1、2020/9/6,流體力學(xué) 泵與風(fēng)機 蔡增基主編 中國建筑工業(yè)出版社,流體力學(xué),2020/9/6,第一章 緒 論,1.1 流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡史 1.2 作用在流體上的力 1.3 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì) 1.4 流體的力學(xué)模型,2020/9/6,目的要求：了解流體力學(xué)課程在本專業(yè)中的應(yīng)用，認(rèn)識到流體力學(xué)是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，了解流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)以及流體力學(xué)的研究方法；掌握表面力和質(zhì)量力的區(qū)別。掌握流體的連續(xù)介質(zhì)模型、流體的主要物理性質(zhì)：易流動性、密度與重度、粘性與理想流體模型、壓縮性與不可壓模型、表面張力特性、汽化壓強特性。 教學(xué)重點：作用在流體上的力：表面力

2、和質(zhì)量力；流體的連續(xù)介質(zhì)模型、密度與重度、粘性與理想流體模型、牛頓內(nèi)摩擦定律、壓縮性與不可壓縮性流體模型。 教學(xué)難點：表面力和質(zhì)量力的區(qū)別，連續(xù)介質(zhì)模型、牛頓內(nèi)摩擦定律。,2020/9/6,一、流體力學(xué)的研究對象,流體力學(xué)是近代力學(xué)的一大分支，它是研究流體的平衡和機械運動規(guī)律以及流體與周圍物體之間相互作用的科學(xué)，主要是確定流體的速度分布，壓強分布與能量損失，以及流體與固體相互間的作用力與作用力矩。,流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。除水和空氣以外流體還包括作為汽輪機工作介質(zhì)的水蒸汽、潤滑油、石油、含泥沙的水體、血液、溶化狀態(tài)下的金屬和燃燒后產(chǎn)生的成分復(fù)雜的氣體，高溫條件下的等離子體等等。,

3、1.1流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡史,2020/9/6,流體力學(xué)是一門即古老又新興的學(xué)科，存在著極為 廣闊的研究天地。,二、流體力學(xué)的任務(wù),例如：航空、航天、航海、天文氣象、地球物理、水利水電、熱能制冷、土建環(huán)保、石油化工、氣液輸送、燃燒爆炸、冶金采礦、生物海洋、軍工核能、機械制造、機械工程等等部門都有許多流體力學(xué)問題。,2020/9/6,三、流體力學(xué)的研究方法,流體力學(xué)有三種研究方法。一種是理論方法，分析問題的主次因素提出適當(dāng)?shù)募俣?，抽象出理論模型（如連續(xù)介質(zhì)、理想流體、不可壓縮流體等等），適用數(shù)學(xué)工具尋求流體運動的普遍解。一種是實驗方法，將實驗流動問題概括為相似的實驗?zāi)Ｐ停趯嶒炛杏^察現(xiàn)象、測

4、定數(shù)據(jù)并進(jìn)而按照一定方法推測實驗結(jié)果。再一種是計算方法，根據(jù)理論分析與實驗觀測擬訂實驗方案，通過編制程序輸入數(shù)據(jù)，用計算機算出數(shù)值解。,這三種研究方法各有所長，也各有所短。需要相輔相成才有利于推進(jìn)流體力學(xué)的發(fā)展。 現(xiàn)代流體力學(xué)已將這三種方法有機地結(jié)合起來，推動了流體力學(xué)的飛速發(fā)展。,2020/9/6,側(cè)重于理論分析的流體力學(xué)稱為理論流體力學(xué) 側(cè)重于工程應(yīng)用的流體力學(xué)稱為工程流體力學(xué),2020/9/6,古希臘的阿基米德對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一貢獻(xiàn)。他建立了包括物理浮力定律和浮力穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論。奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。,四、流體力學(xué)的發(fā)展史,流體力學(xué)的形成和發(fā)展大致分為五個時期： 第

5、一時期：公元前二十世紀(jì)前。 拋射體在流體中的運動問題的提出。,第二時期：公元前二十世紀(jì)至十七世紀(jì)下葉。 阿基米德浮力的定量理論； 馬里奧特測量運動物體阻力的天稱； 帕斯卡 流體靜力學(xué)的基本關(guān)系式；,第三時期：十七世紀(jì)下葉至二十世紀(jì)初葉。 牛 頓 粘性流體的剪應(yīng)力公式；,2020/9/6,伯 努 力 定常不可壓縮流體的伯努力定理；,第四時期：二十世紀(jì)初葉至中葉。 普 朗 特 邊界層理論。,歐 拉 流體運動的描述方法和無粘性流體運動的方程組; 拉格朗日 流函數(shù)； 雷 諾 雷諾實驗、雷諾方程式； 納維斯托克斯粘性流體運動微分方程。,第五時期：二十世紀(jì)中葉以后。 流體力學(xué)開始研究氣象、海洋、石油、化工

6、、能源、環(huán)保和建筑等領(lǐng)域中的流體力學(xué)問題，并與有關(guān)鄰近學(xué)科相互滲透，形成許多新分支。,2020/9/6,1732年皮托發(fā)明了量測流體流速的皮托管,2020/9/6,1738年伯努利給出理想流體運動的能量方程,2020/9/6,1755年歐拉導(dǎo)出理想流體運動微分方程,2020/9/6,1769年謝才建立了計算均勻流的謝才公式,2020/9/6,1856年達(dá)西提出了線性滲流的達(dá)西定律,2020/9/6,五、如何學(xué)好流體力學(xué),1.掌握從一般到特殊的學(xué)習(xí)方法 從物體機械運動普遍規(guī)律出發(fā)，掌握一般形式的基本方程組，再根據(jù)具體條件分析具體問題，派生方程只是基本方程在不同條件下的簡化應(yīng)用。,2.在掌握“三基

7、”上下功夫 掌握基本原理、基本概念、基本方法，反復(fù)訓(xùn)練，深刻理解。,3.認(rèn)真聽課，適當(dāng)記筆記 對自己認(rèn)為的重點、難點認(rèn)真聽老師的講解和處理方法，對典型的課堂例題，應(yīng)記錄分析問題的思路、解題步驟。,2020/9/6,4.作好預(yù)習(xí)，有準(zhǔn)備地聽課 對較難章節(jié)，一定要預(yù)習(xí)，看不懂的地方重點聽老師講解，要把70的精力放在看書上，重要的是理解，不要死記硬背。,5.解題規(guī)范化，加強基本功訓(xùn)練 作業(yè)最好抄題，便于復(fù)習(xí)時參考。堅持用物理方法解題，要拆題型，認(rèn)真歸納，明確其中知識點，掌握解題思路和方法步驟，達(dá)到解題觸類旁通，舉一反三的目的。,6.重視實驗，親手去做 對教學(xué)大綱中規(guī)定的實驗都親自認(rèn)真去做，加強對所學(xué)

8、知識的理解、應(yīng)用和升華。培養(yǎng)獨立的動手能力，也為將來進(jìn)行科學(xué)實驗研究奠定基礎(chǔ)。,2020/9/6,一、質(zhì)量力,質(zhì)量力是作用在流體的每一個質(zhì)點（或微團(tuán)）上的力，與流體微團(tuán)質(zhì)量成正比并且集中作用在微團(tuán)質(zhì)量中心上。,定義：,1.2 作用在流體上的力,為單位質(zhì)量的質(zhì)量力，簡稱單位質(zhì)量力。其單位為N/kg或m/s2，與加速度的單位因次相同。,2020/9/6,質(zhì)量力,重力 直線運動慣性力 離心慣性力 - -,質(zhì)量力,上式以向量形式表示。,2020/9/6,二、表面力 表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力,2020/9/6,作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以

9、表示,壓強和切應(yīng)力的單位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa）,作用于單位面積上的壓力稱為壓強，以p表示,表面力分為壓力和切力,2020/9/6,1.3 流體的主要力學(xué)性質(zhì),一、慣性 慣性是物體保持其原有運動狀態(tài)的一種性質(zhì)。表征某一流體的慣性大小可以用該流體的(1)密度,(2)重度(容重)。,對于均質(zhì)流體的密度：,對于非均質(zhì)流體的密度：,(1)密度,2020/9/6,重度（容重）是單位體積流體的重量，以符號表示，單位是N/m3,對于均質(zhì)流體的密度：,對于非均質(zhì)流體的密度：,(2)重度（容重）,2020/9/6,水和空氣的密度（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）,2020/9/6,流體具有流動性，流體內(nèi)部質(zhì)點

10、間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力）以反抗相對運動的性質(zhì)（流體在流動狀態(tài)下抵抗減切變形的性質(zhì)）稱為流體的粘性。,二、粘性,2020/9/6,牛頓內(nèi)摩擦定律,2020/9/6,流速梯度可以表示為流體的切應(yīng)變率或角變形率,2020/9/6,動力粘度的單位為N/m2s 運動粘度的單位為m2/s 流體的粘度與流體的種類、溫度和壓強有關(guān)。但對某種流體而言，粘度值受溫度的影響較大,流體的運動粘度和動力粘度,2020/9/6,水和空氣的物理性質(zhì),2020/9/6,凡是滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓 流體；反之為非牛頓流體,2020/9/6,例 題,兩平行平板間隙=1cm，水溫為20，下板固定不動，

11、上板以u=2m/s的速度向右運動。設(shè)流速沿間隙按線性分布。試求： （1）切應(yīng)力沿間隙的分布 （2）薄板的面積為2m2，薄板的拖曳力。,2020/9/6,解：（1）查表得=1.00510-3Ns/m2，,（2）F=T=A=0.2012=0.402N,2020/9/6,四、壓縮性和膨脹性 壓縮性 體積壓縮系數(shù),E的單位為N/m2 液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理,的單位為m2/N 流體的彈性模量,2020/9/6,熱脹性,a單位為T-1氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性 當(dāng)氣體運動速度小于一定的速度，如50m/s，可不考慮其壓縮性,體積膨脹系數(shù),在供熱通風(fēng)工程中，所遇到的大多數(shù)氣體流動，

12、速度遠(yuǎn)小于音速，其密度變化不大（當(dāng)速度等于68m/s時，密度變化為1%；當(dāng)速度等于150m/s時，密度的變化也只有10 % ），可當(dāng)作不可壓縮流體看待。,2020/9/6,液體表層的分子受到上下兩側(cè)分子的引力不同，在合引力的作用下，液體表面仿佛是一張拉緊的彈性膜。從宏觀上看，這種存在于液體表面上的拉力稱為液體的表面張力 液體表面張力的大小可用表面張力系數(shù)表示，的單位為N/m,五、表面張力特性,2020/9/6,毛細(xì)現(xiàn)象,由于表面張力的作用，管內(nèi)的液體表面會高于或低于管外的液面，稱為毛細(xì)管現(xiàn)象,2020/9/6,接觸角,接觸角概念：當(dāng)液體與固體壁面接觸時，在液體與固體壁面接觸處作液體表面的切面，

13、此切面與固體壁面在液體內(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 = 80900 水銀的 = 1380,2020/9/6,2020/9/6,當(dāng)溫度為20時，水在玻璃管中的升高值的計算公式,計算公式中的單位以mm計,水銀在玻璃管中的降低值的計算公式,2020/9/6,1.4 流體的力學(xué)模型,連續(xù)介質(zhì) 流體的宏觀特性和微觀運動 質(zhì)點的概念：宏觀看非常小，可視為空間的一個點；微觀看又很大，每個質(zhì)點包含足夠多的分子并保持著宏觀運動的的一切特性 連續(xù)介質(zhì)模型將流體看作由無數(shù)沒有微觀運動的質(zhì)點組成的沒有空隙的連續(xù)體，表征流體運動的各物理量在時間和

14、空間上都是連續(xù)分布和連續(xù)變化的,2020/9/6,無黏性 實際流體總是存在粘性，實際流體稱為粘性流體 為簡化研究，忽略流體的粘性，引入理想流體的概念,2020/9/6,不可壓縮,2020/9/6,(1)空氣的體積彈性模數(shù)E (a). P (b). T (c). (d). RT,思考題,(a),2020/9/6,(2) -是非牛頓流體 (a). 水 (b).空氣 (c).血液 (d).瀝青,思考題,( C) (D),2020/9/6,(3) 流體的粘性與流體的-無關(guān) (a). 分子內(nèi)聚力 (b).分子動量交換 (c). 溫度 (d). 速度梯度,思考題,(D),2020/9/6,(4)溫度升高時表面張力系數(shù)是- (A)增大 (B)減小 ( C)不變,思考題,(B),2020/9/6,(5)毛細(xì)