流体力学第一章-(1)

《流体力学》合肥工业大学土木与水利工程学院主讲：曹广学电话：[phone]邮箱：[e-mail]课程安排学时数：32＝24（理论课）＋8（实验课）课程性质：专业基础课教材：李玉柱《流体力学》第2版,高等教育出版社参考书：吴持恭《水力学》第4版，高等教育出版社刘鹤年《流体力学》第2版，中国建筑工业出版社大连工学院《水力学解题指导及习题集》高等教育出版社王惠民《流体力学基础》第2版，清华大学出版社第一章绪论第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史§1.2流体的主要物理力学性质§1.3作用在流体上的力§1.4流体的力学模型第一章绪论自然界中物质存在的形态有：固态、液体和气体。§1.1流体力学的任务及其发展简史具有流动性的物体统称为流体。一、流体的定义根据物体有没有流动性，可以把物体分为固体和流体，流体又包括液体和气体。流动性：在微小的剪切力作用下，就能连续不断的变形，即发生流动，外力停止，流动停止。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体和固体的区别：固体流体液体气体有无固定的形状有无无有无固定的体积有有无能否形成自由表面能能否能否承受一定的拉力能否否能否承受一定的剪切力能否（静止）否（静止）能否承受一定的压力能能易压缩第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体力学是研究流体各种力作用下的平衡和机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科，是力学的一个分支。二、流体力学的任务流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。流体力学遵循物质运动的普遍规律，如：牛顿第二定律，质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等。第一章绪论流体力学在工程中的应用航空航天航海船舶运动地效翼艇（WIG）海洋平台潜器第一章绪论南浦大桥节能型建筑三峡大坝建筑与环境流体力学在工程中的应用第一章绪论能源动力飞机发动机蒸汽机车流体力学在工程中的应用第一章绪论气象云图龙卷风气象科学流体力学在工程中的应用第一章绪论污水净化设备模型电厂冷却塔环境控制流体力学在工程中的应用第一章绪论流体力学应用广泛，已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等流体力学在工程中的应用20世纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的出现和发展，特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用，大大地推动了科学技术的发展。由于工业生产和尖端技术的发展需要，促使流体力学和其他学科相互浸透，形成了许多边缘学科，使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科体系，焕发出强盛的生机和活力。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体力学是人类同自然界作斗争、在长期的生产实践中发展起来的。三、流体力学的发展流体力学的西方史——古代流体力学的情况。古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文《论浮体》，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。奠定了流体静力学的基础。阿基米德（Archimedes，公元前287－212）第一章绪论16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体平衡和运动规律的认识才随之有所提高。§1.1流体力学的任务及其发展简史17世纪牛顿研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性定律。牛顿（Isaac.Newton，1643～1727）第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史一条途径是一些数学家和力学家，以牛顿力学理论和数学分析为基本方法，建立了理想液体运动的系统理论，称为“水动力学”或古典流体力学。代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、欧拉（L.Euler）纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）等。18至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1738年伯努利给出理想流体运动的能量方程。gugpzgugpz222222221111D.Bernoulli（1700－1782）瑞士科学家第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1755年欧拉导出理想流体运动微分方程。zpZzuuyuuxuutuypYzuuyuuxuutuxpXzuuyuuxuutuzzzyzxzyzyyyxyxzxyxxx111欧拉（L.Euler，1707－1783）瑞士科学家第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史拉格朗日提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1821-1845年，纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）导出适用于实际流体运动的纳维埃-斯托克斯方程，即N-S方程。zzzzyzxzyyzyyyxyxxzxyxxxuzpZzuuyuuxuutuuypYzuuyuuxuutuuxpXzuuyuuxuutu222111纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英国））第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1821-1845年，另一途径是一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有毕托（H.Pitot）、谢才（A.deChezy）、达西（H.Darcy）等。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1732年毕托发明了量测流体点流速的毕托管。1769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1856年达西提出了线性渗流的达西定律。QkAJ第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史1883年雷诺（O.Reynolds）发表了关于层流、湍流两种流态的系列试验结果，又于1895年导出了紊流运动的雷诺方程。1904年普朗特（L.Prandtl）提出边界层概念，创立了边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算实际物体运动时的阻力。第一章绪论§1.1流体力学的任务及其发展简史流体力学在中国大禹治水---4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256～210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。真州船闸---北宋（960-1126）时期，在京杭大运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。近代，我国出现了象钱学森、周培源、吴仲华等流体力学知名专家，但流体力学整体在我国发展较为缓慢，有待于诸位的努力！第一章绪论侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学。侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学。四、流体力学的研究方法1.理论分析--运用经典流体力学的原理研究流体运动。2.科学试验--通过试验的手段研究流体运动的规律性。3.数值模拟—利用计算机数值求解描述液体运动的微分方程、积分方程等，得到问题的数值解。§1.1流体力学的任务及其发展简史第一章绪论流体的物理性质是决定流体流动状态的内在因素，所以我们先学习流体有关的几个物理力学性质。Fma§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.1惯性惯性是物体保持其原有运动状态的一种特性，惯性的大小以质量来衡量，质量大的物体惯性大。一个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。第一章绪论水的密度水银的密度mV§1.2流体的主要物理力学性质31000/kgm3313.610/kgm单位体积的流体质量是密度，密度的单位为3/kgm均质流体的密度0limVmdmVdV非均质流体的密度950960970980990100010100204060801001203(kg/m)T(C)温度与水的密度关系液体的密度随温度和压强的变化甚微，一般近似认为液体的密度为常数。第一章绪论物体之间具有相互吸引的性质，这个吸引力称为万有引力。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。Gmg§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.2万有引力特性单位体积流体所具有的重力，称为容重（重度）。GmggVV第一章绪论§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.3粘性前面我们学习了流体具有流动性。流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质。这种变形亦称为减切变形。流体在运动状态下，内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗减切变形的性质称为粘性。也就是说：当流体处于运动状态时，流体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵制其相对运动，这种性质称为流体的粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力。观看录像演示第一章绪论§1.2流体的主要物理力学性质为了理解流体的粘性，如图所示，液体沿固定平面壁作平面直线运动，紧靠固体壁面的第一层水层粘在壁面上不动；第一层通过摩擦作用影响第二层的流速、第二层又通过摩擦（粘性力）作用影响第三层流速，依此类推。一、粘性表象因各流层的不同，它们之间就有相对运动，上层的流得快，它就要拖动下一层，而下一层流得较慢，就要阻止上面一层，于是两层之间就产生内摩擦力，如图所示。流向τ快层慢层yuu+dudyyυ流向τ快层慢层yuu+dudyyυ流体粘性示意图流体粘性示意图第一章绪论由于运动流体内部存在摩擦力，于是流体在运动过程中为克服内摩擦力就要不断消耗流体的能量，所以说粘性是引起流体运动能量损失的根源，因此在分析和研究流体运动中流体的粘性占有很重要的地位。§1.2流体的主要物理力学性质由于内摩擦力与作用面平行，故称故称为切力，用切应力表示，记作，（单位用Pa，）2/Nm应指出，粘性对流体运动的影响极为重要。第一章绪论实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的二、牛顿内摩擦定律引入比例系数为dduydduy式中，为动力粘度，简称粘度。为流速梯度。dduy上式即为牛顿内摩擦定律，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。内摩擦力，即切应力存在§1.2流体的主要物理力学性质dduTAAy第一章绪论⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)粘性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。duddydt()/ddudtdudtdtdydyCDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：(4)运动粘度§1.2流体的主要物理力学性质观看录像演示第一章绪论温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。粘度的影响因素T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.296§1.2流体的主要物理力学性质水的粘度随温度的变化第一章绪论温度对流体粘度的影响很大气体液