流体力学绪论.pptx

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1、课程要求及考核方式课程要求及考核方式按时上课、不得迟到早退、发现三次本课程为不及格。上课必须认真听讲，记笔记，不得做别事。平时要独立完成作业，按时上交。期末采取闭卷考试，考勤占10%，平时成绩占15%，实验占15%，期终考试占60。第1页/共101页 船舶海洋船舶海洋 航空航天航空航天 第2页/共101页 大气环流大气环流 水利枢纽水利枢纽 第3页/共101页 石油勘探石油勘探 流体机械流体机械 第4页/共101页 建筑桥梁建筑桥梁 仿生推进仿生推进 第5页/共101页 环境保护环境保护 交通堵塞交通堵塞 第6页/共101页 人体生命人体生命 材料特性材料特性 第7页/共101页 体育运动体育

2、运动 化工过程化工过程 第8页/共101页第一章绪论1.1流体力学的研究对象、内容和方法1.2流体的特征及连续介质假设1.3流体的主要物理性质*1.4流体力学在工程实践中的应用2023/3/269第9页/共101页一、研究对象 流流体体力力学学以液体和气体为研究对象，故流体是液体和气体的统称。但对研究对象既不研究其个别分子的运动，也不过问个别原子的运动，只研究其大量分子的集体运动。流流体体力力学学定定义义：根据理论力学的普遍原理，借助大量的实际资料，运用数学和实验方法来研究流体平衡和运动规律及其实际运用的一门科学。1.1 流体力学的研究对象、内容和方法2023/3/2610第10页/共101页

3、2023/3/2611 二、研究内容流、固体相互作用流动规律平衡规律绝对静止相对静止压力分布压力计算管 流绕 流射 流速度分布压力分布能量损失力与流动的关系流体动力学流体运动学流体静力学第11页/共101页2023/3/2612掌 握基本概念、基本原理 基本计算方法公式推导的前提条件、适用范围 各种系数的确定方法 结合实际灵活运用测压、测速、测流量的仪器原理 使用方法三、重点内容明 确熟 悉第12页/共101页四、流体力学的分类 理论（古典）流体力学理论（古典）流体力学偏重于数理分析偏重于数理分析 按研究按研究 方法分方法分 实验流体力学实验流体力学工程力学工程力学 水水力力学学 侧侧重重工程

4、应用工程应用 液液体体力力学学注注重重于于流流体体空空间间密密度度保保持持不不变变的特点的特点 按研究按研究 对象分对象分 气体力学气体力学运动速度小于声速的气体运动速度小于声速的气体 流流体体静静力力学学静静止止流流体体内内压压力力分分布布规规律律及对接及对接 按研究按研究 触固面的受力问题触固面的受力问题 内容分内容分 流流体体动动力力学学研研究究流流体体运运动动参参数数变变化化规规律及其律及其 对固面的作用力问题对固面的作用力问题2023/3/2613第13页/共101页五、流体力学的发展历程I、早期发展阶段公元前至17世纪中叶在治理江河、农田灌溉、供水及航海等实践活动中积累了大量的流体

5、基本知识。突出成就：公元前250年 阿基米德论浮体流体力学第一部著作第二章 流体静力学古希腊数学家、力学家，静力学古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人和流体静力学的奠基人 2023/3/2614第14页/共101页II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：1686 牛顿 流体黏性第一章 黏性自然哲学的数学原理牛顿内摩擦定律英国伟大的数学家、物理学家、英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。天文学家和自然哲学家。2023/3/2615第15页/共101页II、中期发展阶段17世纪中

6、叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：1738 伯努利 伯努利方程第三章 流体动力学基础流体动力学基本公式瑞士科学家，曾在瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院俄国彼得堡科学院任教，他在流体力任教，他在流体力学、气体动力学、学、气体动力学、微分方程和概率论微分方程和概率论等方面都有重大贡等方面都有重大贡献，是理论流体力献，是理论流体力学的创始人。学的创始人。2023/3/2616第16页/共101页II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物

7、：1755 欧拉理想流体平衡微分方程第二章 流体静力学理想流体运动微分方程第三章 流体动力学基础瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。论流体力学的创始人。2023/3/2617第17页/共101页II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：纳维尔 斯托克斯 NS方程第三章 流体动力学基础黏性流体运动微分方程2023/3/2618第18页/共101页II、中期发展阶段1

8、7世纪中叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：1883雷诺层流、紊流第六章 黏性流体的一维定常流动雷诺应力英国力学家、物理学家和工程师。杰英国力学家、物理学家和工程师。杰出的实验科学家。出的实验科学家。2023/3/2619第19页/共101页II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：儒可夫斯基机翼理论升力公式第四章 不可压缩流体有旋流动和二维无旋流动机翼设计2023/3/2620第20页/共101页II、中期发展阶段17世纪中叶至

9、20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：1912卡 门卡门涡街美国著名空气动力学家 解释机翼张线的线鸣、水下螺旋桨的嗡鸣 2023/3/2621第21页/共101页II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪初叶流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建立和发展了解决流体力学问题的理论与实验方法。代表人物：19041904普朗特普朗特边界层理论边界层理论第五章第五章 不可压缩流体二维边不可压缩流体二维边界层概述界层概述德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流

10、理论等方面理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。2023/3/2622第22页/共101页III、后期发展阶段20世纪初叶至20世纪中叶流体力学流体力学迅猛发展阶段，以航空航天领域为重，流体力学的理论与实验研迅猛发展阶段，以航空航天领域为重，流体力学的理论与实验研究在各个究在各个 领域都取得了极大的发展。形成了两门重要的学科：领域都取得了极大的发展。形成了两门重要的学科：空气动力学和计算流体力学。IV、近期发展状况20世纪中叶以后20世纪世纪50年代以后，流体力学已经建立了一个相对比较完整的科学研究体年代

11、以后，流体力学已经建立了一个相对比较完整的科学研究体系，一些基本问题都得到了很好的解决。但是一些较难、较复杂的问题还不能利系，一些基本问题都得到了很好的解决。但是一些较难、较复杂的问题还不能利用现有的知识进行解释，如湍流、旋涡动力学、非定常流等。这些问题成为目前用现有的知识进行解释，如湍流、旋涡动力学、非定常流等。这些问题成为目前流体力学的主要研究方向。另外各种交叉学科的出现也极大地拓展了流体力学的流体力学的主要研究方向。另外各种交叉学科的出现也极大地拓展了流体力学的研究领域。研究领域。2023/3/2623第23页/共101页2023/3/2624大禹治水 4000多年前的大禹治水大禹治水，

12、说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰都江堰、郑郑国渠国渠、灵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。龙首渠（公元前156-前87）西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。流体力学在中国流体力学在中国第24页/共101页2023/3/2625水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排水

13、排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。流体力学在中国流体力学在中国第25页/共101页2023/3/2626真州船闸北宋（960-1126）时期，在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。潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。流 量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。流体力学在中国流体力学在中国第26页/共101页2023/3

14、/2627 李冰（公元前李冰（公元前302-235302-235）都江堰都江堰流体力学在中国流体力学在中国第27页/共101页2023/3/2628钱学森钱学森 钱学森（19112009）浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英

15、模奖章。流体力学在中国流体力学在中国第28页/共101页2023/3/2629周培源（19021993)。1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、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。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。流体力学在中国流体力学在中国第29

16、页/共101页六、流体力学的研究方法目前，解决流体力学问题主要有一）实验方法(1)对所给定的问题，选择适当的无量纲相似参数，并确定其大小范围；(2)根据(1)准备试验条件，其中包括模型的设计制造与设备仪器的选择使用等；(3)制订试验方案并进行试验；(4)整理和分析实验结果，并与其他方法或其他著者所得的结果进行比较等。优点：能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象和新原理，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据缺点：对不同情况需作不同的实验，即所得结果的普适性较差2023/3/2630第30页/共101页二）分析方法(1)建立简化的数学模型，即根据所给问题的特点，作出一定的假定，并用

17、以简化一般的流体运动方程组和初始条件与边界条件；(2)用分析方法求此简化后的初值问题或边值问题的分析解；(3)选取适当的算例，利用分析解进行具体的数值计算；(4)将所得算例结果与用其他方法所得的相应结果进行比较，以检验简化模型的合理性优点：分析能明确地给出了各种物理与流动参量之间的变化关系，有较好的普适性。缺点：数学上的困难很大，能获得的分析解的数量有限。2023/3/2631第31页/共101页三）数值方法(1)对一般的流体运动方程，初始或边界条件，进行必要的简化或改写；(2)选用适当的数值方法，对简化或改写的初值问题或边值问题进行离散化；(3)编制程序，选取算例，进行具体计算，并将所得结果

18、绘制成图表；(4)将算例结果与实验或其他计算方法结果，进行比较。优点：许多用分析法无法求解的问题，用此法可以求得它们的数值解如果计算机的速度与容量继续提高，计算方法不断改进，它所起的作用，将愈来愈大，但其是一种近似方法，其结果仍应与实验或其它精确结果进行比较。缺点：对复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力。2023/3/2632第32页/共101页2023/3/2633穿过厚纸片的子弹的激波飞机激波航天飞机周围的激波第33页/共101页2023/3/2634涡街液滴落在液面时的瞬间第34页/共101页2023/3/2635协和式飞机着陆时的流场有攻角的锥头背风面的涡第35页/共101页20

19、23/3/2636 喷气式飞机外流场喷气式飞机外流场机舱内空调气体流动模拟效果图机舱内空调气体流动模拟效果图第36页/共101页2023/3/2637宝马轿车的外流场显示图宝马轿车的外流场显示图车厢内的空气流场车厢内的空气流场第37页/共101页2023/3/2638海上石油平台的空气外流场海上石油平台的空气外流场第38页/共101页单位制SI 国际单位制 长度（米）m；质量（千克）kg；时间（秒）s；电流强度（安培）A；热力学温度（开尔文）K；物质的量（摩尔）mol；发光强度（坎德拉）cd。常用单位换算关系 1千卡=4.187千焦耳；1千瓦=1.36马力；1牛顿=1千克1米/秒2；1焦耳=1

20、牛顿1米。2023/3/2639第39页/共101页1.2 流体的特征及连续介质假设流体的特征及连续介质假设一、物质物理属性比较 在常温常压下，物质可以分为固体、液体和气体三种聚集状态。其基本属性：（1）由大量分子组成，（2）分子不断地作随机热运动，（3）分子与分子之间有相互作用力。I 从宏观上看同体积内所包含的分子数目 气体液体固体II 同样分子间距上的分子相互作用力 气体液体100 适用适用L 物体特征尺寸物体特征尺寸l 流体质点特征尺寸流体质点特征尺寸不适用不适用第47页/共101页1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质一、流体的质量、重量、密度、重度质量、重量、密度、重度是流体最

21、基本的物理量。单位体积的流体所具有的质量称为密度单位体积的流体所具有的质量称为密度，以以表示表示。均质流体 =m/V (1-1)式中 m流体的质量(kg)V质量为m的流体所占有的体积(m3)单位体积的流体所受的重力称为重度单位体积的流体所受的重力称为重度，以以表示表示。均质流体 =G/V (1-2)式中 G流体的所受的重力（N）V重力为G的流体所占有的体积(m3)2023/3/2648第48页/共101页密度和重度之关系：=g或 =/g(1-3)式中g重力加速度，通常取g=9.81m/s2。密度的倒数称为比体积，以密度的倒数称为比体积，以表示表示=1/=V/m (1-4)-表示单位质量流体所占

22、有的体积表示单位质量流体所占有的体积。对于非均质流体，因质量非均匀分布，各点密度不同。取包围空间某点A在内的微元体积V,设其所包含的流体质量为m,重量为G,则当V0时,A点的密度、重度和比体积分别为(1-5)(1-6)(1-7)2023/3/2649第49页/共101页 流体的相对密度（比重）是指流体的重度与标准大气压下流体的相对密度（比重）是指流体的重度与标准大气压下4纯水的重度的比值纯水的重度的比值，用用d表示表示。d=流/水=流/水 (1-8)很明显，比重是一个无量纲的纯数。2023/3/2650第50页/共101页补充知识：量纲与单位量纲与单位2023/3/2651第51页/共101页

23、部分导出量采用基本量纲表示2023/3/2652第52页/共101页液 体种 类温度t/0C密度/(kg/m3)相对密度d粘度104 /(Pas)饱和蒸气压pv/(kPa)体积弹性系数K10-6/(Pa)水蒸气四氯化碳原油汽油甘油空气二氧化碳一氧化碳水银水熔化生铁20202020202020202020200.747158885667812581.2051.841.161355099870001.590.860.681.2613.560.9987.010.1019.7722.9149000.180.1480.18215.610.112.1550.0000140.000172.341100435

24、0262002070几种常见物质在标准大气压下的物理性质见表1-1。2023/3/2653第53页/共101页二、流体二、流体的热膨胀性和可压缩性的热膨胀性和可压缩性一）热膨胀一）热膨胀性性 在一定压强下，流体体积随温度升高而增大在一定压强下，流体体积随温度升高而增大的性质称为流体的热膨胀性。的性质称为流体的热膨胀性。热膨胀性的大小用体积膨胀系数热膨胀性的大小用体积膨胀系数表示。表示。物理意义：单位温度变化所引起的体积的相对变化率。物理意义：单位温度变化所引起的体积的相对变化率。(1-9)式中式中 体积膨胀系数（体积膨胀系数（1/K）V流体的体积（流体的体积（m3）V 流体体积的增加量（流体体

25、积的增加量（m3）T温度的增加量（温度的增加量（K）2023/3/2654第54页/共101页液体的热膨胀性很小，一般可忽略不计。液体的热膨胀性很小，一般可忽略不计。气体的热膨胀性相对很大，一般不可忽略，当气体压强不变时，温度每升高气体的热膨胀性相对很大，一般不可忽略，当气体压强不变时，温度每升高1K1K，体积便增大到，体积便增大到273K273K时体积的时体积的1/2731/273。因此，气体的热膨胀系数。因此，气体的热膨胀系数 =1/273=1/273（1/K1/K）2023/3/2655第55页/共101页 二）可压缩性在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质称为流体的压缩性。压缩性

26、的大小用体积压缩率表示。物理意义：单位压强变化所引起的体积的相对变化率。(1-10)式中体积压缩性系数(Pa-1)；V流体的体积(m3)V流体体积的变化量(m3)；p流体压强的变化量(Pa)由于压强增大，体积缩小，p 与V 变化趋势相反，为保证为正值，上式右边加一负号。并且从的表达式可以看出，当压强变化相同时，体积变化率越大，也就越大，即流体越容易被压缩，而小的流体不易被压缩。因此，值标志着可压缩性的大小。2023/3/2656第56页/共101页三）压缩率三）压缩率的倒数的倒数，称为体积模量称为体积模量，以以K表示表示。(1-11)气体状态方程：气体的情况比液体的复杂得多，一般需要同时考虑压

27、强和温度对气体密度的影响，才能确定或K 值。等温过程：p/=C，K=p；等熵过程：p/n=C，这里n为等熵指数，K=np。可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体：随T 和p 变化量很大，不可视为常量。不可压缩流体：随T 和p 变化量很小，可视为常量。特例：流速小于70m/s100 m/s气体可看作不可压缩流体。高温高压下的液体应考虑其压缩性。2023/3/2657第57页/共101页三、流体的粘性三、流体的粘性一）粘性的定义及牛顿内摩擦定律一）粘性的定义及牛顿内摩擦定律粘性：粘性：当流体层之间发生相对运动时在流体内部两个流层的接触面上产生的粘性阻当流体层之间发生相对运动时在流体内部两个流层的接触面

28、上产生的粘性阻力力,称之为流体的粘性。称之为流体的粘性。产生机理：产生机理：流体分子间的作用力所产生阻力；流体分子间的作用力所产生阻力；分子作不规则的热运动所造成的动量交换结果。分子作不规则的热运动所造成的动量交换结果。牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力F与沿接触面法线方与沿接触面法线方向的速度变化（即速度梯度向的速度变化（即速度梯度d/dn）成正比，与接触面的面积）成正比，与接触面的面积A成正比，与成正比，与流体的物理性质流体的物理性质有关，而与接触面上的压强有关，而与接触面上的压强P无关。无关。2023/3/2658

29、第58页/共101页设有两平行平板，相距为h，其间充满液体，如图1-1所示。假设下板固定，上板在外力作用下以匀速0向右运动。与两板相接触的流体由于附着力的作用必粘附于两平板上，具有与平板相同的运动速度。因此与上平板相接触的一层流体将以速度0随上板一起向右运动，而紧贴下板的一层流体将和下板一样静止不动。介于两板之间的各层流体将以自上而下逐层递减的速度向右运动。流动较快的流体层带动较慢的流体层，同时流动较慢的流体层又阻滞流动较快的流体层，从而在流体层之间产生内摩擦力。图1-12023/3/2659第59页/共101页(1-12)式中F流体层接触面上的内摩擦力（N）A流体层之间的接触面积(m2)d/

30、dn速度梯度(1/s)表示流体物理性质的一个比例常数(Pas)若以单位面积上的内摩擦力（切应力）表示:(1-13)考虑到d/dn可正可负，为保证为正值，当d/dn0时取正号，当d/dn0取负号。通常把满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛通常把满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。假如顿流体。假如F F不随不随d d/d/dn n 而变化而变化，则称为非牛则称为非牛顿流体顿流体。2023/3/2660第60页/共101页非牛顿型流体塑性流体 如凝胶、牙膏等；假塑性流体 如泥浆、纸浆、高分子溶液等；胀塑性流体 如乳化液、油漆、油墨等。2023/3/2661第61页/共101页小知识：非牛顿流体的奇妙特性

31、射流胀大爬杆效应无管虹吸湍流减阻2023/3/2662第62页/共101页二）粘性二）粘性的度量的度量1、动力粘度：表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体粘性的大小粘性的大小。(1-14)在SI制中，其单位为Ns/m2 或 Pas(称为帕秒)。过去沿用的单位还有泊(P)或厘泊(CP)。换算关系：1Pas=10P=1000CP。2、运动粘度：在流体力学中在流体力学中，动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，以以表示表示。=/(1-15)(1-15)在SI制中，其单位为m2/s。过去沿用的单

32、位还有cm2/s 称为斯(St)，厘斯(cSt)。换算关系：换算关系：1m2/s=104St=106cSt2023/3/2663第63页/共101页3、恩氏粘度E：恩氏粘度是一种相对粘度，它仅适用于液体。恩氏粘度是一种相对粘度，它仅适用于液体。测定方法测定方法：将将200mL的待测液体装入恩氏粘度计中，测定它在某一温度下通过底部的待测液体装入恩氏粘度计中，测定它在某一温度下通过底部2.8mm标准小孔口流尽所需的时间标准小孔口流尽所需的时间t1（s），再将），再将200mL的蒸馏水加入同一恩氏粘度计的蒸馏水加入同一恩氏粘度计中，在中，在20 标准温度下，测出其流尽所需时间标准温度下，测出其流尽所

33、需时间t2（约为（约为51s），时间），时间t1与与t2 的比的比值就是该液体在该温度下的恩氏粘度。值就是该液体在该温度下的恩氏粘度。E =t1/t2 (1-16)恩氏粘度E 是无量纲常数。它与运动粘度的经验换算公式(1-17)2023/3/2664第64页/共101页三）粘度的变化规律三）粘度的变化规律流体粘度随温度和压强而变化，由于分子结构及分子运动机理的不同，液体和气体的变化规律是截然相反的。液体粘度大小取决于分子间的距离和分子引力。当温度升高或压强降低时液体膨胀，分子间距增加，分子引力减小，粘度降低。反之，温度降低，压强升高时，液体粘度增大。气体分子间距较大，内聚力较小，但分子运动较剧

34、烈，粘性主要来源于流层间分子的动量交换。当温度升高时，分子运动加剧，所以粘性增大；而当压强提高时，气体的动力粘度和运动粘度减小。（=v l /3）2023/3/2665第65页/共101页四）理想流体和实际流体四）理想流体和实际流体 具有粘性的流体叫实际具有粘性的流体叫实际(粘性粘性)流体。而假想其没有粘流体。而假想其没有粘性（性（=0=0）的流体称之为理想流体）的流体称之为理想流体。这一假设的引入大大简化了分析，容易得到流体运动的规律。对那些粘性不起主要作用的问题，忽略粘性的影响所得到的结果，能比较精确地反映实际流动的情况。对于必须考虑粘性作用的问题，如流动的压力损失等，则可以专门对粘性的作

35、用进行理论分析和实验研究，然后再对理想流体的分析结果进行修正和补充，得到实际流体的运动规律，这已被实践证明是行之有效的分析方法。2023/3/2666第66页/共101页四、液体的表面张力和毛细现象四、液体的表面张力和毛细现象 内聚力：内聚力：是是分子间分子间的相互的相互吸引力吸引力。附着力：附着力：是指是指两种不同物质两种不同物质接触部分的相互吸引力。接触部分的相互吸引力。表面张力：表面张力：液体表面由于分子引力不均衡而产生液体表面由于分子引力不均衡而产生 的沿表面作用于任一界线上的张力。的沿表面作用于任一界线上的张力。v 表面张力表面张力 表面张力系数表面张力系数：是指自由液面上单位长度所

36、受到是指自由液面上单位长度所受到 的表面张力。单位为的表面张力。单位为N/mN/m。第67页/共101页在日常生活中，早晨荷叶上的露珠、在日常生活中，早晨荷叶上的露珠、杯子中的弧形水面等均为表面张力杯子中的弧形水面等均为表面张力现象。现象。在本体内的分子所受的力是对称的、平衡的。而在表面上的分子，受本体内分子吸引而无反向的平衡力。这就是说，它受到的是拉入本体内的力。也就是说，力图将表面积缩小，使这种不平衡的状态趋向平衡状态。2023/3/2668第68页/共101页v 毛细现象毛细现象液体在细管中能上升或下降的现象液体在细管中能上升或下降的现象液体沿固体液体沿固体上升上升：内聚力大于附着力：内

37、聚力大于附着力液体沿固体液体沿固体下降下降：内聚力小于附着力：内聚力小于附着力rh水水rh水银水银第69页/共101页已知：一平板距另一固定平板=0.5mm，二板水平放置，其间充满流体，上板在单位面积上为=2N/m2的力作用下，以u=0.25m/s的速度移动。由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，可用增量来表示微分可用增量来表示微分 解：解：【例1-1】求：求：该流体的动力黏度。该流体的动力黏度。由由牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律（PaPas s）第70页/共101页 已知：长度L=1m，直径d=200mm水平放置的圆柱体，置于内径D=206

38、mm的圆管中以u=1m/s的速度移动，间隙中油液的相对密度为d=0.92，运动黏度=5.610-4m2/s。解：解：【例1-2】求：求：所需拉力所需拉力F为多少？为多少？间隙中油的密度为 动力黏度为 （kg/m3）（PaPas s）由牛顿内摩擦定律由于间隙很小，速度可认为是线性分布（N）第71页/共101页已知：活塞直径d=152.4mm，活塞缸直径D=152.6mm，活塞长L30.48cm，活塞与缸间的缝隙充满润滑剂，其运动黏度=0.914410-4m2/s，相对密度为d=0.92，如果活塞以u=6m/s的平均速度移动，解：解：【例1-3】求：求：克服摩擦力所需要的功率克服摩擦力所需要的功率

39、 动力黏度为 （PaPas s）由牛顿内摩擦定律由于间隙很小，速度可认为是线性分布（N）克服摩擦力所需功率kw第72页/共101页1 1、流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如何变化？、流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如何变化？流体流体流体的种类、温度、压强。流体的种类、温度、压强。液体粘度随温度升高而减小，气体粘度随温度升高而增大。液体粘度随温度升高而减小，气体粘度随温度升高而增大。2 2、牛顿流体的、牛顿流体的 与与du/dydu/dy成正比成正比，那么，那么 与与du/dydu/dy成正比的流体一定成正比的流体一定 是牛顿流体吗是牛顿流体吗？不一定，因为宾汉塑性流体的不一定，因为宾汉

40、塑性流体的 与与du/dydu/dy成正比，但曲线不通成正比，但曲线不通过原点过原点。思考一下思考一下3 3、为什么荷叶上的露珠总是呈球形？、为什么荷叶上的露珠总是呈球形？表面张力的作用。表面张力的作用。第73页/共101页4 4、一块毛巾，一头搭在脸盆内的水中，、一块毛巾，一头搭在脸盆内的水中，一头在脸盆外，过了一段时间一头在脸盆外，过了一段时间 后，脸盆外的台子上湿了一大块，为什么？后，脸盆外的台子上湿了一大块，为什么？5 5、为什么测压管的管径通常不能小于、为什么测压管的管径通常不能小于1 1厘米？厘米？毛细现象。毛细现象。如管的内经过小，就会引起毛细现象，毛细管内液面上如管的内经过小，

41、就会引起毛细现象，毛细管内液面上升或下降的高度较大，从而引起过大的误差。升或下降的高度较大，从而引起过大的误差。思考一下思考一下第74页/共101页基本概念：流体、流体质点、连续介质假设、流体的热膨胀性、流体的可压缩性、流体的粘性。重点：流体的可压缩性计算、牛顿内摩擦定律的计算、粘度的三种表示方法。作业：P14151.1；1.3；1.6；1.7。小 结2023/3/2675第75页/共101页*流体力学流体力学在工程实践中的应用在工程实践中的应用（1）流体力学已经渗透到生产生活的各个领域：日常生活：风扇、空调、自来水、供暖系统等 机械工业：机械制造、锻压、轧钢、冶炼设备中液压与气压传动系统占有

42、重要地位 水利工程：水电站、水利枢纽工程 航空航天：空气动力学 医 学：血液流动生物流体力学（2）形成了诸多的交叉学科：计算流体力学、实验流体力学、生物流体力学、物理化学流体力学、多相流体力学。2023/3/2676第76页/共101页2023/3/2677流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。航空航天航海 第77页/共101页2023/3/2678使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。第78页/共101页2023/3/2679利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀

43、薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。第79页/共101页2023/3/2680单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台；第80页/共101页2023/3/2681排水量达50万吨以上的超大型运输船；第81页/共101页2023/3/2682航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；第82页/共101页2023/3/2683时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。第83页/共101页2023/3/2684用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万

44、千瓦的强大动力。水轮机能源动力 第84页/共101页2023/3/2685汽轮机叶片第85页/共101页2023/3/2686大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。第86页/共101页2023/3/2687第87页/共101页2023/3/2688第88页/共101页2023/3/268921世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报（卫星云图）第89页/共101页2023/3/2690环境与生态控制；第90页/共101页2023/3/2691灾害预报与控制：龙卷风第91页/共101页2023

45、/3/2692灾害预报与控制：太平洋暴云第92页/共101页2023/3/2693火山与地震预报；第93页/共101页2023/3/2694发展更快更安全更舒适的交通工具；第94页/共101页2023/3/2695各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。第95页/共101页2023/3/2696流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。星云第96页/共101页2023/3/2697毛细血管流动第97页/共101页2023/3/2698工程学、材料学、气象学第98页/共101页2023/3/2699第99页/共101页有信心的人，可以化渺小有信心的人，可以化渺小为伟大，化平庸为神奇。为伟大，化平庸为神奇。-（英）萧伯纳 第100页/共101页感谢您的观看！第101页/共101页