第1章流体及其物理性质

2019/12/201力学经典力学连续介质力学应用力学静力学运动学动力学固体力学流体力学材料力学工程力学地质力学绪论2019/12/202绪论1.基本概念流体力学：是连续介质力学的一个分支。研究流体之间或与固体之间相互作用以及流体在静止或运动条件下所遵循的基本规律的科学流体：能流动的物质，包括气体、液体、等离子体理论流体力学：连续介质力学的延伸，属于力学课程，偏重数理分析，属于基础学科。工程流体力学：强调工程，将理论和实践结合起来，属于应用学科。2019/12/2031.高尔夫球：绪论人们对一些流体运动却缺乏认识，比如：2019/12/2042.汽车阻力：绪论2019/12/2053.机翼升力：绪论2019/12/2062.流体力学发展简史：绪论国内：战国时代李冰等修建的都江堰工程隋朝开凿的京杭大运河2019/12/207绪论国外：公元前4世纪古罗马供水系统2019/12/208绪论阿基米德（Archimedes,287-212B.C.希腊）公元前250年古希腊数学家阿基米德发表了《论浮体》2019/12/209绪论托里拆利：他总结出水从容器底部小孔流出的速度和水从小孔上方的水面高度自由下落到小孔时候的速度相等，进一步得到了这个速度和小孔上方水面高度的平方根成正比的正确结论托里拆利(1608～1642，意大利）2019/12/2010绪论牛顿：随着牛顿运动定理和微积分方法的建立，流体力学迈入理性研究和持续发展阶段。提出粘性流体运动时的内摩擦力公式。牛顿(1642～1727，英国）2019/12/2011绪论欧拉：欧拉创造性地用偏微分方程解决数学物理问题。他在这些论著中给出了流体运动的欧拉描述法，提出了理想流体模型，建立了流体运动的基本方程，即连续介质流体运动的欧拉方程，奠定了流体动力学的基础。欧拉（L.Euler,1707-1783,瑞士）pfDtVD2019/12/2012绪论伯努利：流体流动能量守恒，伯努利定律描述就流体沿着一条稳定、非粘滞、不可压缩的流线移动行为。伯努利（D.Bernouli1700－1782，瑞士）2019/12/2013内维尔和斯托克斯：提出了N-S方程，解决粘性流动问题的理论分析内维尔（1785－1836，法国）斯托克斯（1819－1903，英国）绪论2019/12/2014绪论雷诺（1842－1912，爱尔兰）雷诺：提出了两种流动形态：层流和湍流的概念，通过雷诺实验给出了区别层流和湍流的雷诺准则：2019/12/2015普朗特：通过流体边界层的概念将流体力学理论和实验统一起来，奠定了现代流体力学基础，被尊为现代流体力学之父。普朗特（L.Prandtl，1875－1953，德国）绪论2019/12/2016绪论卡门（V.Karman，1881－1963，美国）泰勒（G.Taylor，1886－1975，英国）卡门、泰勒：奠定了近代流体力学基础2019/12/2017绪论周培源、钱学森：在湍流理论、空气动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。周培源（1902－1993）钱学森（1911－2009）2019/12/2018绪论3.流体力学的分类：理论流体力学、水动力学、气体动力学、空气动力学、悬浮体力学、湍流理论、粘性流体力学、多相流体力学、渗流力学、化学流体力学、等离子体动力学、非牛顿流体力学、流体机械、计算流体力学、实验流体力学、生物流体力学2019/12/2019研究方法理论分析方法实验方法数值分析方法4.工程流体力学的研究方法流体力学三种研究方法相互配合，互为补充。绪论2019/12/2020绪论（1）理论分析：分析问题的主次因素，并进行适当的假定，抽象出理论模型（连续介质、理想流体、不可压流体等）运用数学工具求普遍解建立模型推导方程求解方程解释结果2019/12/2021目前流体力学理论研究主攻方向是：湍流，流动稳定性，涡运动，水动力学，水波动力学，复杂流动，多相流等。绪论2019/12/2022（2）实验方法：在相似理论指导下将实际流动问题概括为相似的实验模型，实验中观察现象，测量数据并按一定的方法推测实际结果或经验公式相似理论模型试验测量数据分析绪论2019/12/2023船模拖曳实验绪论2019/12/2024（４）计算方法：根据理论分析与实验观测，确定计算方案，按一定的方法编制程序利用计算机算出数值解计算流体力学有限差分法有限元法边界元法谱分析等绪论2019/12/2025涡轮机叶片流线和总压分布数值模拟。绪论2019/12/2026绪论（１）水利工程：河流、水坝、闸门、电站三峡水电站4．应用：2019/12/2027绪论（２）土建工程：给排水、供暖、通风给排水系统2019/12/2028（３）机械工程：液压传动、润滑冷却、燃气轮机、泵与风机燃气轮机绪论2019/12/2029（４）动力工程：喷气发动机、内燃机喷气发动机绪论2019/12/2030（５）航空航海：潜艇、轮船、太空梭等绪论潜艇2019/12/2031流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。绪论2019/12/20321.1基本概念流体：能流动的物质，在承受剪应力时将会发生连续变形的物体。相同的属性固体流体由大量分子或原子组成分子或原子不断做随机热运动粒子之间存在着相互作用数目多强度低作用力强数目少强度高作用力弱流体与固体，宏观上的三个基本属性：流体和固体在微观上的差异导致宏观的差异为：（３）气体既无一定的体积也无一定的形状，分子间距约为分子直径的10倍（１）固体有一定的形状和体积，在外力作用下能产生一定的变形抵抗外力（２）液体有一定的体积而无一定的形状，分子间距≈分子直径就易变形性而言，液体与气体属于同类2019/12/20331.２流体质点流体质点——流体中宏观尺寸无穷小、而微观尺寸无穷大的任一物理实体1.宏观尺寸与所研究的整个流动空间比无穷小，使得该质点具有区别于其它质点的物理参数。两层含义：流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作平移运动2019/12/20342.微观尺寸与分子的直径相比无穷大，从而包含足够多的分子，能反映大量分子运动的统计平均值。例：标准条件下10-9mm3的大气约包含3×107个气体分子，也即1μm的立方体中包含3×107个气体分子，其宏观特性不会随气体分子的微观瞬时特性的影响临界体积流体微团分子速度统计平均值1.２流体质点2019/12/20351.3连续介质假设连续介质假设：流体是由无数多个连续排列的相互之间没有间隙的流体质点组成的连续介质。即认为真实的流体和固体可以近似看作连续的，充满全空间的介质组成，物质的宏观性质依然受牛顿力学的支配。而用一组偏微分方程来表达宏观物理量（如质量，速度，压力等）。两层含义：),,,(tzyxBB1.流体的任一物理量B都可以表示成空间坐标x,y,z和时间t的函数2.物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程注：稀薄气体、激波等特殊问题函数可能不连续2019/12/20361.4国际单位制单位：人为赋予的比较同类物理量大小的符号常用的单位：英制单位：英尺—磅—秒制(f-p-s)物理单位：厘米—克—秒制(cm-g-s)工程单位：米—千克力—秒（M-K-S）国际单位（SI）：1960年11届国际计量大会通过，7个基本单位，见表1-12019/12/20371.4国际单位制2019/12/2038导出单位：由基本单位导出的单位SI制中常用的工程流体力学单位见表1-21.4国际单位制2019/12/2039制冠词：在主单位前加上词冠，组成分单位或倍单位的符号，用以描述过大或者过小的量。表1-3列出了SI制的词冠1.4国际单位制2019/12/20401.5流体的密度特性1.流体密度密度的定义：单位体积流体所具有的质量，用符号ρ来表示对于均质流体Vm1-2密度反映了流体的惯性大小，密度增大，惯性增大。0,,,limVmdmxyztVdV1-13/kgm单位：δm,δV分别为临界体积内流体的质量和体积2019/12/2041表1-5给出了常用流体在标准大气压下不同温度时的密度。通常条件下密度与压力及温度相关1.5流体的密度特性0204060801009609709809901000kgm-3T/oC020406080100133501340013450135001355013600kgm-3T/oC2019/12/20421.5流体的密度特性表1.6(a)纯水的密度2019/12/20431.5流体的密度特性表1-6列出了标准大气压下几种常用流体的密度。2019/12/20442.流体的相对密度流体的相对密度是指某种流体的密度与标准大气压下4℃时水的密度的比值，用符号S来表示。ws1-3w式中：—流体的密度，kg/m3；—4℃时水的密度，kg/m3。比重：流体的重量与与标准大气压下4℃时水的重量的比值，在重力不变时与相对密度为同一概念1.5流体的密度特性2019/12/20453.流体的比体积（比容）定义：流体密度的倒数，单位质量流体占有的体积，用来表示11-4单位为：m3/kg4.混合气体的密度混合气体的密度可以按照组分气体占有的体积百分数来计算，即11221nnniii1-5ii式中：为混合气体中各组分气体的密度，为混合气体中各组分气体所占的体积百分数1.5流体的密度特性2019/12/20465.流体的容重定义：单位体积的流体受到的重力（地球引力）0limVGdGVdV单位：N/m3对于均质流体：GV容重与密度的关系：GmggVV1.5流体的密度特性2019/12/2047213.6%CO20.4%SO24.2%O275.6%N26.2%HO【例1-1】已经测得锅炉烟气各组分气体的体积百分数分别为试求烟气的密度231.98/COkgm232.93/SOkgm231.43/Okgm231.25/Nkgm230.804/HOkgm【解】由表1-6可查得标准状态下各组分气体的密度结合已知的组分百分比，代入式1-5得烟气标准状态下的密度为：31.980.1362.930.0041.430.0421.250.7560.8040.0621.34(/)kgm1.5流体的密度特性2019/12/20481.6流体的压缩性和膨胀性1.流体的压缩性恒温条件下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。流体压缩性衡量方式：（a）体积压缩系数——表示当温度保持不变时，单位压强增量引起流体体积的相对变化率P1PVpV1-6—流体的体积压缩系数，m2/N；—流体压强的增加量，Pa；—原有流体的体积，m3；—流体体积的增加量，m3式中：PpVV2019/12/2049由质量守恒定律0dmdVdVVddVdV得到因此：11PVpVp1-6a1.6流体的压缩性和膨胀性在(0.5～10)×106Pa范围，每增加1atm，其压缩量仅为二万分之一。因此，对于液体通常认为是不可压缩流体。2019/12/2050对于气体，由恒温状态方程021111pPPVdmRTmRTpVVdppVpp1-6b气体的体积压缩系数与压强成反比，随着压强的升高，气体体积缩小，密度增大。但是存在一个临界压强，此时气体不能继续被压缩。（b）体积弹性模量——体积压缩系数的倒数PK1pppKVV1-7单位为：N/m2或Pa，Kp越大，流体越不容易被压缩1.6流体的压缩性和膨胀性水92210N/mpK空气521.410N/mpK2019/12/20512.流体的膨胀性定压条件下，流体的体积随着温度升高而增大的性质称为流体的热膨胀性。温度膨胀系数T——单