流体力学 (3)精选文档.ppt

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1、流体力学课件本讲稿第一页，共二十七页绪论流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象液体和气体。本讲稿第二页，共二十七页流体力学发展简史流体力学的研究方法作用在流体上的力流体的主要物理性质流体力学的模型本讲稿第三页，共二十七页流体力学发展简史n n第一阶段（第一阶段（1616世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段n n第二阶段（第二阶段（1616世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18-18世纪中叶）流体力学世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段成为一门独立学科的基础阶段n n第三阶段（第三阶段（1818世纪中叶世纪中

2、叶-19-19世纪末）流体力学沿着两个方向世纪末）流体力学沿着两个方向发展发展欧拉、伯努利欧拉、伯努利n n第四阶段（第四阶段（1919世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展本讲稿第四页，共二十七页第一阶段（第一阶段（第一阶段（第一阶段（1616世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段n n公元前公元前22862286年公元前年公元前22782278年年大禹治水大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）疏壅导滞（洪水归于河）n n公元前公元前300300多年多年李冰都江堰李冰都江堰深淘滩，低作

3、堰深淘滩，低作堰n n公元公元584584年公元年公元610610年年隋朝南北大运河、船闸应用隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展产业发展n n系统研究系统研究古希腊哲学家阿基米德论浮体（公元前古希腊哲学家阿基米德论浮体（公元前250250年）奠定了流年）奠定了流体静力学的基础体静力学的基础本讲稿第五页，共二十七页第二阶段（第二阶段（第二阶段（第二阶段（1616世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18-18世纪中叶）流体力学成世纪中叶）流体力学成世纪中叶）流体力学成世纪

4、中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段为一门独立学科的基础阶段为一门独立学科的基础阶段为一门独立学科的基础阶段n n15861586年斯蒂芬年斯蒂芬水静力学原理水静力学原理n n16501650年帕斯卡年帕斯卡“帕斯卡原理帕斯卡原理”n n16121612年伽利略年伽利略物体沉浮的基本原理物体沉浮的基本原理n n16861686年牛顿年牛顿牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律n n17381738年伯努利年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程理想流体的运动方程即伯努利方程n n17751775年欧拉年欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程本讲稿第七页，共二十七页

5、第三阶段（第三阶段（第三阶段（第三阶段（1818世纪中叶世纪中叶世纪中叶世纪中叶-19-19世纪末）流体力学沿着两个方向发世纪末）流体力学沿着两个方向发世纪末）流体力学沿着两个方向发世纪末）流体力学沿着两个方向发展展展展欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验）n n工程技术快速发展，提出很多经验公式工程技术快速发展，提出很多经验公式17691769年谢才年谢才谢才公式（计算流速、流量）谢才公式（计算流速、流量）18951895年曼宁年曼宁曼宁公式（计算谢才系数）曼宁公式（计算谢才系数）17321732年比托年比托比托管（测

6、流速）比托管（测流速）17971797年文丘里年文丘里文丘里管（测流量）文丘里管（测流量）n n理论理论18231823年纳维，年纳维，18451845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-SN-S方程）方程）本讲稿第八页，共二十七页第四阶段（第四阶段（第四阶段（第四阶段（1919世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展n n理论分析与试验研究相结合理论分析与试验研究相结合n n量纲分析和相似性原理起重要作用量纲分析和相似性原理起重要作用18831883年雷诺年雷诺雷诺实验（判断流态

7、）雷诺实验（判断流态）19031903年普朗特年普朗特边界层概念（绕流运动）边界层概念（绕流运动）1933-19341933-1934年尼古拉兹年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）尼古拉兹实验（确定阻力系数）流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科本讲稿第九页，共二十七页流体力学的研究方法理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充n n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揭示本质分析和揭示本质和规律和规律n n实验方法实验方法相似理论相似理论模型实验装置模型实

8、验装置n n数值方法数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一一本讲稿第十页，共二十七页作用在流体上的力1.质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比重力惯性力单位质量力重力本讲稿第十一页，共二十七页2.表面力：外界对所研究流体表面的作用力，作用在外 表面，与表面积大小成正比应力切线方向：切向应力剪切力内法线方向：法向应力压强FAFnF表面力具有传递性流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力本讲稿第十二页，共二十七页流体的主要物理性质惯性、粘性、压缩（膨胀）性惯性、粘性、压缩（膨胀）性1.惯性密度常见的密度（在一个标准大气压下）：4

9、时的水20时的空气容重（重度）比重本讲稿第十三页，共二十七页2.粘性：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换牛顿内摩擦定律：切应力：zvv+dvvxzdzy本讲稿第十四页，共二十七页a.速度梯度的物理意义角变形速度（剪切变形速度）vdt(v+dv)dtdvdtdzd流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于dv/dz正比于正压力，与速度无关本讲稿第十五页，共二十七页b.动力粘度（系数）：与流体性质有关PaS运动粘度（系数）：m/s微观机制：液体吸引力T气体热运动T本讲稿第十六页，共二十七页dv/dz牛顿流体o牛顿流体服从

10、牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）c.牛顿流体与非牛顿流体本讲稿第十七页，共二十七页0dv/dzo塑性流体 非牛顿流体 塑性流体克服初始应力0后，才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）本讲稿第十八页，共二十七页dv/dzo拟塑性流体 拟塑性流体的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）本讲稿第十九页，共二十七页dv/dzo膨胀型流体 膨胀型流体的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）本讲稿第二十页，共二十七页0dv/dzo膨胀型流体牛顿流体拟塑性流体塑性流体本讲稿第二十一页，共二十七页例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=

11、11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的=0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面积、速度梯度的取法dDL本讲稿第二十二页，共二十七页例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。解：注意：1.面积A的取法；2.单位统一hnr1r2得本讲稿第二十三页，共二十七页3.压缩（膨胀）性a.压缩系数在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比体积模量（弹性模量）b.膨胀系数在一定压强下，体积的变化率与温度的变化

12、成正比本讲稿第二十四页，共二十七页c.气体理想气体状态方程R气体常数空气R=8.31/0.029=287J/kgK等温过程：压缩系数等压过程：膨胀系数绝热过程：压缩系数低速（标准状态，v68m/s）气流可按不可压缩流体处理本讲稿第二十五页，共二十七页表面张力和毛细现象1.表面张力：由分子的内聚力引起单位：N/m发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界2.毛细现象：液固接触液固间附着力大于液体的内聚力液固间附着力小于液体的内聚力凹上升凸下降hh本讲稿第二十六页，共二十七页流体力学的模型n n连续介质连续介质流体微元流体微元具有流体宏观特性的最小体积的流体团具有流体宏观特性的最小体积的流体团n n理想流体理想流体不考虑粘性的流体不考虑粘性的流体n n不可压缩性不可压缩性=c c本讲稿第二十七页，共二十七页