应用流体力学应用流体力学 (2).pdf

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1、第一章 基本概念1.1 流体定义及连续介质假设1.2 流体的主要力学性质1.3 作用在流体上的力1.4 流体的分类引入 在绪论的学习中，我们已经对什么是流体力学有了一个大体上的认识，本节课我们主要来探讨两个问题：流体的定义是什么?研究流体力学的基本模型是什么？1.1 流体定义及连续介质假设1.1.1 流体定义1.1.2 连续介质假说液态水石油水蒸气1.1.1流体定义 生活中的流体有很多，比如：定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义 定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义。两筒壁

2、间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义。两筒壁间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。首先在流体中沿着径向标记一条直线。定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义。两筒壁间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。首先在流体中沿着径向标记一条直线。打开电动机，外筒将带动液体旋转，该直线将产生如图所示的变形。定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义

3、。两筒壁间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。首先在流体中沿着径向标记一条直线。打开电动机，外筒将带动液体旋转，该直线将产生如图所示的变形。定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义。两筒壁间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。首先在流体中沿着径向标记一条直线。打开电动机，外筒将带动液体旋转，该直线将产生如图所示的变形。定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义。两筒壁间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。首先在流体中沿着径向标记一条直线。打开电

4、动机，外筒将带动液体旋转，该直线将产生如图所示的变形。定义：流体是在剪切力的持续作用下，能够产生连续变形的物质。1.1.1流体定义流体的定义通过实验来说明这一定义。两筒壁间充满黏稠流体，外筒可在电动机的带动下旋转。首先在流体中沿着径向标记一条直线。打开电动机，外筒将带动液体旋转，该直线将产生如图所示的变形。若电动机不停止，该变形将连续不断地持续下去。对于固体而言，剪切力的持续作用下同样会产生变形，但是这种变形到一定程度会停止，并不会一直持续下去。因此固体并不满足流体的定义，固体不属于流体。固体变形流体变形1.1.1流体定义 从物质常见的存在状态来看，气体和液体我们可以统称为流体（Fluids）

5、。物质常见存在状态液体气体固体1.1.1流体定义流体分子间引力分子运动分子排列固体液体气体大小缓慢剧烈紧密松散事实上，固体与流体之所以存在力学性质上的区别，主要在于其分子间引力大小、分子运动程度和分子排列的紧密程度不同。流体和固体的区别1.1.1流体定义1.1.2 连续介质假说 流体分子间是存在间隙的，微观上并非连续，但宏观上是连续的状态，具有可连续变形的特性，因此当考虑宏观问题时运用分子模型是不恰当的。微观上不连续无规则分子热运动宏观上的流体连续运动 为了解决这一问题，物理学家欧拉重新确定一种度量宏观物理量的流体模型，即连续介质假设(ContinuumAssumption)模型。宏观上流体由

6、无数的紧密相连的流体质点构成微观上每个流体质点包含无数个流体分子连续介质模型示意图 流体质点具有微观上充分大，宏观上充分小的特点。1.1.2 连续介质假说 如何理解微观上充分大？流体分子流体质点 流体质点包含了大量流体分子 流体质点尺度远大于分子间距（分子间距大约10-10m）因为流体质点在微观上具有这种充分大的特性，即使有少量分子通过热运动进出流体质点，依然影响不了整体的平均值特性。1.1.2 连续介质假说 如何理解宏观上充分小？一滴水（大约包含31021个水分子）宏观上的研究对象包含了无数紧密相连的流体质点 研究流体流动问题时可忽略流体质点的大小,视为无体积的点因为流体质点在宏观上具有这种

7、充分小且紧密相连特性，使得由大量不连续的分子构成的流体具有了宏观上连续的流体属性，比如：速度、密度等。1.1.2 连续介质假说微观上流体分子不连续，且均做着无规则的热运动。宏观上流体是连续的，物理量具有统计平均值。连续介质假设桥梁 采用连续介质假设以后,流体性质与运动状态既由微观上不连续的分子决定,又在宏观上连续变化的空间点上具有确定的值,使问题得到了合理的简化。1.1.2 连续介质假说 以密度为例，对“微观上充分大，宏观上充分小”这一概念进行进一步的分析，如下图：在空间某点P(x,y,z)附近取一流体微元，其平均密度：m=V*必须指出 微元体过大或过小所得出的平均密度均不能反映流体在该处的密

8、度值。1.1.2 连续介质假说 当V过小时：少数分子的无规则运动会引起微元体内的密度出现随机波动。V1.1.2 连续介质假说 当V过大时：微元体内密度会受到周围密度分布不均匀的影响而变化。V121.1.2 连续介质假说注意：V0的含义为流体微元趋近于流体质点。本课程中其他章节出现类似符号时含义与此相同。*limVVmV=0limVmV=宏观上V*0 当V趋于V*时：微元体内密度既与分子运动无关，又与空间的密度变化无关，才具有确定的统计平均值。V*1.1.2 连续介质假说 工程中往往关心流体的宏观物理量，宏观物理量是大量分子微观特性的统计平均值。通过研究每个分子微观运动来研究流体宏观物理量非常复

9、杂和困难，单个分子的运动对于流体力学所研究的宏观规律而言已无影响。提出连续介质假设的原因1.1.2 连续介质假说 流体的宏观物理量可以表示成空间和时间的连续函数,进而可以利用数学中的连续函数相关理论来描述和分析流体的宏观运动规律。只着眼于流体质点的运动而摆脱了对纷繁复杂的分子运动的研究,既方便又有足够的精确性。连续介质假设带来的好处1.1.2 连续介质假说在万米高空中飞行的火箭，其周围空气十分稀薄，分子间的间距能接近数米，由于分子间距与火箭的几何尺度在同一数量级，连续性介质假设不再适用！连续介质假设适用于宏观尺度比分子间距大得多以至于分子间隙可以忽略。对于稀薄气体，这一假设不再适用！连续介质假

10、设适用条件1.1.2 连续介质假说1.按连续介质的概念,液体质点是指()A.液体的分子B.液体内的固体颗粒C.几何的点D.一块体积为无穷小的微量流体，包含有众多分子，反映大量分子运动的统计平均值思 考 题1.按连续介质的概念,液体质点是指()A.液体的分子B.液体内的固体颗粒C.几何的点D.一块体积为无穷小的微量流体，包含有众多分子，反映大量分子运动的统计平均值思 考 题D思 考 题2.连续介质的意义是：（）A.流体分子互相紧连B.流体的物理量是连续函数C.流体分子总数很多D.流体不可压缩2.连续介质的意义是：（）A.流体分子互相紧连B.流体的物理量是连续函数C.流体分子总数很多D.流体不可压缩思 考 题B谢谢聆听！