流体力学ppt

流体力学MechanicsofFluids学时总学时：60学时讲授：48学时实验：12学时参考书指定参考书：李小芹，工程流体力学，中国水利水电出版社，2009王福军，计算流体动力学，清华大学出版社，2004郭荣良，流体力学及应用，机械工业出版社，1996罗惕乾，流体力学，机械工业出版社，2002其他参考书：EJohnFinnemore,FluidMechanicswithApplications,McGrawHill,2002孔珑，流体力学，高教出版社，2003李玉柱、苑明顺，流体力学，高教出版社，1998吴持恭，水力学（第三版），高教出版社，2004第一章绪论定义：流体力学是研究流体平衡和运动规律及其在工程技术中应用的一门学科流体：能够流动的物质流体（Fluid）液体（Liquid)气体（Gas）1-1学科的性质和任务流体力学在建筑、土木、环境、水利造船、电力、冶金、机械、核工程、航空等有广泛应用幻影2000由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机排水量达50万吨以上的超大型运输船时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程三峡工程鸟瞰图水能利用（水泵与水轮机）风能利用流线型汽车设计农业工程（温室通风）都江堰水利工程生物流体力学游泳时的阻力分析1-2流体及其主要的物理力学性质一、流体的基本特征流动性（Fluidity）流体与固体的对比体积形状抗压抗拉抗剪切固体√√√√√流体液体√×√××静止状态气体×××××静止状态流体区别于固体的重要特征是什么？二、流体主要物理力学性质（一）惯性（Inertia）惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质质量是表示惯性大小的物理量惯性力（InertiaForce）maF＝－密度（Density）vmlim0v＝tzyxf、、、＝（均质流体）（非均质流体）/m1-2流体及其主要的物理力学性质（二）重力特性（GravityForce）mgG容重或重度（SpecificWeight）VGVGVGVddlim0＝（均质流体）（非均质流体）g水：空气：3N/m9807)4(C3Kg/m1000＝3Kg/m2.1a3N/m80.11a)290(K1-2流体及其主要的物理力学性质比重：(SpecificGravity)流体有什么特有性质？Swaterwater＝（三）粘滞性（Viscosity）1、什么叫粘滞性粘滞性是指在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形的能力。1-2流体及其主要的物理力学性质2、牛顿内摩擦定律(NewtonLawofinnerFriction)内摩擦力(InnerFrictionForce)yuATdd＝－－动力粘滞系数(Pa·s）(DynamicViscosity)0ddyu0T什么情况下0dydu切应力（ShearStress）yuATdd切应力图1-2流体及其主要的物理力学性质速度梯度是直角变形速度，是在切应力作用下发生的，也称剪切变形速度。显然，作用在两个相邻流层之间的切应力是成对出现的，而且数值相等，方向相反。运动粘滞系数(KinematicViscosity)＝（m2/s或cm2/s)流体粘性变化规律：⑴压强对流体粘性的影响很小，一般可以忽略不计⑵温度则是影响流体粘性的主要因素，液体的粘性随温度升高而减小，气体的粘性随温度升高而增大1-2流体及其主要的物理力学性质3、牛顿内摩擦定律的适用范围：牛顿流体(NewtonionFluid)什么是牛顿流体哪些流体是牛顿流体？1-2流体及其主要的物理力学性质（四）压缩性和膨胀性（CompressibilityandExpansibility）研究粘性的重要意义：粘性是流体在运动过程中出现阻力，产生机械损失的根源。粘性的存在也给流体运动规律的分析带来很多困难，它是对流体运动有重要影响的固有属性。1-2流体及其主要的物理力学性质1、液体的压缩性用体积弹性模量B表示工程上常用弹性模量（BulkModulusofElasticity）表示液体的压缩性，即00limlimVTTTTppppBVVVVB绝对不可压缩(N/m2)1-2流体及其主要的物理力学性质液体的膨胀性用体积膨胀系数α表示TTdddvdv＝α定义：在一定压强下，单位温升引起的液体体积的相对增加值2、气体的压缩性和膨胀性RTpp－气体绝对压强ρ－气体密度（Kg/m3）R－气体常数(J/kg·k)T－气体热力学温度(k)对于空气，R=287J/kg·k，对其他气体，在标准状态下，R=8314/n，n为气体分子量1-2流体及其主要的物理力学性质（五）表面张力特性（SurfaceTension）1、表面张力是由于分子间的引力作用，在液体的自由表面上能够承受极其微小的拉力，它是液体的特有性质。液体有什么特有性质为什么荷叶上的露珠总是近似为球形？思考题1-2流体及其主要的物理力学性质2、毛细管现象(Capillarity)竖直放在液体中的细管，由于表面张力作用，细管中的液面会发生上升或下降的现象，上升或下降的高度：rhcos2测压管的管径为什么不能过细（最好大于10mm）？思考题水中毛细现象水银中毛细现象1-2流体及其主要的物理力学性质σ－液体表面张力系数（N/m）θ－液面与壁面交角r－细管半径①毛细管中液面为什么会发生上升或下降现象②请举出日常生活中毛细管现象的实例cos22rhr1-2流体及其主要的物理力学性质1-3作用在流体上的力一、表面力（SurfaceForce）作用在液体表面上，大小与被作用的面积成正比，如法向压力和切应力对于一点来说：APpA0lim压应力ATA0lim切应力1-3作用在流体上的力二、质量力（MassForce）作用在每个流体质点上的力，大小与流体质量成正比，又称体积力，常见的质量力如重力、惯性力。单位质量力：mFf三个分量：mFXxmFYy＝mFZz质量力只有重力时，mgG＝则：X＝0，Y＝0，Z＝－g为什么Z＝－g？负号有何意义？1-4流体的力学模型一、“连续介质”模型（Continuum）二、无粘性流体，即理想流体（IdealFluid）三、不可压缩流体（IncompressibleFluid）为什么能够把流体看作是一个连续介质？流体力学中为什么引入“连续介质”的假说？理想流体与实际流体有什么不同？实际上有没有理想流体？不可压缩流体的特点是什么？气体在什么情况下可视为不可压缩流体？习题：1-2、1-3、1-10、1-11切应力图1-4流体的力学模型压强对粘性的影响1-4流体的力学模型1、设牛顿流体在平板间流动，流速分布如图所示，试导出内磨擦切应力τ－y关系式，并给出切应力分布图。思考题yhx0uhyuxyxhcuxxyRO)(22yRcux2、试分析下列三种情况下水体A受到哪些表面力和质量力。AAAa）静止水池b）明渠流动c）平面弯道水流思考题2011/7/21FluidFluidStaticsStatics第二章第二章流体静力学流体静力学Chapter2FluidStatics流体静力学流体静力学HydraulicsFluidStatics研究流体的平衡和机械运动规律研究液体平衡规律•静止状态•相对平衡状态粘滞力是否起作用？Chapter2FluidStatics22--11静水压强及其特性静水压强及其特性1.静水压力与静水压强静水压力：静止液体作用在与之接触的表面上的水压力P静水压强:时，当0AAPpA0limChapter2FluidStatics静水压强静水压强均布（底板）：PpA非均布（闸门）：APpA0lim（N/m2=Pa）Chapter2FluidStatics静水压强的特性静水压强的特性压强垂直作用面，且沿内法线方向.(静水压强的方向与受压面垂直，并指向受压面）特性一：Chapter2FluidStatics证明证明静水压强特性一静水压强特性一证:(反证法）在静水中取一水体，用任意平面切割，取下部脱离体。1）假设切割平面某点处的压强P不沿内法线方向则分解为ppnnPp矛盾?P故只能沿法向Chapter2FluidStatics证明证明静水压强特性一静水压强特性一((续续))所以静水压强的方向就是唯一的2）假设沿外法向矛盾?液体不能受拉沿作用面的内法线方向Chapter2FluidStatics静水压强特性二静水压强特性二任一点静水压强的大小与受压面方向无关.（或作用与同一点上各方向静水压强大小相等与作用面方向无关）特性二:Chapter2FluidStaticsFig.1Fig.1——22特性二特性二Chapter2FluidStatics证明证明特性二特性二xyz在静水中取一微小四面体，为方便起见,三个正交面与坐标面方向一致,棱长分别为△x,△y,△z.证：PnPyPxPz思路？Chapter2FluidStatics证明证明特性二（续）特性二（续）xyzPnPyPxPz受力分析：1）表面力：nnnzzyyxxApPyxpPzxpPzypP212121Chapter2FluidStatics161616xxyyzzFxyzfFxyzfFxyzf证明证明特性二（续）特性二（续）2）质量力：四面体体积：zyxV61Chapter2FluidStatics证明证明特性二（续）特性二（续）静水——受力平衡在x轴方向0xF0),cos(xnxFxnPP1126cos(,)0xnnxpyzpAnxxyzfzy21高阶无穷小nxppChapter2FluidStatics证明证明特性二（续）特性二（续）同理可证nznyppppnzyxpppp∵n的方向是任意的故证明了特性二：即作用与同一点上各方向静水压强大小相等与作用面方向无关Chapter2FluidStatics22--22液体的平衡微分方程液体的平衡微分方程作用与液体上的力：质量力表面力平衡时00pfxfyfz关系？Chapter2FluidStatics建立液体的平衡微分方程建立液体的平衡微分方程在平衡液体中取一微小六面体，各边分别与坐标轴平行，其边长为dx,dy,dz.则该点压强为pA(x,y,z)xyzA(x,y,z)dxdydz设六面体中心点为A(x,y,z)Chapter2FluidStatics建立液体的平衡微分方程建立液体的平衡微分方程思路：将表面点的压强用已知点pA(x,y,z)的压强表示提示：pA(x,y,z)为坐标的连续函数——多元函数的太勒级数how?222222222222(,,)1(,,)()(2!)pxxyyzzppppppxyzxyzxyxyzxyppppzxyyzzxzxyyzzxChapter2FluidStaticsxyzA(x,y,z)dxdydz建立液体的平衡微分方程建立液体的平衡微分方程前平面中心点的坐标增量为：在x方向上：),,2(zydxxA压强为)2('dxxpppA0,0,2zydxx坐标为Chapter2FluidStaticsxyzA(x,y,z)dxdydz建立液体的平衡微分方程建立液体的平衡微分方程后平面中心点的坐标增量为：在x方向上：),,2(zydxxA压强为)2(dxxpppA0,0,2zydxx坐标为Chapter2FluidStaticsxyzA(x,y,z)