第一章 流体力学优秀课件.ppt

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1、第一章 流体力学第1页，本讲稿共29页一一.什么是物理学什么是物理学l 物理学是研究物质世界最基本形态的科学物理学是研究物质世界最基本形态的科学l 物理学研究的范围物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级物理学物理学 (Physics)质子质子 10-15 m空间尺度：空间尺度：物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子Microscopic介观物质介观物质mesoscopic宏观物质宏观物质macroscopic宇观物质宇观物质cosmological类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度：基本粒子寿命基本粒子寿命 1

2、0-25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s第2页，本讲稿共29页 物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性时间时间 t关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 1800 1900第3页，本讲稿共29页l 物理学是一切自然科学的基础物理学是一切自然科学的基础l 物理学派生出来的分支及交叉学科物理学派生出来的分支及交叉学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学

3、等学科的基础，物理学的基本地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中概念和技术被应用到所有自然科学之中。l 物理学与数学之间有着深刻的内在联系物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体物物理理学学宇宇宙宙射射线线物物理理学学三三.物理学是构成自然科学的理论基础物理学是构成自然科学的理论基础第4页，本讲稿共29页四四.物理学与技术物理学与技术2020世纪，物理学被公认

4、为科学技术发展中最重要的带头学科世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 热机的发明和使用，提供了第一种模式：热机的发明和使用，提供了第一种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：核能的利用核能的利用激光器的产生激光器的产生层析成像技术层析成像技术(CT)(CT)超导电子技术超导电子技术技术技术 物理物理 技术技术物理物理 技术技术 物理物理 粒子散射实验粒子散射实验X 射线的发现射线的发现受激辐射理论受激辐射理论低温超导微观理论低温超导微观理论第5页，本讲稿共29页五五.物理学的方法和科学态度物理学的方法和科学态度提提出出命命题题推推测测答答案案理理论

5、论预预言言实实验验验验证证修修改改理理论论现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的观从新的观测事实或实测事实或实验事实中提验事实中提炼出来，或炼出来，或从已有原理从已有原理中推演出来中推演出来 建立模型；建立模型；用已知原理对用已知原理对现象作定性解现象作定性解释，进行逻辑释，进行逻辑推理和数学演推理和数学演算算 新的理新的理论必须提论必须提出能够为出能够为实验所证实验所证伪的预言伪的预言 一切物一切物理理论最终理理论最终都要以观测都要以观测或实验事实或实验事实为准则为准则 当一个理当一个理论与实验事论与实验事实不符时，实不符时，它就面临

6、着它就面临着被修改或被被修改或被推翻推翻 第6页，本讲稿共29页六六.怎样学习物理学怎样学习物理学著名物理学家费曼说：著名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象断，如何区别真伪和表面现象。著名物理学家爱因斯坦说：著名物理学家爱因斯坦说：发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终发展独立思

7、考和独立判断地一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化人来，他一定会更好地适应进步和变化。第7页，本讲稿共29页 学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解 物理学中各个分支之间的相互联系。物理

8、学中各个分支之间的相互联系。学习的重点：学习的重点：物理模型物理模型 数学表述数学表述 研究方法与适用条件研究方法与适用条件七七.教学计划教学计划物理学物理学 周静娴周静娴 主编主编 中国农业出版社中国农业出版社 普通物理学普通物理学 陈德万陈德万 主编主编 中国农业出版社中国农业出版社 大学物理学习指导大学物理学习指导 张孝林张孝林 主编主编 科学出版社科学出版社教教 材：材：大学基础物理学大学基础物理学习岗习岗 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 参考书：参考书：第8页，本讲稿共29页 内内 容容参考学时参考学时 第第 1 章章 流体力学基础流体力学基础4 第第 2 章章 液体的表面性

9、质液体的表面性质4 第第 4 章章 热力学热力学6 第第 5 章章 静电场静电场8 第第 10章章 波动光学波动光学8 机动机动、复、复习习6教学计划教学计划 (总学时总学时36)实验总学时实验总学时24,共共10个实验个实验第9页，本讲稿共29页 第一章第一章 流体力学基础流体力学基础一、本章的基本内容及研究思路一、本章的基本内容及研究思路 本章主要研究液体本章主要研究液体力学即液体平衡和运动的规律的科学。力学即液体平衡和运动的规律的科学。液体最鲜明的特征是它的液体最鲜明的特征是它的流动性流动性，这是区别于固体的一个根，这是区别于固体的一个根本性质，其次，液体还具有粘滞性、不可压缩性（与气体

10、相比，本性质，其次，液体还具有粘滞性、不可压缩性（与气体相比，液体的可压缩性是很小的）。液体的可压缩性是很小的）。由于液体力学研究的是流体的机械运动，因此，反映机由于液体力学研究的是流体的机械运动，因此，反映机械运动共同本质的质点、质点组力学规律，对液体也同样械运动共同本质的质点、质点组力学规律，对液体也同样适用。另一方面，液体还具有本身所特有的规律，如连续适用。另一方面，液体还具有本身所特有的规律，如连续性原理、伯努利方程等。性原理、伯努利方程等。第10页，本讲稿共29页1-1 理想流体的定常流动理想流体的定常流动一、理想流体的概念一、理想流体的概念p实际流体都是可压缩的。就液体来说，压缩一

11、般都很小，实际流体都是可压缩的。就液体来说，压缩一般都很小，因此在研究气体流动的许多问题中，因此在研究气体流动的许多问题中，压缩性压缩性是可以忽略的。是可以忽略的。p实际流体流动中，流体各层有相对滑动时，相邻两层之实际流体流动中，流体各层有相对滑动时，相邻两层之间存在摩擦力，这种力阻碍流体各部分间的相对滑动，间存在摩擦力，这种力阻碍流体各部分间的相对滑动，流体的这种性质，称为流体的这种性质，称为粘滞性粘滞性，在很多情况下，粘滞性可，在很多情况下，粘滞性可以忽略不计。以忽略不计。p我们研究的问题中，我们研究的问题中，压缩性压缩性和和粘滞性粘滞性是影响流体运动的次要是影响流体运动的次要因素，只有流

12、动性才是决定运动的主要因素。因素，只有流动性才是决定运动的主要因素。p完全不可压缩又无粘性的流体叫做理想流体完全不可压缩又无粘性的流体叫做理想流体。第11页，本讲稿共29页二、定常流动、流线和流管二、定常流动、流线和流管1.定常流动定常流动流速场流速场定常流动定常流动2.流线和流管流线和流管AB 定常流动的理想流体，空间任一点的流速具有唯一值。定常流动的理想流体，空间任一点的流速具有唯一值。（1）流线流线 流线上每一点的切线方向代表流经该点的流体元流线上每一点的切线方向代表流经该点的流体元的速度方向。实际上每条的速度方向。实际上每条流线流线都表示流体元经过的路线。流都表示流体元经过的路线。流线

13、不能有交点。线不能有交点。（2）流管流管 所有通过其上的流线所围成的细管称为所有通过其上的流线所围成的细管称为流管流管。不。不会有任何一个流体元穿入或穿出流管会有任何一个流体元穿入或穿出流管第12页，本讲稿共29页三、连续性原理三、连续性原理如果流体不可压缩如果流体不可压缩常量常量质量流量质量流量连续性方程连续性方程在物理实质上它体现了流体在流动中在物理实质上它体现了流体在流动中质量守恒质量守恒第13页，本讲稿共29页 伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明了理想流体在伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明了理想流体在管道中作稳定流动时，流体中某点的压强管道中作稳定流动时，流体中某点的压强

14、p p、流速、流速v v和高度和高度h h三三个量之间的关系为个量之间的关系为式中式中 是流体的密度，是流体的密度，g g是重力加速度。运用功能原理导出伯是重力加速度。运用功能原理导出伯努利方程。努利方程。我们研究管道中一段流体的运动。我们研究管道中一段流体的运动。设在某一时刻，这段流体在设在某一时刻，这段流体在a a1 1a a2 2位置，经过极短时间位置，经过极短时间 t t后，这段后，这段流体达到流体达到b b1 1b b2 2位置位置a1v1p1 S1b1v2p2 S2h1h2a2b2四、伯努利方程四、伯努利方程第14页，本讲稿共29页现在计算在流动过程中，外力对这段流体所作的功。假设

15、流现在计算在流动过程中，外力对这段流体所作的功。假设流体没有粘性，管壁对它没有摩擦力，那么，管壁对这段流体体没有粘性，管壁对它没有摩擦力，那么，管壁对这段流体的作用力垂直于它的流动方向，因而不作功。所以流动过程的作用力垂直于它的流动方向，因而不作功。所以流动过程中，除了重力之外，只有在它前后的流体对它作功。在它后中，除了重力之外，只有在它前后的流体对它作功。在它后面的流体推它前进，这个作用力作面的流体推它前进，这个作用力作正功正功；在它前面的流体阻；在它前面的流体阻碍它前进，这个作用力作碍它前进，这个作用力作负功负功。因为时间因为时间 t t极短，所以极短，所以a a1 1b b1 1和和a

16、a2 2b b2 2是两段极短的位移，在每是两段极短的位移，在每段极短的位移中，压强段极短的位移中，压强p p、截面积、截面积S S和流速和流速v v都可看作不变。设都可看作不变。设p p1 1、S S1 1、v v1 1和和p p2 2、S S2 2、v v2 2分别是分别是a a1 1b b1 1与与a a2 2b b2 2处流体的压强、截面积和流处流体的压强、截面积和流速，则后面流体的作用力是速，则后面流体的作用力是p p1 1S1S1，位移是，位移是v v1 1 t t，所作的正功是所作的正功是p p1 1S S1 1v v1 1 t t ，而前面流体作用力作的负功是，而前面流体作用力

17、作的负功是-p-p2 2S S2 2v v2 2 t t ，由此，外，由此，外力的总功是力的总功是 第15页，本讲稿共29页其次，计算这段流体在流动中能量的变化对于稳定流动来说，在其次，计算这段流体在流动中能量的变化对于稳定流动来说，在b b1 1a a2 2间的流体的动能和势能是不改变的。由此，就能量的变化来间的流体的动能和势能是不改变的。由此，就能量的变化来说，可以看成是原先在说，可以看成是原先在a a1 1b b1 1处的流体，在时间处的流体，在时间 t t内移到了内移到了a a2 2b b2 2处，处，由此而引起的能量增量是由此而引起的能量增量是因为流体被认为不可压缩。所以因为流体被认

18、为不可压缩。所以a a1 1b b1 1和和a a2 2b b2 2两小段流体的体积两小段流体的体积S S1 1v v1 1 t t和和S S2 2v v2 2 t t必然相等，用必然相等，用 V V表示，则上式可写成表示，则上式可写成外力的总功是外力的总功是 第16页，本讲稿共29页从功能原理得从功能原理得整理后得整理后得它表明在同一管道中任何一点处，流体每单位体积的动能和势它表明在同一管道中任何一点处，流体每单位体积的动能和势能以及该处压强之和是个常量。在工程上，上式常写成能以及该处压强之和是个常量。在工程上，上式常写成伯努利方程伯努利方程第17页，本讲稿共29页三项都相当于长度，分别叫做

19、压力头、速度头、水头。三项都相当于长度，分别叫做压力头、速度头、水头。所以伯努利方程表明在同一管道的任一处，压力头、速度头、所以伯努利方程表明在同一管道的任一处，压力头、速度头、水头之和是一常量，对作稳定流动的理想流体，用这个方程水头之和是一常量，对作稳定流动的理想流体，用这个方程对确定流体内部压力和流速有很大的实际意义，在水利、造对确定流体内部压力和流速有很大的实际意义，在水利、造船、航空等工程部门有广泛的应用。船、航空等工程部门有广泛的应用。第18页，本讲稿共29页 方程的应用举例方程的应用举例1.小孔流速小孔流速由伯努力方程由伯努力方程得小孔流速得小孔流速流量流量S为小孔的截面积为小孔的

20、截面积AB虹吸现象虹吸现象从虹吸管管口吸出的液体速度为：从虹吸管管口吸出的液体速度为：第19页，本讲稿共29页2.皮托皮托(pitot)管原理管原理是一种用来测量流体速度的装置是一种用来测量流体速度的装置hABhAB测液体测液体液体流速为液体流速为测气体测气体气体流速为气体流速为为液体密度为液体密度为气体密度为气体密度第20页，本讲稿共29页12P1S1P2S23.文丘里流量计原理文丘里流量计原理第21页，本讲稿共29页ABABC4.空吸作用空吸作用水水流流抽抽气气机机原原理理喷雾器原理喷雾器原理 第22页，本讲稿共29页1.3 1.3 粘性流体的流动粘性流体的流动 现在讨论实际的流体，而不再

21、是现在讨论实际的流体，而不再是“理想流体理想流体”，我们知道，我们知道，静止流体中是不存在剪切应力的，但当各层流体之间有相对滑静止流体中是不存在剪切应力的，但当各层流体之间有相对滑动时，在它们之间有切向的摩擦力动时，在它们之间有切向的摩擦力粘滞力粘滞力。一、牛顿粘滞定律一、牛顿粘滞定律1.层流层流 实际流体流速不大时，流速是分层有规律变化的，流层实际流体流速不大时，流速是分层有规律变化的，流层之间仅有相对滑动，而不混合，称为之间仅有相对滑动，而不混合，称为层流层流。层流特点：只有切向速度，没有径向速度。层流特点：只有切向速度，没有径向速度。2.速度梯度速度梯度 粘滞流体沿粘滞流体沿x方向作层流

22、，其速度沿方向作层流，其速度沿y 正方向增大正方向增大,称称速度梯度速度梯度。第23页，本讲稿共29页yv1v2速度梯度速度梯度粘滞定律粘滞定律粘滞系数粘滞系数与流体本身性质有关与流体本身性质有关温度温度液体液体气体气体单位单位:SI制制:帕帕.秒秒2.粘滞系数粘滞系数第24页，本讲稿共29页v s rp1p2液液流流粘滞力粘滞力二、泊肃叶公式及应用二、泊肃叶公式及应用压力差压力差：粘滞阻力粘滞阻力定常流动定常流动 可见，流速随可见，流速随 r 的分布是：在圆管中心处最大，由此的分布是：在圆管中心处最大，由此向管壁沿抛物线减小，到管壁为零。向管壁沿抛物线减小，到管壁为零。第25页，本讲稿共29

23、页测量粘滞系数测量粘滞系数可得可得若测出流量若测出流量Qv、管径管径R用用得得达西定理达西定理圆管中的流量为：圆管中的流量为：第26页，本讲稿共29页例例 血液流过一条长为血液流过一条长为1mm 1mm，半径为，半径为2m 2m 的毛细血管的毛细血管时，如果最大流速为时，如果最大流速为0.66mms0.66mms-1-1,血液的粘滞系数为血液的粘滞系数为4.0104.010-3-3 Pas Pas，求毛细血管的血压降为多少？，求毛细血管的血压降为多少？解解：第27页，本讲稿共29页1-4 物体在粘滞液体中的运动物体在粘滞液体中的运动1.公式的表达公式的表达2.终极速度终极速度小球所受粘滞阻力与浮力之和与重力平衡球所受粘滞阻力与浮力之和与重力平衡,小球开始小球开始作匀速直线下落时的速度称作匀速直线下落时的速度称终极速度终极速度 vT液体密度液体密度小球密度小球密度生产工作者常称生产工作者常称 vT 为沉积速度为沉积速度第28页，本讲稿共29页AoBC粒子粒子03.离心分离离心分离用用代替代替引进沉降系数引进沉降系数 SSI制制:秒秒(s),常以常以 秒为沉降系数单位称为斯威得伯记作秒为沉降系数单位称为斯威得伯记作S第29页，本讲稿共29页