流體力學與流體機械演講人模塊一

流體的性質(zhì)模塊一流體的性質(zhì)在研究流體運動之前，必須先了解流體及物理、力學性質(zhì)以及流體上的作用力及其影響因素。本模塊首先介紹流體力學的研究方法及主要任務；其次介紹表征流體慣性的密度和重度，論述反映流體物理性質(zhì)的壓縮性、膨脹性及影響流體流動和阻力特性的黏性；最后介紹了作用在流體上的力的分類及其特性等。項目一

流體力學及其任務項目一流體力學及其任務【學習目標】了解流體力學的研究對象、研究方法、主要任務及發(fā)展現(xiàn)狀；

掌握流體的特征和對微觀流體的處理方法——連續(xù)介質(zhì)假說。連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型概念：

流體力學是研究流體的機械運動規(guī)律及其應用的科學，是力學的分支學科。主要研究流體在平衡和運動時的壓力分布、速度分布、與固體之間的相互作用以及流動過程中的能量損失等。流體力學的內(nèi)容包括三個基本部分：流體靜力學、流體運動學和流體動力學。目前流體力學已經(jīng)發(fā)展出許多分支，如：《環(huán)境流體力學》、《化學流體力學》、《高溫氣體力學》、《非牛頓流體力學》、《工業(yè)流體力學》、《流體動力學》、《空氣動力學》、《實驗流體力學》等。在公路與橋梁工程，地下建筑、巖土工程、水工建筑、礦井建筑等土木工程等各個分支中，也只有掌握好流體的各種力學性質(zhì)和運動規(guī)律，才能有效地、正確地解決工程實際中所遇到的各種流體力學問題。連續(xù)介質(zhì)假說

在流體力學中假設流體是一種由密集質(zhì)點（大小與流動空間相比微不足道，又含有大量分子、具有一定質(zhì)量的流體微元）組成、內(nèi)部無空隙的連續(xù)體。流體力學研究流體宏觀機械運動的規(guī)律，也就是大量分子隨機平均的規(guī)律性。1755年瑞士數(shù)學家和力學家歐拉首先提出，把流體當作是由密集質(zhì)點構成的、內(nèi)部無間隙的連續(xù)流體來研究，這就是連續(xù)介質(zhì)假設。提出連續(xù)介質(zhì)假設，是為了擺脫分子運動的復雜性，對流體物質(zhì)結構的簡化。按連續(xù)介質(zhì)假設，流體運動物理量都可視為空間坐標的時間變量的連續(xù)函數(shù)，這樣就能用數(shù)學分析方法來研究流體運動連續(xù)介質(zhì)，假設用于一般流動是合理有效的。但是對于某些特殊問題，如研究在高空稀薄氣體中的物體運動，分子平均自由程度很大，與物體特征長度尺度相比為同量級，則不能使稀薄氣體為連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型就是利用連續(xù)介質(zhì)假定所建立的模型。在這個模型中，不關注分子的存在和分子的運動，所關心的只是連續(xù)分布的質(zhì)點，這些質(zhì)點固然是由分子所組成，但它不反映個別分子的運動，卻反映并代表整體分子運動的統(tǒng)計平均特性。當引用這樣的模型——連續(xù)介質(zhì)來代替所研究的流體時，則流體中的一切力學特性如速度、壓力、密度等都可看作為空間位置坐標的連續(xù)函數(shù)，使我們在解決流體力學問題時，就有可能利用數(shù)學工具來處理。流體力學的研究方法

同一切的科學研究方法一樣，流體力學的研究方法也是從實踐到理論再到實踐的研究方法，要經(jīng)過不斷而反復的過程，才能使流體力學得以不斷地發(fā)展和提高。流體力學的研究方法主要有為理論分析法、科學實驗法和數(shù)值計算法三種。理論分析法

通過對流體物理性質(zhì)和流動特征的科學抽象，提出合理的理論模型。對這樣的理論模型，根據(jù)物質(zhì)機械運動的普遍規(guī)律，建立控制流體運動的閉合方程組，將實際的流動問題，轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題，在相應的邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關鍵在于提出理論模型，并能運用數(shù)學方法求出理論結果，達到揭示運動規(guī)律的目的。但由于數(shù)學上的困難，許多實際流動問題還難以精確求解?？茖W實驗法

科學實驗法借助于科學實驗，對流體進行觀測，并將觀察的現(xiàn)象和量測的一系列數(shù)據(jù)，進行分析和處理，探明本質(zhì)，找出規(guī)律，從而得出計算公式和方法的方法（原形觀測法、模型實驗法、系統(tǒng)實驗法）。其優(yōu)點：能直接解決生產(chǎn)中的復雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動中的新現(xiàn)象，它的結果可以作為檢驗其他方法是否正確的依據(jù)。其不足之處在于：對不同情況，需做不同實驗，即所得結果的普適性較差，且有些實驗的費用較高。數(shù)值計算法數(shù)值計算法是在計算機應用基礎上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各種數(shù)學模型，通過計算機進行數(shù)值計算和數(shù)值實驗，得到在時間上和空間上許多數(shù)字組成的集合體，最終獲得定量描述流場的數(shù)值解。近幾十年來，這一方法得到很大發(fā)展，已形成一個專門學科——計算流體力學。上述三種方法互相結合，為發(fā)展流體力學理論，解決復雜的工程技術問題奠定了基礎，現(xiàn)代流體力學的研究方法是理論計算與實驗并重。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結論；反之，理論分析和數(shù)值計算也要依靠實驗數(shù)據(jù)，以建立流體運動的數(shù)學模型。最后還須依靠實驗來檢驗這些模型的完善程度。流體力學的主要任務

流體力學是力學的一個分支。其任務是從力學的觀點出發(fā)，研究流體的平衡和機械運動規(guī)律。隨著人類社會的發(fā)展，流體力學越來越廣泛地滲透到了人們生產(chǎn)和生活的各個方面，各行各業(yè)中與流體力學有關的問題也越來越多。特別是在工程技術領域，如水利、電力、土木、水資源利用、石油、交通、造船、建筑、機械、動力、環(huán)保、冶金、化工、核能、航空航天、采礦、生物醫(yī)學等領域中．涉及大量的流體力學問題。如建筑工程中風對高層建筑的荷載和風振問題；建筑物基礎施工時的基坑排水、基坑抗?jié)B處理等；橋梁工程中渡橋的設計、各種水工建筑物的設計、道路邊溝排水等；建筑工程中建筑內(nèi)部的給水、排水、供熱、通風、空調(diào)等的設計和設備選用等，都面臨著一系列的流體力學問題。流體力學的主要任務流體力學主要解決工程中的以下問題：流力荷載（研究流體作用于建筑物上的作用力問題等）、過水能力（研究過流建筑物的過流能力、進行其斷面形式選擇和尺寸確定問題等）、水流流態(tài)（研究流體通過建筑物的流動狀態(tài)問題等）、能量損失（研究水流通過各種固體邊界的能量損失問題，從而找出減少有害損失和增大有利損失的途徑等）、能勢線（研究流經(jīng)各種過流建筑物的能勢線問題，為淹沒、征地和移民、管道線路選擇提供所必需資料等）、水工模型（通過實驗進行分析和研究建設項目或個別建筑物在運行中可能或已經(jīng)出現(xiàn)的各種問題等）、滲流問題（研究水流通過水工建筑物及其底部、兩肩的滲透以及井和井群的涌水量問題等）、水擊問題（研究水力機械、管道和部分水工建筑物運行中水擊的類型、發(fā)展過程及消除措施等）、汽蝕問題（研究水力機械內(nèi)低壓側(cè)局部位置發(fā)生水擊的產(chǎn)生原因、危害和防止措施等）、高速水流（研究高速流動的流體的流動特征、沖刷、摻氣、附帶效應和附壁效應等流動規(guī)律等）等問題。思考題：1.何謂流體，其特征是什么？流體與固體有何區(qū)別？2.什么是連續(xù)介質(zhì)？為什么提出連續(xù)介質(zhì)的概念？3.流體力學的研究方法主要有哪幾種？請簡述各方法是如何進行研究的？項目二

流體的物理性質(zhì)項目二流體的物理性質(zhì)【學習目標】了解不可壓縮流體、理想流體及牛頓流體的意義及在解決實際問題中的應用掌握流體主要物理力學性質(zhì)的概念、物理意義及表征方法著重掌握牛頓內(nèi)摩擦定律的概念、意義及實際應用流體的主要物理力學性質(zhì)：慣性、流動性、壓縮性與膨脹性、黏性、表面張力。一、慣

性

慣性是物體所具有的保持原有運動狀態(tài)的物理性質(zhì)，凡改變物體的運動狀態(tài)，就必須克服慣性的作用。慣性大小主要與質(zhì)量和加速度的大小有關。1.密度

由于各種不同流體，同體積內(nèi)的質(zhì)量一般是不同的，為了表明某種流體的慣性，通常采用單位體積的質(zhì)量來表示，稱為密度，以符號表示。若流體是均勻的，則流體中任意點的密度為：流體的體積為V，質(zhì)量為則：（kg/m3）（1-1）式中——流體的質(zhì)量，kg；

——流體的體積，m3；若流體是非均勻的，在流體中任意點取一包圍該點的流體微團，其質(zhì)量為，體積為，則該點的密度為：（1-2）幾種常見流體的密度見表1-1。1.密度表1-1標準大氣壓和20℃時流體的密度和動力粘度2.重度二、流體的壓縮性與膨脹性

可壓縮性是流體受壓時，體積縮小，密度增大，除去外力后能恢復原狀的性質(zhì)?？蓧嚎s性實際上是流體的彈性。膨脹性是熱膨脹性的簡稱，是指流體在受熱時，體積膨脹，密度減小，溫度下降能恢復原狀的性質(zhì)。液體和氣體的可壓縮性和膨脹性有很大差別，下面分別說明。1.壓縮性如果溫度不變，流體體積隨所受壓力增大而減小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為彈性模量（或彈性系數(shù)），用E表示，即表1-220℃時水的彈性模量2.膨脹性水的膨脹系數(shù)，在常溫常壓下約為1/105，在液壓封閉系統(tǒng)或熱水采暖系統(tǒng)中，當工作溫度變化較大時，需考慮體積膨脹對系統(tǒng)造成的影響。如果壓力不變，流體的體積隨溫度的提高而增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。膨脹性的大小一般用膨脹系數(shù)來度量。液體的膨脹系數(shù)隨壓強和溫度而變化，水在1標準大氣壓下，不同溫度時的膨脹系數(shù)見表1-3。與壓縮性一樣，液體的膨脹性也很小。除溫度變化很大的場合外，在一般工程問題中不必考慮液體的膨脹性。通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對實際氣體（如空氣、氮、氧、二氧化碳等），當壓力不大于10MPa時，它們之間的關系遵守理想氣體狀態(tài)方程2.膨脹性通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對實際氣體（如空氣、氮、氧、二氧化碳等），當壓力不大于10MPa時，它們之間的關系遵守理想氣體狀態(tài)方程ρ——絕對壓力，N/m2或Pa；T——熱力學溫度，K，且T=273+t℃；R——氣體常數(shù)，對空氣R=287.1Nm/(kgK)。由式（1-9）可知，溫度或壓力變化時，氣體的密度都將發(fā)生變化。所以氣體的密度不可視為常數(shù)，因而氣體屬于可壓縮流體。但是，當氣體的速度小于70m/s且壓力和溫度變化不大時（如空氣在通風機或通風網(wǎng)路中的流動），也可近似地將氣體當做不可壓縮流體處理。這樣不僅可以使問題大為簡化，由此引起的誤差（約小于2%）在一般過程中也是可以接受的。解：水經(jīng)管道漏縫泄出后，管中壓強下降，于是水體膨脹，其膨脹的水體積例1-2厚壁容器中盛有0.5m3的水，初始壓力為2×l06Pa。當壓力增至6×l06Pa時，水的體積減少了多少？3.黏性及其表象

液體所具有的抵抗剪切變形的性質(zhì)。如圖1-1所示，兩個平行平板，其間充滿靜止流體，兩平板間距離h，以y方向為法線方向。保持下平板固定不動，使上平板沿所在平面以速度U運動，于是粘附于上平板表面的一層流體，隨平板以速度u運動，并逐層向內(nèi)影響，各層相繼流動，直至粘附于下平面的流層速度為零。在U和h都較小的情況下，各流層的速度，沿法線方向呈直線分布。上平板帶動粘附在板上的流層運功，而能影響到內(nèi)部各流層運動，說明內(nèi)部各流層間存在著剪切力，即內(nèi)摩擦力。這種內(nèi)摩擦力反抗各流體層與層之間的相對運動的性質(zhì)，即為流體的黏性。這就是黏性的宏觀表象。由此得出，黏性是流體的內(nèi)摩擦特性。3.黏性及其表象圖1-1黏性表象4.牛頓內(nèi)摩擦定律著名的英國科學家牛頓在對流體的粘滯性進行了大量實驗后，于1686年提出了確定流體做層流運動時的內(nèi)摩擦力關系式——牛頓內(nèi)摩擦定律。其實驗過程如圖1-2所示。相距為h的上下兩平行平板之間充滿了均質(zhì)的黏性流體。兩平行平板的面積相等均為A。將下板Ⅱ固定不動，上板Ⅰ在F力的拖動下以勻速u作直線運動，拖動力F是為了克服流體對上板的摩擦阻力T而施加的。單位面積上的內(nèi)摩擦應力為：式（1-12）表明流體因粘性產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與微團的剪切變形速度(或剪切變形速率)成正比，所以粘性又可看作是流體阻抗剪切變形速度的特性。

圖1-2黏性力實驗示意（1-12）黏性的度量度量黏性大小的物理量有三個：動力黏度、運動黏度和恩氏黏度。1）動力黏度表征流體動力特性的黏度稱為動力黏度，用表示。由式（1-11）得（Pa·s）（1-13）式(1-13)的物理意義為：動力黏度在數(shù)值上等于速度梯時的內(nèi)摩擦應力。值越大，流體流動時的阻力越大。2）運動粘度表征流體運動特性的黏度稱為運動黏度，用表示。即（m2/s）（1-14）從單位上看，運動黏度只包含運動要素，不含動力要素。它反映了流體運動特性。運動黏度越小的流體，其流動性越好。黏性的度量3）恩氏黏度工程中還常用恩氏黏度

來表示液體的運動黏度。恩氏黏度是一個實驗值。測定恩氏黏度的裝置叫恩氏黏度儀。測量時，將200cm3的被測液體裝入容器中，加熱至某一溫度（通常是50℃）并保持恒溫。然后讓其靠自重流出直徑為2.8mm的小孔，記下所需的時間，再測出20℃的200cm3蒸餾水流出同一小孔的時間。則該液體的恩氏黏度為（1-15）恩氏黏度是一個無量綱數(shù)，它與運動黏度的換算關系為恩氏黏度是一個無量綱數(shù)，它與運動黏度的換算關系為

由于理想流體不考慮粘性，使對流動的分析大為簡化，從而能得出理論分析的結果。所得結果對某些粘性影響很小的流動，能夠較好地符合實際；對粘性影響不能忽略的流動，則可通過實驗加以修正，從而能比較容易地解決許多實際流動問題。這是處理粘性流體運動的一種很有效方法。項目三

流體作用上的力一、表面力一、表面力表面力是通過直接接觸，施加于流層間或不同流體間以及流體與固體之間接觸表面的力。在運動流體中取隔離體為研究對象(圖1-7)，周圍流體對隔離體的作用以分布的表面力代替。表面力在隔離體表面某一點的大小用應力來表示。習慣上把流體的內(nèi)法向應力稱作流體壓應力，用表示，其單位為Pa（1Pa=1N/m2）。流體壓力表征的是作用在流體單