应用流体力学学习资料.ppt

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1、应用流体力学用流体力学对象流体液体(水水)任务研究水的机械运动规律机械运动规律及其在工程上的应用应用。机械运动机械运动研究物体受力以后与时间的关系。规律规律：客观存在的自然法则。应用应用解决工程实际问题。如：水力荷载、过水能力、水流流动形态、水能利用和水能消耗。流体力学在土建与水利工程中的应用流体力学在土建与水利工程中的应用:（1）土木领域：如建筑工程和土建工程中的应用。如坑土木领域：如建筑工程和土建工程中的应用。如坑基排水、路基排水、地下水渗透、地基坑渗稳定处理、围堰基排水、路基排水、地下水渗透、地基坑渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等；修建、海洋平台在水中的

2、浮性和抵抗外界扰动的稳定性等；（2）市政工程：如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、）市政工程：如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础；体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础；（3）城市防洪工程：如堤、坝的作用力与渗流问题、）城市防洪工程：如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等；防洪闸坝的过流能力等；（4）建筑环境与设备工程：

3、如供热、通风与空调设计，）建筑环境与设备工程：如供热、通风与空调设计，以及设备的选用等；以及设备的选用等；（5）水利工程：应用更广、课程内容更深，后续内容）水利工程：应用更广、课程内容更深，后续内容工程水力学工程水力学。课程的性质与目的课程的性质与目的：性质：土木、水利类专业的一门必修的专业基础课程。性质：土木、水利类专业的一门必修的专业基础课程。目的：学习专业理论，培养工程应用能力。目的：学习专业理论，培养工程应用能力。地位：地位：前修课程：物理学、理论力学、材料力学；前修课程：物理学、理论力学、材料力学；后续课程：水文学、土力学、工程地质等；并直后续课程：水文学、土力学、工程地质等；并直

4、接服务于工程应用。接服务于工程应用。其他：其他：a.素质教育素质教育“力学文化力学文化”、“水文化水文化”;b b.注册工程师考试必考科目注册工程师考试必考科目;c.研究生入学考试必考或选考科目之一。研究生入学考试必考或选考科目之一。本课程的基本要求本课程的基本要求 具有较为完整的理论基础，包括：具有较为完整的理论基础，包括：（1）掌握流体力学的基本概念；掌握流体力学的基本概念；（2）熟练掌握分析流体力学的总流分析方法，熟悉量熟练掌握分析流体力学的总流分析方法，熟悉量纲分析与实验相结合的方法，了解求解简单平面势流的方纲分析与实验相结合的方法，了解求解简单平面势流的方法；法；（3）掌握流体运动能

5、量转化和水头损失的规律，对传掌握流体运动能量转化和水头损失的规律，对传统阻力有一定了解。统阻力有一定了解。具有对一般流动问题的分析和讨论能力，具有对一般流动问题的分析和讨论能力，包括：包括：1、水力荷载的计算、水力荷载的计算2、管道、渠道和堰过流能力的计算，井、管道、渠道和堰过流能力的计算，井的渗流计算；的渗流计算；3、水头损失的分析和计算、水头损失的分析和计算掌握测量水位、压强、流速、流量的常规掌握测量水位、压强、流速、流量的常规方法。具有观察水流现象，分析实验数据和编方法。具有观察水流现象，分析实验数据和编写报告的能力。写报告的能力。重点掌握：基本概念、基本方程、基本应用、基础流体力学重点

6、掌握：基本概念、基本方程、基本应用、基础流体力学对专门水力学、高等流体力学、计算流体力学本课程不作要对专门水力学、高等流体力学、计算流体力学本课程不作要求。求。牛顿三定律（惯性定律、牛顿三定律（惯性定律、F=ma、作用力与反作用力）、作用力与反作用力）水力学水力学质量守恒定律质量守恒定律能量守恒及其转化规律能量守恒及其转化规律动量守恒定律动量守恒定律（1 1）质量守恒定律）质量守恒定律 （3 3）牛顿第二运动定律）牛顿第二运动定律 （4 4）动量定律）动量定律（2 2）机械能转化与守恒定律机械能转化与守恒定律：动能动能+压能压能+位能位能+能量损失能量损失 =常数常数 二、连续介质模型二、连续

7、介质模型 实质分子间有间隙，分子随机运动导致物理量不连续。1cm3有3.341022个水分子，分子的间距为310-8cm。从宏观角度认为，水为连续介质。=(x，y，z)u=u(x，y，z)p=p(x，y，z)三、流体力学的研究方法三、流体力学的研究方法理论分析理论分析理论研究方法理论研究方法:力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析和分析和揭示本质和规律揭示本质和规律 （用分析数学作为工具）（用分析数学作为工具）纯理论方法：纯理论方法：建立建立理论模型，并能运用数学方法求出理论理论模型，并能运用数学方法求出理论结果。结果。理论结合实验的方法：理论结合实验的方法：以总

8、流分析方法为主。理论公式以总流分析方法为主。理论公式+经验系数，经验公式，二维微分方程，基础流体力学（应用经验系数，经验公式，二维微分方程，基础流体力学（应用流体力学）、水力学。流体力学）、水力学。应用流体力学是一门理论和实践紧密结合的基础学科。它应用流体力学是一门理论和实践紧密结合的基础学科。它的许多实用公式和系数都是由实验得来的。至今，工程中的许的许多实用公式和系数都是由实验得来的。至今，工程中的许多问题，即使能用现代理论分析与数值计算求解的，最终还要多问题，即使能用现代理论分析与数值计算求解的，最终还要借助实验检验修正。借助实验检验修正。实验研究形式：实验研究形式：原型观测原型观测系统实

9、验系统实验模型试验模型试验实验研究基础理论：实验研究基础理论：相似原理与量纲分析。相似原理与量纲分析。相似理论、量纲分析（因次分析），如原型和模型之间的相似理论、量纲分析（因次分析），如原型和模型之间的Re相似或相似或Fr相似相似.1.2用于液体上的力用于液体上的力1.2.1 质量力质量力按物理性质分：惯性力、重力、弹性力、粘滞力、表面张力。按力的作用方式分：质量力、表面力。质量力（质量力（MassForce）：是指作用于隔离体内每一流体质：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。点上的力，它的大小与质量成正比。对于均质流体（各点密度对于均质流体（各点密度相同的流体），相同

10、的流体），质量力与流体体积成正比，其质量力又称为体质量力与流体体积成正比，其质量力又称为体积力。单位积力。单位N。最常见的质量力有：重力最常见的质量力有：重力惯性力惯性力单位质量的质量力：单位质量的质量力：fx=X=ax，fy=Y=ay，fz=Z=a 重力场重力场 X=Y=0 Z=-g g，z。单位质量力的单位：单位质量力的单位：m/s2，与加速度单位一致。，与加速度单位一致。1、表面力：又称面积力（、表面力：又称面积力（SurfaceForce），是毗邻流体，是毗邻流体或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用面面积成

11、正比。小与作用面面积成正比。A A P T压强压强切应力切应力或或压力：垂直于作用面。压力：垂直于作用面。切力：平行于作用面。切力：平行于作用面。2、应力：单位面积上的表面力，单位：、应力：单位面积上的表面力，单位：按作用方向可分为：按作用方向可分为：1.2.2 表面力表面力压强的单位：SI制 N/m2 Pa工程单位：Tf/m2、kgf/cm2 气压单位：bar、mbar 1kN/m2=0.102tf/m2 =0.01bar1.3流体的主要物理性质流体的主要物理性质 1.3.1液体的质量和流体所受的重力液体的质量和流体所受的重力F=-ma（达兰贝尔原理 F 惯性力）F=ma （牛顿第二定律 F

12、 作用力）均质液体的密度 =M/V kg/m3 水=1000 kg/m3 重度 SI制规定：长度、质量、时间为基本量纲，其余 为导出量纲。量纲 L、M、T 单位 m、kg、s 如 F量纲，量纲ML/T，单位N。1N=1kg.m/s21、粘性、粘性粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质。的性质。根据流体是否具有粘性，可分为：根据流体是否具有粘性，可分为：b.理想流体：是指无粘性的一种假想流体，在运动时也理想流体：是指无粘性的一种假想流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。不能抵抗剪切变形。a.实际流体：指具有粘性的流体，在运动时具有抵抗剪

13、切实际流体：指具有粘性的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力，即存在摩擦力。变形的能力，即存在摩擦力。1.3.2 粘性粘性动力粘度动力粘度：简称粘性，是反映流体粘滞性大小的系数，：简称粘性，是反映流体粘滞性大小的系数，单位：单位：Ns/m2。(m2/s)(m2/s)水的运动粘度水的运动粘度 通常可用经验公式计算：通常可用经验公式计算：运动粘度运动粘度：流体粘度流体粘度 的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化。度变化而变化。流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。体的粘度。压强。对

14、常见的流体，如水、气体等，压强。对常见的流体，如水、气体等，值随压强的变值随压强的变化不化不大，一般可忽略不计。大，一般可忽略不计。温度。是影响粘度的主要因素。温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的当温度升高时，液体的粘度减小粘度减小，气体的粘度增加。，气体的粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分液体：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，所以应力减小，所以 值减小。值减小。2、粘度的影响因素、粘度的影响因素选择题：下面关于流体粘性的说法中

15、，不正确的是：选择题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是：A、粘性是流体的固有属性；、粘性是流体的固有属性；B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的 量度；量度；C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；D、流体的粘度随温度的升高而增大流体的粘度随温度的升高而增大。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主气体：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，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

16、，所以分子运动加快，动量交换频繁，所以 值增加值增加。牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：液体运动时，相邻液层间所产生的切应液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即力与剪切变形的速率成正比。即3、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律流体的切应力与动力粘度流体的切应力与动力粘度 成正比。成正比。对于平衡流体对于平衡流体du/dy=0或理想流体或理想流体=0，所以不产生切，所以不产生切应力，应力，=0。（N/m2，Pa）粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。说明：说明：流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率

17、成正比。区别于固体的重要特性。固体的切应力与角变形的大小区别于固体的重要特性。固体的切应力与角变形的大小成正比。成正比。a bc ddyxOyYyuduu+duUF牛顿平板实验牛顿平板实验设板间的设板间的y向流速呈直线分布，即：向流速呈直线分布，即：实验表明，对于大多数流体满足：实验表明，对于大多数流体满足：引入动力粘度引入动力粘度，则得，则得牛顿牛顿内摩擦内摩擦定律定律则则平板实验与内摩擦定律平板实验与内摩擦定律 F A切应力切应力分布分布式中：流速梯度式中：流速梯度代表液体微团代表液体微团的的剪切变形速率。可以证明：剪切变形速率。可以证明：则则由图得：由图得：说明说明：流体的切应力与剪切变

18、形速率，或角变形率成正比。：流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。证明：在两平板间取一方形质点，高度为证明：在两平板间取一方形质点，高度为dy，dt时间后，时间后，质点微团从质点微团从abcd运动到运动到a b c d。d c dc udta b a bd(u+du)dtdy 4、牛顿流体、非牛顿流体、牛顿流体、非牛顿流体 牛顿流体（牛顿流体（NewtonianFluids）：是指任一点上的剪应力）：是指任一点上的剪应力都同剪切变都同剪切变 形速率呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩形速率呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。擦定律的流体称为牛顿流体。非牛顿流体

19、：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。非牛顿流体：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。1、宾厄姆体：、宾厄姆体：0 0，n=1,=const2、假、假(伪伪)塑性流体：塑性流体：0=0，n15、理想流体：、理想流体：0=0，=0流体流体流流体体分分类类1.3.3压缩性压缩性定义液体受压后体积要缩小，压力撤除后能恢复原状这种性质称为液体的压缩性压缩性或弹性(膨胀性膨胀性)。（与固体接近）压缩性的大小压缩系数，大易压缩。体积压缩系数LT2/M m2/N弹性系数体积弹性系数EM/LT2 N/m2 膨胀系数 (1/)不可压缩流体液体值：每增加1个大气压，水体积压缩为1/20000，所以，一般不考虑水体的压缩。若E=，=const 实际液体：惯性、重力，水流运动复杂；理想液体：实际液体的简化即=const，不膨 胀，无粘性，无表面张力。气体可压缩流体。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢