流体力学泵与风机-第1章

主讲人:刘长鸣电话：58290043－88413100329010流体力学泵与风机第一部分流体力学第一章绪论第二章流体静力学第三章一元流体动力学基础第四章流动阻力和能量损失第五章孔口管嘴管路流动第六章气体射流第七章不可压缩流体动力学基础第八章绕流运动第九章一元气体动力学基础第十章相似性原理和因次分析第一章绪论•§1.1认识流体力学•§1.2作用在流体上的力•§1.3流体的主要力学性质•§1.4流体的力学模型§1.1认识流体力学一、定义：研究流体在静止与运动状态下的力学规律及其工程应用的学科（研究对象、内容及目的）自然界物质存在的主要形态：二、流体的定义：流体与固体的区别具有流动性的物体是流体（即能够流动的物体）。液体和气体是流体固态、液态和气态固体静止时既能承受压力，也能承受拉力与剪切力；流体只能承受压力，一般不能承受拉力，任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。液体与气体的区别：液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取容器的形状，存在一个自由液面；气体充满任何容器，而无一定体积，不存在自由液面。液体与气体的共同点：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生连续变形或流动，故二者统称为流体。三、流体的特征流动性----在任意微小剪切力作用下会发生连续变形的特性流动性是区别流体和固体的基本力学特征，是便于用管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工作介质的主要原因。气体易于压缩；而液体难于压缩；四、生活中的流体力学：水往低处流——司马光砸缸；风平浪静，无风不起浪；微风吹拂，微波荡漾；大风大浪；狂风大作，波浪滔天；高尔夫球的粗糙表面；足球的弧圈球，乒乓球的旋球技术；飞机之所以能起飞；两张纸相吸的实验；风案、船案-----“流体力学”断案。认识的形象化、具体化学以致用，善于利用，趋利避害。汽车的形状进化；五、流体力学的研究方法1.理论方法理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范围有限。理论基础：1、质量守恒原理2、能量守恒原理3、动量定理4、牛顿三大定律2.实验方法实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验等。测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量等。现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。l三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。3.数值方法六、流体力学的学习方法—参考建议1.认真听懂深化理解2.课堂作业3.笔记4.作业§1.2作用在流体上的力一、质量力•质量力是作用于流体的每一个质点上且与质量成正比的力•对于均质流体，质量力与体积成正比，又称体积力或超距力•质量力包括重力和惯性力•单位质量所受到的质量力称为单位质量力，用f表示对于均质流体•单位质量重力（X，Y，Z）=（0，0，g)•单位质量惯性力二、表面力•表面力是作用在流体表面或截面上且与作用面的面积成正比的力，表面力又称面积力或接触力•表面力包括压力和切力•作用于单位面积上的压力称为压强，以p表示•作用于单位面积上的切力称为切应力，以τ表示•压强和切应力的单位：N/m2（Pa），kN/m2（kPa）PpAA0limAdAdA§1.2作用在流体上的力APAPpAddlim0§1.3流体的主要力学性质一、惯性•惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质•表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为g或kg•单位体积的质量是密度，密度的单位为g/cm3或kg/m3•水的密度ρ=1000㎏/m3•水银的密度ρ=13.6×1000㎏/m3均质流体的密度非均质流体的密度•水和空气的密度（一个标准大气压下）温度T(℃)水ρ（㎏/m3）空气ρ（㎏/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1461.128950960970980990100010100204060801001203(kg/m)T(C)•物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的反作用力称为惯性力二、重力特性•地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用G表示。重力的大小称为重量•G=mg•重量的单位为N，kN•1N=1㎏·m/s2•单位体积的重量是容重γ=ρg三、粘滞性•流体具有流动性•流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质•这种变形亦称为剪切变形•流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流体的粘（滞）性•或者说流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（内力）以反抗相对运动的性质称为流体的粘（滞）性牛顿内摩擦定律•液体在作层流运动时，相邻流层之间的切应力与切应变率成线性关系dydudyduAT,•动力粘滞系数：又称绝对粘度、动力粘度、粘度，是反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2。•运动粘滞系数ν：又称相对粘度，运动粘度，单位：为m2/s•流体的运动粘度和动力粘度平板动画圆管流•粘度的影响因素1）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。2）压强。对常见的流体，如水、气体等，值随压强的变化不大，一般可忽略不计。3）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。说明:a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以值减小。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以值增加。水和空气的粘滞系数温度T(℃)水的动力粘度μ（10-3N·s/m2）水的运动粘度ν（10-6m2/s）空气的动力粘度μ（10-3N·s/m2）空气的运动粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.600.40.81.21.62020406080100120T(C)62(10/)ms•流速梯度可以表示为流体的切应变率或角变形率dudtdyuu+duddudy0牛顿流体宾厄姆塑性体拟塑性流体00•凡是满足牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；反之为非牛顿流体例题例1-1两平行平板间隙δ=1cm，水温为20℃，下板固定不动，上板以u=2m/s的速度向右运动。设流速沿间隙δ按线性分布。试求：（1）切应力τ沿间隙的分布（2）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N例1-2气缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞的长度l=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油液的μ=1P(1P=0.1Pas)，试问作用在活塞上的粘滞力为多少？解：2N/m5002/)1196.012.0(11.02/)(dDudyduN5.2650014.01196.014.3dlAT四、压缩性和热膨胀性压缩性：T不变时，P增大，V随之减小的性质。膨胀性：P不变，T升高时，V增大的性质。1、液体的压缩性和热膨胀性•体积压缩系数•E的单位为N/m2•液体的压缩性很小，一般可将水作为不可压缩液体处理•β的单位为m2/N•体积弹性模量pVVpd/dd/dVVppE/dd/dd1•体积膨胀系数2、气体的压缩性和热胀性•气体具有显著的压缩性和膨胀性TTVVd/dd/dRTp•当气体运动速度小于一定的数值时，可不考虑其压缩性。当速度为68m/s时，密度变化为1%；当速度为150m/s时，密度变化为10%例1-3已知压强为1at(98.07kN/m2)，0oC时的烟气容重为13.13N/m3，求200oC时的烟气容重及密度。30000kg/m77.04738.927313.13gTTTT解：3kg/m55.78.977.0g§1.4流体的力学模型一、连续介质模型流体的宏观特性和微观运动质点的概念：宏观看非常小，可视为空间的一个点；微观看又很大，每个质点包含足够多的分子并保持着宏观运动的的一切特性连续介质模型将流体看作由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙的连续体，表征流体运动的各物理量（密度、速度、应力等等）在时间和空间上都是连续分布和连续变化的§1.4流体的力学模型二、理想流体实际流体总是存在粘性，实际流体称为粘性流体为简化研究，忽略流体的粘性，引入理想流体的概念。无粘性即μ=0的流体称为理想流体。三、不可压缩流体密度不变