫度不變時，每產(chǎn)生一個單位體積相對變化率所需要的壓強(qiáng)變化量。31（4）不可壓縮流體液體以及低速運動的氣體的壓縮性對運動和平衡問題并無太大影響，可以忽略其壓縮性。液體在研究水擊現(xiàn)象、液壓沖擊、水中爆炸波的傳播等問題必須考慮壓縮性。氣體對于低速壓氣機(jī)、通風(fēng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、低壓氣體輸送、低溫?zé)煹赖瓤梢圆豢紤]氣體的壓縮性。321.流體內(nèi)摩擦概念

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(1687)中指出：相鄰兩層流體作相對運動時存在內(nèi)摩擦作用,稱為粘性力。?庫侖實驗(1784)§1-5流體的粘性(viscosity)33

流體粘性形成原因:(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成34牛頓內(nèi)摩擦定律/粘性定律:表明：粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；YXU0dyFu+duuH35a.速度梯度的物理意義——角變形速度（剪切變形速度）udt(u+du)dtdudtdydθ流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于du/dy正比于正壓力，與速度無關(guān)36b.動力粘度（系數(shù)）μ：與流體性質(zhì)有關(guān)Pa·s運動粘度（系數(shù)）：m２/s37τdu/dy牛頓流體o牛頓流體——服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）c.牛頓流體與非牛頓流體38ττ0dv/dyo塑性流體非牛頓流體

塑性流體——克服初始應(yīng)力τ0后，τ才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）39τdv/dyo擬塑性流體擬塑性流體——τ的增長率隨dv/dy的增大而降低（高分子溶液、紙漿、血液等）40τdv/dyo膨脹型流體

膨脹型流體——τ的增長率隨dv/dy的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）41ττ0du/dyo膨脹型流體牛頓流體擬塑性流體塑性流體42(2)運動粘度(kinematicviscosity)

(3)粘度測定和恩氏粘度(1)動力粘度(viscosity)

(Pa?s)2.粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對運動時，隨之產(chǎn)生阻抗相對運動的內(nèi)摩擦力經(jīng)驗公式43（4）粘度的變化規(guī)律溫度升高，液體的動力粘度明顯下降；氣體動力粘度與運動粘度增大，當(dāng)壓強(qiáng)提高時，氣體動力粘度與運動粘度減小。443理想流體流體內(nèi)部不存在摩擦力流體與固體接觸的邊界上也不存在摩擦力45例1-1：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油的μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL１．同心環(huán)形縫隙中的直線運動46例1-2：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。求該實驗液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法；

2.單位統(tǒng)一hnr1r2得２．同心環(huán)形縫隙中的回轉(zhuǎn)運動47§1-6流體的表面張力48表面張力和接觸角PP0R液體氣體表面張力:

-----單位長度所受拉力(N/m)接觸角概念:當(dāng)液體與固體壁面接觸時,在液體,固體壁面作液體表面的切面,此切面與固體壁在液體內(nèi)部所夾部分的角度稱為接觸角,當(dāng)為銳角時,液體潤濕固體,當(dāng)為鈍角時,液體不潤濕固體。水與玻璃的

=80—90

水銀的

=1