第1章-绪论

第1章绪论编制依据§1-1概述§1-2流体的连续介质模型§1-3流体的主要物理性质§1-4作用在流体上的力目录§1-1概述学科研究对象固体（如土建结构——固体力学）具有固定的形状，可承受拉、压、弯、剪、扭自然界的物质流体（如液体、气体——流体力学）易流动，随容器而方圆，主要承受压力§1-1概述气体容易压缩不能形成自由表面液体难以压缩可以形成自由表面流体流体§1-1概述课程性质技术基础课基础课专业课技术基础课§1-1概述研究内容流体平衡的力学规律基本工程应用流体机械运动的力学规律§1-1概述流体力学发展简介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。都江堰、郑国渠、灵渠秦代，在公元前256-前210年间修建了都江堰、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。都江堰§1-1概述赵州桥隋代，在公元594-605年建于河北赵县的赵州桥，在主拱圈两边各设有两个小腹拱，既减轻了主拱的负载，又利于泄洪，说明当时人们对桥涵水力学已有相当的认识。§1-1概述三峡工程长江三峡水利枢纽工程简称“三峡工程”，是当今世界上最大的水利枢纽工程。三峡工程位于长江三峡之一的西陵峡的中段，坝址在三峡之珠——湖北省副省级中心城市宜昌市的三斗坪，三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。§1-1概述南水北调工程从二十世纪五十年代提出“南水北调”的设想后，经过几十年研究，南水北调的总体布局确定为：分别从长江上、中、下游调水，以适应西北、华北各地的发展需要，即南水北调西线工程、南水北调中线工程和南水北调东线工程。建成后与长江、淮河、黄河、海河相互联接，将构成我国水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局。§1-1概述周培源（1902-1993）1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论物理学家、流体力学家，主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学,并取得出色成果。§1-1概述流体力学在国外阿基米德（Archimedes，公元前287－212）欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是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。§1-1概述伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科学家在1738年出版的名著《流体动力学》中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系──伯努利方程。在此历史阶段，该学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学的发展。§1-1概述欧拉（L.Euler，1707－1783）经典流体力学的奠基人，1755年发表《流体运动的一般原理》，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。§1-1概述拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）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。§1-1概述纳维—斯托克斯纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英国）§1-1概述雷诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态──层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数──雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。§1-1概述普朗特（L.Prandtl，1875－1953）建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。边边界层分离§1-1概述卡门（T.vonKármán，1881-1963）在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。§1-1概述流体力学研究方法理论分析方法实验分析方法数值模拟方法§1-1概述工程应用工程应用交通土建工程市政、建筑工程环境、消防工程机械工程水利水电工程管道输运工程工程应用§1-2流体的连续介质模型公路施工组织调查可行性流体分子之间的距离远小于工程中研究的时、空尺度流体的连续介质模型必要性可利用高等数学作为研究工具§1-3流体的主要物理性质公路施工组织调查惯性流体的主要物理性质压缩性黏性§1-3流体的主要物理性质惯性(mfV流体种类，温度，压力等）(mfV流体种类，温度，压力等）(mfV流体种类，温度，压力等）质量是惯性大小的度量密度重度()mggfV流体种类，温度，压力等()mfV流体种类，温度，压力等§1-3流体的主要物理性质黏性黏性是流体的固有特性黏性是运动流体产生机械能损失的根源黏性是在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形速率的能力的量度流体的黏性具有传递运动和阻碍运动的双重特性§1-3流体的主要物理性质牛顿平板实验简介牛顿平板实验简介hyUydyOu+duu当h和U不是很大时，两平板间实际流体沿y方向的流速呈线性分布，即yhUuyhUuddor§1-3流体的主要物理性质牛顿内摩擦定律yuAhUAFdd实验表明，对于大多数流体，存在引入比例系数，则得著名的牛顿内摩擦定律：yuAFddhyUydyOu+duu§1-3流体的主要物理性质黏度系数动力黏度运动黏度/)(,等流体种类，压强，温度fort气体液体：主要因素为内聚力；气体则为分子热运动。液体温度分子间距分子引力内聚力粘度气体温度分子热运动动量交换粘度t液体气体§1-3流体的主要物理性质数学上：为沿流体运动法线方向的流速梯度.物理上：为运动流体相邻两流层的剪切变形速率.yudd的含义yuddyudd§1-3流体的主要物理性质证明：如图所示故牛顿内摩擦定律又可以写成：tyudddddddtanddutytyudddd§1-3流体的主要物理性质牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的流体.如水、空气、汽油和水银等.非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律的流体.如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等.§1-3流体的主要物理性质实际流体与理想流体实际流体：具有粘性的流体（≠0）.粘性是流体的固有属性.理想流体：忽略粘性的流体（=0），为研究方便引入的假想流体.平衡流体（）或理想流体（=0）均不产生切应力，即=0.0d/dyu360mmd1000mml0.2mm【例】已知转轴直径，轴承长度，轴与轴承间隙，其中充满动力黏度的润滑油，若轴的转速，试求克服润滑油黏性阻力所消耗的功率。0.72pa.s200rpmnNN§1-3流体的主要物理性质•工程施工图纸及有关水文、地质、气象和其它技术经济资料•上级或合同规定的开竣工日期•主要工程的施工方案•现行有关定额、施工规范等资料•劳动力、机械设备供应情况442nn3.77m/s(=)3060301.55510N5.7910W=57.9kWnvrrvFAdLNFv【解】轴面线速度说明：轴面摩擦力消耗的功率§1-3流体的主要物理性质§1-3流体的主要物理性质压缩性/N)(md/dd/d2ppVV(mfV流体种类，温度，压力等）流体的宏观体积随着作用压强的增大而减小的性质密度重度(mfV流体种类，温度，压力等）体积压缩系数体积弹性模量)(N/m/dd/dd12pVVpE§1-4作用在流体上的力TextTextText作用在流体隔离体表面上，其大小与作用面积成比例。作用在流体隔离体内每个流体微团上，其大小与流体质量成比例。Text表面力质量力§1-4作用在流体上的力表面力资料的收集dAdFtdFnd()dd()dntFpAFA法向应力切向应力§1-4作用在流体上的力质量力xyzFFFFijk§1-4作用在流体上的力单位质量力2(m/s)oryxzxyzmFFFmmmfffFffijkijk作用在单位质量流体上的质量力本章小结(END)重点掌握作用在流体上的力（表面力、质量力）流体的主要物理性质（惯性、黏性、压缩性）流体的含义流体与固体的主要区别(形态特征、力学特征）交通土建工程市政、建筑工程环境、消防工程机械工程发动机四冲程水利水电工程管道输运工程