流體及其主要物理性質(zhì)§1.1.1

流體概述

指具有流動性且自身不能保持一定形狀的物體，如氣體和液體。一、流體流動即流體受切應(yīng)力時產(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（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個大氣壓增加至100個大氣壓時，體積僅減小0.5%；氣體可壓縮性大。流體具有明顯的流動性；氣體的流動性大于液體。有無固定的體積？能否形成

自由表面？是否容易

被壓縮？流體氣體無否易液體有能不易呈現(xiàn)流動性？

流體固體

液體、氣體與固體的區(qū)別

流體力學(xué)是力學(xué)的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。二、流體力學(xué)流體力學(xué)分類①理論流體力學(xué)（流體力學(xué)）②應(yīng)用流體力學(xué)（工程流體力學(xué)）工程流體力學(xué)研究流體靜止和運動的力學(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)）的主要研究內(nèi)容固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺等運動邊界：飛機(jī)、船只等研究內(nèi)容①流體在外力作用下，靜止與運動的規(guī)律；②流體與邊界的相互作用。流體力學(xué)采礦

水利航空航天交通土建

環(huán)境

氣象

石油化工

機(jī)械冶金

生物

空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運動關(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，對工科專業(yè)來講，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)用船舶運動浮標(biāo)

海洋平臺

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)用能源動力發(fā)動機(jī)四沖程WindTurbine飛機(jī)發(fā)動機(jī)蒸汽機(jī)車能源動力楊浦大橋節(jié)能型建筑能源動力氣象云圖龍卷風(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)高溫氣體動力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)爆炸力學(xué)、流變學(xué)、計算流體力學(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技體育項目與流體力學(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)知識的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(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、城市給排水管網(wǎng)設(shè)計水塔高度的計算、水泵的選擇等熱的供應(yīng)、空氣的調(diào)節(jié)、燃?xì)獾妮斉渑哦境凉?、除塵降溫的計算等室內(nèi)給排水設(shè)計、地基降水和抗?jié)B設(shè)計橋涵孔徑水力設(shè)計、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、通風(fēng)管網(wǎng)設(shè)計供、排水系統(tǒng)的設(shè)計、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、充填料的選擇、輸運選礦廠中的應(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。他對靜止時的液體力學(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、波浪運動等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個獨立分支。此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：

§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動微分方程，以后納維(Navier,C.H.)和斯托克斯(Stokes，G．G．)建立了粘性流體運動微分方程。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)的新興的流體動力學(xué)推向完美的分析高度。

古典流體力學(xué)階段：

依靠實驗和實測資料形成

雷諾(Reynolds，O.)

1904年普朗特(Prandtl，L.)提出了劃時代的邊界層理論，開創(chuàng)理論與實踐并重的現(xiàn)代流體力學(xué)階段

實驗流體力學(xué)階段：現(xiàn)代流體力學(xué)階段：

我國水利學(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年修建了我國歷史上的三大水利工程（都江堰、鄭國渠、靈渠）—

明渠水流、堰流。古代的計時工具“銅壺滴漏”——孔口出流。清朝雍正年間，何夢瑤在《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算方法。隋朝（公元587—610年）完成的南北大運河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的趙州石拱橋——拱背的4個小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水。流體具有明顯的流動性；氣體的流動性大于液體。

理論分析、實驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合。三個方面是互相補(bǔ)充和驗證，但又不能互相取代的關(guān)系?；炯僭O(shè)

數(shù)學(xué)模型

解析表達(dá)

理論分析數(shù)值計算

實驗研究

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模型

數(shù)值解

模型試驗

量測數(shù)據(jù)

換算到原型§1.1.3

流體力學(xué)的研究方法優(yōu)勢局限理論分析對流動機(jī)理解析表達(dá)，因果關(guān)系清晰。

受基本假設(shè)局限，少數(shù)情況下才有解析結(jié)果。

實驗研究

（模型試驗）

直接測量流動參數(shù)，找到經(jīng)驗性規(guī)律。

成本高，對量測技術(shù)要求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。

數(shù)值計算擴(kuò)大理論求解范圍，成本低，易于改變工況，不受比尺限制。

受理論模型和數(shù)值模型局限，存在計算誤差。

微觀上：流體分子距離的存在以及分子運動的隨機(jī)性使得流體的各物理量在時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，可將流體視為在時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。

§1.1.4

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

問題的提出個分子

1mm3空氣(1個大氣壓，00C)宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點足夠小，只占據(jù)一個空間幾何點，體積趨于零。微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點是一個足夠大的分子團(tuán)，包含了足夠多的流體分子，以致于對這些分子行為的統(tǒng)計平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運動要素的物理量定義在流體質(zhì)點上。

流體質(zhì)點概念

問題的提出流體質(zhì)點的運動過程是連續(xù)的；表征流體的一切特性可看成是時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)流體介質(zhì)是由連續(xù)的流體質(zhì)點所組成，流體質(zhì)點占

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行血液在毛細(xì)血管中的流動

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)△V→0的理解，流體微團(tuán)/流體質(zhì)點的概念一.慣性及重力特性

慣性是指物體具有反抗改變其原有運動狀態(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對于均質(zhì)流體:對于非均質(zhì)流體:ρ=常數(shù)表征量：比容密度的倒數(shù)。

m3/kg對氣體:對液體:4℃水的密度ρ=1000kg/m3

水銀的密度ρp=13600kg/m30℃空氣的密度ρ=1.29kg/m3對于均質(zhì)流體:

對于非均質(zhì)流體，各點的重度不同：

γ=ρg

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γ=9807N/m3。水銀的容重γ=133326N/m3。

粘性是流體抵抗變形的能力，是流體的固有屬性，是運動流體產(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)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力/粘性力）以反抗相對運動的性質(zhì)

牛頓內(nèi)摩擦定律UT與流體種類有關(guān)當(dāng)流體作層狀流動時牛頓發(fā)現(xiàn)

:μ

——

動力粘滯系數(shù)。N.s/m2

；Pa.Sν

——

運動粘滯系數(shù)。m2/S

1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m=0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m2

1m2/s=104cm2/s=104斯

T的影響較大，P的影響不大；表征量粘度反應(yīng)粘性大小的一個物理量，與流體種類有關(guān)①單位換算

:②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①分子間的吸引力②分子運動引起流體層間的動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)時一定指明當(dāng)時的溫度。

運動粘性系數(shù)具有運動學(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際流動，粘性作用不大是相對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)嶋H流體簡化為理想流體。

我們將會看到，是否忽略粘性影響將對流動問題的處理帶來很大的區(qū)別，理想流體假設(shè)可以大大簡化理論分析過程。

忽略粘性影響實際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力τ，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，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。VV-ΔVpp+ΔpPa壓縮性表征量K越大，流體越不易壓縮①體積壓縮系數(shù)

:②體積彈性模量

:Pa-1

水和其它液體可視為不可壓縮流體，即ρ=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，也可視為不可壓縮流體℃-1膨脹性表征量①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，液體表面的切面與固體壁在液體內(nèi)部所夾的角。θθθθ<90°；液體潤濕固體θ>

90°；液體不潤濕固體hh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。θθhh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，這個溫度稱為沸點，這個壓強(qiáng)稱為汽化壓強(qiáng)。五.汽化壓強(qiáng)汽化壓強(qiáng)增大，沸點升高；汽化壓強(qiáng)減小，沸點降低。當(dāng)液體中某處壓強(qiáng)達(dá)到或小于汽化壓強(qiáng)時，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?？栈?/p>

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)與沸點的關(guān)系為什么水通常被視為不可壓縮流體

因為水的K=2×109Pa，水的體積變化很小，可忽略不計，所以通常可把水視為不可壓縮流體。

自來水水龍頭突然開啟或關(guān)閉時，水是否為不可壓縮流體？為什么

為可壓縮流體。因為此時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能量損失？為什么？

無。因為理想流體μ=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，因為賓漢塑性流體的τ與du/dy成正比，但曲線不通過圓點。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，過了一段時間后，臉盆外的臺子上濕了一大塊，為什么？毛細(xì)現(xiàn)象。為什么測壓管的管徑通常不能小于1cm？

如管的內(nèi)徑過小，就會引起毛細(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。

若測壓管的讀數(shù)為h1

，毛細(xì)升高為h2，則該點的測壓管實際高度為多少？（測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℃就會沸騰，雞蛋煮不熟，所以須加蓋。試簡述水輪機(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論靜止或運動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

重力場中：重力場；慣性力，磁力場；電力場一.質(zhì)量力

分解為三個分力：是指在某種力場中，作用在流體的每一個質(zhì)點上的力。

它的大小與流體的質(zhì)量成正比；方向由力場的性質(zhì)決定。

單位質(zhì)量的流體所受到的力場作用力。

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；方向可分解為切向和法向。

設(shè)面積為ΔA的流體面元，法向為

n

，指向表面力受體外側(cè)，所受表面力為ΔF

，則應(yīng)力n

的含義為面元趨于面元上的某定點，所以應(yīng)力是定義在流體面上一點處的。同一點處的