工程流体力学第1章绪论讲义PPT.ppt

1、水力学（工程流体力学）技术基础课技术基础课系统地掌握流体运动的基本概念、基本理论、系统地掌握流体运动的基本概念、基本理论、基本计算方法和水力实验的基本操作技能，基本计算方法和水力实验的基本操作技能，具备一定的分析问题和解决问题的能力，为具备一定的分析问题和解决问题的能力，为学习专业课程，从事专业工作和进行科学研学习专业课程，从事专业工作和进行科学研究打下一定的基础。究打下一定的基础。第第1章章 绪论绪论第第2章章 流体静力学流体静力学第第3章章 流体运动学及动力学基础流体运动学及动力学基础第第4章章 阻力阻力与水头损失阻力阻力与水头损失第第5章章 孔口、管嘴出流和有压管流孔口、管嘴出流和有压管

2、流第第6章章 明渠恒定流动明渠恒定流动第第7章章 堰流堰流和闸孔出流和闸孔出流第第8章章 渗流渗流第第9章章 模型模型试验试验基础基础第第10章章 一元气体动力学基础一元气体动力学基础主要内容主要内容第1章 绪论学习重点学习重点1-1 概述概述1-2 流体的连续介质模型流体的连续介质模型1-3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1-4 作用在流体上的力作用在流体上的力 返回 流体及其基本特性。流体及其基本特性。连续介质和理想流体的概念。连续介质和理想流体的概念。流体的主要物理性质。流体的主要物理性质。作用在流体上的两种力。作用在流体上的两种力。返回 学习重点学习重点1-1 概述一、课程属性一

3、、课程属性力学的一个分支力学的一个分支技术基础课技术基础课二、课程的研究对象及任务二、课程的研究对象及任务研究流体处于平衡状态和流动状态时的运动规律及研究流体处于平衡状态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。其在工程技术领域中的应用。将流体流动作为宏观机械运动进行研究，而不是研将流体流动作为宏观机械运动进行研究，而不是研究流体的微观分子运动。究流体的微观分子运动。研究任务研究任务水利水利引水、防洪；引水、防洪；机械机械液压传动、润滑；液压传动、润滑；石油石油采油、输油；采油、输油；化工化工分离、成型、输送；分离、成型、输送；土木土木基坑排水、材料输送；环境基坑排水、材料输送；环境水

4、污染治理；水污染治理；农业农业灌溉；灌溉；交通交通桥涵、港口；桥涵、港口；海洋海洋海流、潮汐、海浪；海流、潮汐、海浪；医疗医疗微循环、血液微循环、血液流变；流变；军事军事导弹、投弹、鱼雷；导弹、投弹、鱼雷；体育体育游泳、赛艇；游泳、赛艇；市政市政水源取水、水厂净化、管网输水、废水收集、水源取水、水厂净化、管网输水、废水收集、管渠输送、泵站提升以及污水厂处理等。管渠输送、泵站提升以及污水厂处理等。三、流体的特性三、流体的特性流体流体：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续 不断变形的物质。不断变形的物质。液液体体与气体的异同点与气体的异同点四、本课程的研究内容

5、四、本课程的研究内容研究流体平衡、宏观机械运动规律及其在工程研究流体平衡、宏观机械运动规律及其在工程中应用的科学，是力学的一个分支学科。中应用的科学，是力学的一个分支学科。包括：包括：基本原理基本原理基本原理的应用基本原理的应用实验研究实验研究理论分析理论分析数值模拟数值模拟三种方法互相结合，为发展流体力学理论，解决三种方法互相结合，为发展流体力学理论，解决复杂的工程技术问题奠定了基础。复杂的工程技术问题奠定了基础。对于一些重要的工程流体力学问题的研究，通常对于一些重要的工程流体力学问题的研究，通常采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的途采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的途径。径。本书

6、主要介绍理论分析和实验研究方法。本书主要介绍理论分析和实验研究方法。五、流体力学的研究方法五、流体力学的研究方法1-2流体的连续介质模型流体的连续介质模型推导流体力学基本方程的两条途径推导流体力学基本方程的两条途径1.统计方法：统计方法：把流体看作由运动的分子组成，认为宏把流体看作由运动的分子组成，认为宏观现象起源于分子运动，运用力学定律和概率论预观现象起源于分子运动，运用力学定律和概率论预测流体的宏观性质。测流体的宏观性质。2.连续介质方法：连续介质方法：把流体看作连续介质，而忽略分子把流体看作连续介质，而忽略分子的存在，假设场变量（速度、密度、压强等）在连的存在，假设场变量（速度、密度、压

7、强等）在连续介质的每一点都有唯一确定的值。连续介质遵守续介质的每一点都有唯一确定的值。连续介质遵守质量、动量和能量守恒定律。从而推导出场变量的质量、动量和能量守恒定律。从而推导出场变量的微分方程组。微分方程组。1753年欧拉提出年欧拉提出连续介质模型连续介质模型：流体是充满运动空流体是充满运动空间的连续体，即流体是由无数质点组成、而质点之间的连续体，即流体是由无数质点组成、而质点之间毫无空隙的连续体。间毫无空隙的连续体。质点：质点：含有大量分子的，与一切流动空间相比体积含有大量分子的，与一切流动空间相比体积可忽略不计的具有一定质量的液体微团。可忽略不计的具有一定质量的液体微团。1-3流体的主要

8、物理性质流体的主要物理性质一、密度：一、密度：流体在空间某点质量的密集程度流体在空间某点质量的密集程度质量密度：质量密度：=M/V;SI单位：单位：Kg/m3重度重度，=G/V,SI单位：单位：N/m3=g工程上，取工程上，取g=9.8 m/s2，清水密度清水密度=1000kg/m3 =9800N/m3 常温下水银的密度常温下水银的密度 汞汞=13600kg/m3。相对密度：相对密度：液体的重量与同体积的液体的重量与同体积的4、一标、一标准大气压下的水的重量之比准大气压下的水的重量之比。相相=/水水=/水水 一般：水的重度：一般：水的重度：9.89.810103 3N/mN/m3 3,水的密度

9、：水的密度：1000kg/m1000kg/m3 3 一、密度一、密度二、粘性（一）粘性的概念（一）粘性的概念粘滞性：粘滞性：由于流体的相对运动产生内摩擦力而抵由于流体的相对运动产生内摩擦力而抵抗其相对运动的性质抗其相对运动的性质（二）牛顿内摩擦定律（二）牛顿内摩擦定律n科学实验证明：科学实验证明：n牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：动力粘滞系数，随流体种类不同而异的比例动力粘滞系数，随流体种类不同而异的比例系数。国际单位系数。国际单位：牛顿牛顿秒米秒米2适用范围：牛顿流体适用范围：牛顿流体流速梯度流速梯度。剪切变形速度剪切变形速度 。运动粘滞系数运动粘滞系数，国际单位：米国际单位：米2秒秒 。E

10、XIT二、粘性二、粘性 水和空气的粘滞系数随温度变化曲线水和空气的粘滞系数随温度变化曲线 图图 水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线 可见可见：对于水（液体）随温度上升而减少，对于水（液体）随温度上升而减少，对于空气其随温度上升增大。对于空气其随温度上升增大。（四）理想流体模型（四）理想流体模型理想流体：忽略粘滞性理想流体：忽略粘滞性实际流体：存在粘滞性实际流体：存在粘滞性牛顿流体满足牛顿粘性定律（牛顿流体满足牛顿粘性定律（常数）常数）非牛顿流体切应力不仅与切变率成非线性关系非牛顿流体切应力不仅与切变率成非线性关系，而且还可能与时间有关。而且还可能与时间

11、有关。（五五）牛顿流体和非牛顿流体）牛顿流体和非牛顿流体三三.压缩性与膨胀性压缩性与膨胀性压缩性：压缩性：流体受压后，分子间距减小，体积缩小，密度增大，流体受压后，分子间距减小，体积缩小，密度增大，除去外力作用后能恢复原状的性质。除去外力作用后能恢复原状的性质。膨胀性：膨胀性：流体受热后，分子间距增大，体积膨胀，密度减小，流体受热后，分子间距增大，体积膨胀，密度减小，当温度下降后能恢复原状的性质。当温度下降后能恢复原状的性质。（一）液体的压缩性（一）液体的压缩性 体积压缩系数体积压缩系数 弹性模量弹性模量 对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。三三.压缩性

12、与膨胀性压缩性与膨胀性 （一）液体的压缩性（一）液体的压缩性K越大，愈不易压缩越大，愈不易压缩在常温下，温度每升高在常温下，温度每升高1，水的体积相对增量仅为，水的体积相对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如万分之一点五；温度较高时，如90100，也只增，也只增加加万分之七。万分之七。对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。（二）液体的膨胀性（二）液体的膨胀性体积膨胀系数体积膨胀系数 V=V越大，液体越易膨胀。越大，液体越易膨胀。三三.压缩性与膨胀性压缩性与膨胀性（三）气体的压缩性与膨胀性（三）气体的压缩性与膨胀性与温度和压强有关。常用气体密度、压强和温度之

13、间与温度和压强有关。常用气体密度、压强和温度之间的关系，符合完全气体状态方程，即的关系，符合完全气体状态方程，即工程上，不同压强和温度下气体的密度按下式计算工程上，不同压强和温度下气体的密度按下式计算0为标准状态为标准状态(0,101325Pa)下气体的密度。下气体的密度。三三.压缩性与膨胀性压缩性与膨胀性（四）不可压缩流体模型（四）不可压缩流体模型l不可压缩流体不可压缩流体：忽略压缩性，密度等于常数的流体。：忽略压缩性，密度等于常数的流体。四四.表面张力特性表面张力特性（一）液体的表面张力（一）液体的表面张力用表面张力系数用表面张力系数来度量来度量 不同的液体在不同温度下具有不同表面张力值不

14、同的液体在不同温度下具有不同表面张力值;随温度上升而下降随温度上升而下降液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起作用不起作用,可忽略不计。可忽略不计。某些情况下要考虑。某些情况下要考虑。(二二)毛细管现象毛细管现象液体在细管中能上升或下降的现象液体在细管中能上升或下降的现象四四.表面张力特性表面张力特性空化（气穴）空化（气穴）空化（气穴）空化（气穴）：由于压强降低而产生气泡的现象。：由于压强降低而产生气泡的现象。是液体的相变现象。是液体的相变现象。空蚀（气蚀）：空蚀（气蚀）：大量气泡连续溃灭的后果；大量气泡连续溃灭的后果；1-4 作用在流体上的力作用

15、在流体上的力根据作用方式，可分为两类：根据作用方式，可分为两类：一、质量力（体积力）一、质量力（体积力）重力、直线运动惯性力、离心惯性力重力、直线运动惯性力、离心惯性力 dFm=dmam=dm(Xi+Yj+Zk)单位质量力单位质量力 f，单位为m/s2 X=Fx/m Y=Fy/m Z=FZ/mf =Xi+Yj+Zk作用在隔离体表面、大小与表面面积有关的力作用在隔离体表面、大小与表面面积有关的力称为称为表面力表面力。法向力法向力P和和切向力切向力T在连续介质中，表面力不是一个集中的力，而在连续介质中，表面力不是一个集中的力，而是沿表面连续分布的。因此，用应力表示是沿表面连续分布的。因此，用应力表示 二、表面力二、表面力