流體力學——第1章緒論

1、1,第1章 緒論（ Preface ）,目的： 了解流體的基本物理性質(zhì)(流動性、粘性、可壓縮性)內(nèi)容：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的流動性、粘性、可壓縮性等物理性質(zhì)作用在流體上的力。,,,2,1.1 流體力學的研究對象及意義,1.1.1 研究對象,,流體(Fluid),包括液體(Liquid)和氣體(Gas)。,1)流體與固體的區(qū)別：,固體：具有一定形狀，不易變形，能承受法向應力， 亦能承受切向力，可以通過應力、 應變

2、關(guān)系來描述 其變形。 流體：無固定形狀，只能承受壓力，一旦受到剪切 力，便連續(xù)不斷變形，產(chǎn)生流動； 它只能通過應變 與速度變化率描述。,3,1.1.1 研究對象,液體——無形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自 由（液）面。 氣體——既無形狀，也無體積，易于壓縮。,水動力學(Hydrodynamics) 空氣動力學(Aerodynamics),2)液體與氣體的區(qū)別：,3)流體力學的進一

3、步分類：,4,1.1 流體力學的研究對象及意義,水動力學基礎(chǔ)——勢流理論(波浪理論)、粘流理論、 邊界層理論及機翼理論。,課程體系——靜力學、運動學、動力學（理想流、 粘流）。,4)船舶流體力學研究內(nèi)容：,力學意義——流場中速度和壓力分布及其變化規(guī)律、 物體與流體相互作用、流體對物體的作用力（矩） 及其產(chǎn)生的原因及影響因素。,江 蘇 科 技 大 學,,,,,理論研究方法：通過對流體物理性質(zhì)和流動特征的科學抽象（近似）

4、抽出合理的理論模型。對這樣的理論模型，根據(jù)機械運動的普遍規(guī)律，建立控制流體運動的閉合方程組，將原來的具體流動問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題，在相應邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關(guān)鍵在于提出理論模型，并能運用數(shù)學方法求出理論結(jié)果。由于數(shù)學上的困難，許多實際問題還難以精確求解 ——理論流體力學。,實驗研究方法：將實際流動問題歸結(jié)為相似的實驗模型，根據(jù)實驗過程和實驗結(jié)果來推測實際問題結(jié)果 ——實驗流體力學。,數(shù)值研究方法：在計算機運用的基礎(chǔ)上，

5、采用各種離散方法（有限差分法，有限元法等），建立各種數(shù)值模型，通過計算機進行數(shù)值計算和數(shù)值實驗，獲得定量描述流動的數(shù)值解。近二三十年來這一方法得到很大發(fā)展，已形成專門的學科 ——計算流體力學。,1.1 流體力學的研究對象及意義,5）流體力學研究方法：,理論方法、實驗方法、數(shù)值方法。,江 蘇 科 技大 學,,,,,流體力學的萌芽，是自距今約2200年希臘學者阿基米德的《論浮體》一文開始的。他對靜止流體的性質(zhì)作了第一次科學總結(jié)。,流體力學的

6、主要發(fā)展，是從牛頓時代開始的，1687年牛頓的名著《原理》討論了流體的阻力、波浪運動等問題，使流體力學開始變?yōu)榱W中的一個獨立分支。此后，流體力學的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個階段：,1、伯努利所提出的液體運動的能量估計及歐拉所提出的液體運動的解析方法，為研究液體運動的規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)，在這一基礎(chǔ)上形成了屬于數(shù)學的古典“水動力學”（或古典流體力學）；,2、在古典“水動力學”的基礎(chǔ)上，Navier和stokes提出了著名的實際粘性流體的基本運動方

7、程——N-S方程。從而為流體力學的長遠發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但是由于古典流體力學在理論上的假設(shè)，如理想流體與實際不盡相符，或數(shù)學上求解方程的困難，不能滿意地解決工程問題，故而形成了以實驗方法來制定經(jīng)驗公式的“實驗流體力學”；,1.1 流體力學的研究對象及意義,5）流體力學的發(fā)展史,江 蘇 科 技 大 學,,,,,3、從十九世紀末起，人們將理論分析方法和實驗分析方法相結(jié)合以解決實際問題，“古典流體力學” 和“實驗流體力學”的內(nèi)容也不斷更新。

8、在此基礎(chǔ)上，最終形成了理論與實際并重的現(xiàn)代流體力學；這期間，英國工程師、物理學家雷諾闡明了相似原理，流體流動有層流和湍流兩種形態(tài)，判別準數(shù)雷諾數(shù)，雷諾方程。英國物理學家、數(shù)學家瑞利提出了量綱分析求流動相似準則。,4、二十世紀六十年代以后，由于計算機的發(fā)明與普及，出現(xiàn)了在理論分析和實驗觀察的基礎(chǔ)上擬定計算方案，利用計算機編程求解數(shù)值解的流體力學研究方法，即“計算流體力學“?，F(xiàn)代測量技術(shù)如激光測速儀等的應用和計算機在實驗數(shù)據(jù)的監(jiān)測、采集等中

9、的應用，都促進了工程流體力學的發(fā)展。,1.1 流體力學的研究對象及意義,江 蘇 科 技大 學,,,,,在我國水利的歷史十分悠久。,四千多年前”大禹治水“的故事——順水之性，治水需引導和疏通。,秦朝在公元前256～210年，修建了我國歷史上的三大水利工程（都江堰、國渠和靈渠）—— 明渠水流和堰流。,古代的計時工具“銅壺滴漏”—— 孔口出流,清朝雍正年間，何夢瑤在算迪一書中提出流量等于過水斷面面積乘以斷面平均流速的計算方法。,隋朝完成的南北

10、大運河。,隋朝工匠李春在（公元605～617年）修建的趙洲石拱橋 —— 拱背的4個小拱，既可減壓主拱的負載，又可宣泄洪水。,中華人民共和國成立以來，根治了淮河工程，黃河的綜合工程，長江綜合利用、整治工程和幾座大橋相繼建成，長江三峽工程順利建成。,1.1 流體力學的研究對象及意義,江 蘇 科 技 大 學,,,,,流體力學已廣泛用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。,在水利建設(shè)中：如防洪、灌溉、航運、水力發(fā)電、河道整治等；,在航空航天中：如航天飛機、人造

11、衛(wèi)星等;,在國民經(jīng)濟的其他技術(shù)部門中：如機械工程中的潤滑、液壓傳動；船舶的行波阻力；市政工程中的通風、通水，高層建筑的受風作用；鐵路、公路隧道中的壓力波傳播、汽車的外形與阻力的關(guān)系；血液在人體內(nèi)的流動；污染物在大氣中的擴散等。,1.1 流體力學及流體力學課程概述,1.1.3 工程應用,江 蘇 科 技 大 學,,1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),實際流體是由分子組成的，流體分子是有一定形狀的，流體分子與分子之間存在間隙，每個分子不停地做無規(guī)

12、則的熱運動，從微觀結(jié)構(gòu)上來看，在空間和時間上都是不連續(xù)的，但是流體力學研究的是流體的宏觀規(guī)律，一般不需要討論流體分子的微觀結(jié)構(gòu)，客觀上又是穩(wěn)定和連續(xù)的。因此需要對流體的物理實體加以模型化。,,,,1753年瑞士自然科學家歐拉首先提出了連續(xù)介質(zhì)模型 為宏觀的流體力學模型，即假定流體是由無數(shù)流體質(zhì)點所組成，這些流體質(zhì)點緊密接觸,彼此沒有間隙。,流體質(zhì)點,宏觀上足夠小, 以致于可以將其看成一個幾何上沒有維度的點；,它的形狀是任意的，因此流體質(zhì)

13、點之間可以緊密接觸，彼此沒有間隙。,微觀上足夠大，它里面包含許許多多的流體分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計學性質(zhì)；,江 蘇 科 技 大 學,,,,,流體微團,采用連續(xù)介質(zhì)模型后，就可以把流體的一切物理性質(zhì)如密度、壓強、溫度及宏觀運動速度等表為空間和時間的連續(xù)可微函數(shù)，便于用數(shù)學分析工具來解決問題。,！,通常將流體中任意小的一個微元部分稱作流體微團。當流體微團的體積無限縮小并以一個坐標點為極限時，流體微團就成為位于該坐標點上的流體質(zhì)點

14、。,1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),12,,,,,2)假設(shè)的合理性及其意義,,,合理性：在標準狀態(tài)下（ , 1atm）1 空氣中，具有2.7× 個分子，水具有3.4× 個分子，氣體分子平均自由行程約為7× cm.,意義：可以應用數(shù)學方法描述流體的連續(xù)流動，亦即流體的各種物理量應為空間和時間的單值連續(xù)可微函數(shù)。,如流體密度：,1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),江 蘇 科 技 大 學,,1

15、.３ 流體的物理性質(zhì),,,,一、易流動性,靜止流體不能承受切應力，在切應力作用下流體能產(chǎn)生連續(xù)變形(流動)。,14,1.3 流體的物理性質(zhì),,,流體的密度 重度,,,,,,,,密度(density) ： ( ) in the SI unit system,比容 (specific volume)：,重度（sp

16、ecific weight）：,比重（specific gravity）：,15,1.3.2 粘性(viscosity),1) 粘性的定義,,流體運動時，對相鄰兩層流體間相對運動，即相對滑動速度具有抵抗剪切（力）變形的性質(zhì)稱為粘性或內(nèi)摩擦。,16,1.3.2 粘性(viscosity),2)牛頓內(nèi)摩擦定律,Newton’s 實驗： 發(fā)現(xiàn)粘俯現(xiàn)象（內(nèi)摩擦力）； 發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦（剪應）力和變形速率呈線性,17,1.3.2 粘性(vis

17、cosity),3)粘性系數(shù),——動力粘性系數(shù)（Pa.s）。 值越大，流體越粘，抵抗變形運動的能力越強。,——運動粘性系數(shù)（m2/s）。,常溫常壓下：,粘性系數(shù)與溫度的關(guān)系,18,1.3.2 粘性(viscosity),4)理想流體與粘性流體,理想流體： 的流體（無粘性流體）。,5)牛頓流體和非牛頓流體,牛頓流體: 剪應力和變形速率滿足線性關(guān)系。非牛頓流體：剪切應力和變形速率之間不滿足線性關(guān)系的流體。,19,,,,,

18、,壓縮性定義：,,,,1.3.3壓縮性（compressibility）,,,,,,,,,,,,,,,流體的密度或容積隨壓力或溫度變化的性質(zhì)。流體都是可壓縮的。,壓縮系數(shù) 體積模量膨脹系數(shù)（體脹系數(shù)）：,20,1.3.3壓縮性（compressibility）,2)可壓縮流體和不可壓縮流體，斜壓、正壓概念 不可壓縮流體： 正壓流體： 斜壓流體：,,21,,,,,,,,,,1.4 流體的界面現(xiàn)象

19、和性質(zhì),,,,,,,,,,,1. 互不摻混流體界面上存在表面張力 （surface tension）2. 流體與固壁界面表面張力  毛細現(xiàn)象：氣、液、固三種界面之間的浸潤作用。3.流-固界面上速度的連續(xù)性 粘性流體：界面上流體速度和固體運動速度相等。 （無滑移條件） 理想流體：界面上允許流體切向滑移，但不能穿透，即界面上流-固速度的法向投影相等 （不

20、可穿透條件）,22,,,,,,,,,,1.5 作用在流體上的質(zhì)量力和表面力,,,,,1.5.1 質(zhì)量力（體積力）：,,,,,,,,,,,,,,,重力場中：,,單位質(zhì)量質(zhì)量力：,質(zhì)量力的合力：,,,,透過物質(zhì)傳遞的力。分離體內(nèi)任取一微元體積，其質(zhì)量為 ，有,23,1.5.2. 表面力：,表面力的合力,外界通過接觸傳遞的力，用應力來表示。,24,,1.5.3 理想流體中一點處的應力—— Pascal’s law,,理想（靜止）流體中沒

21、有切應力 ，只承受壓力 ，不能承受拉力。表面力只有法向壓應力p,25,壓力是唯一的表面力，指向作用面的內(nèi)法線方向； 壓力只是位置和時間的函數(shù)，與作用面的方位無關(guān)。,The pressure at a point in a fluid at rest, or in motion, is independent of direction as long as there are no shearing stre