中南大學(xué)《流體力學(xué)》課件第一章緒論

1、Engineering Fluid Mechanics,流體力學(xué)電子教案,第一章 緒論,,,第一節(jié) 流體力學(xué)概述,第一節(jié)流體力學(xué)概述,1. 流體力學(xué)： （對(duì)象為流體）,研究流體平衡和力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科。,,,流體在外力作用下，平衡與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；,流體與 邊界 的相互作用。,固定邊界,運(yùn)動(dòng)邊界,,,,,第一章 緒論,,力學(xué),2、流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì),研究對(duì)象力學(xué)問(wèn)題載體,宏觀力學(xué)分

2、支遵循三大守恒原理,流體力學(xué),水力學(xué),流體,水,力學(xué),強(qiáng)調(diào)水是主要研究對(duì)象比較偏重于工程應(yīng)用土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)常用,,,,第一章 緒論,,3、工程流體力學(xué)中的基本力學(xué)問(wèn)題和任務(wù),1、作用力問(wèn)題；2、過(guò)流能力問(wèn)題；3、流體能量的利用和能量損失問(wèn)題；4、水流形態(tài)問(wèn)題。,空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問(wèn)題是很普遍的。流體力學(xué)在許多學(xué)科和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。,本課程屬于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，需要有一定的數(shù)理知識(shí)及理論力學(xué)、

3、材料力學(xué)基礎(chǔ)。,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,航天航空工業(yè) （空氣動(dòng)力學(xué)）,造船工業(yè) （水動(dòng)力學(xué)）,電力工業(yè) 水電站、火電站、 核電站、地?zé)犭娬?石油化工工業(yè),1、建筑工程和土建工程中的應(yīng)用。,,基坑排水,地下水滲透,鐵路路基排水,圍堰修建,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,2、在市政工程中的應(yīng)用。,如橋涵孔徑設(shè)計(jì)、給水排水、管網(wǎng)計(jì)算、 泵站和水塔的設(shè)計(jì)、隧洞通風(fēng)等，特別是給水排水工程中，無(wú)論取水、

4、水處理、輸配水都是在水流動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。流體力學(xué)理論是給水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制的理論基礎(chǔ)。,橋涵孔徑的設(shè)計(jì),隧洞通風(fēng),,給水排水設(shè)計(jì)水廠,3.城市防洪工程中的應(yīng)用。如堤、壩的作用力與滲流問(wèn)題、防洪閘壩的過(guò)流能力等,公路與橋梁工程 路基的沉陷、崩竭、滑坡、 橋梁、涵洞、倒虹吸管和 透水貽堤的修建等,6. 在建筑環(huán)境與設(shè)備工程中的應(yīng)用。如供熱、通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)，以及設(shè)備的選用等。,5. 機(jī)械工業(yè)中

5、澗滑、冷卻、液壓傳動(dòng),4. 在采礦中的應(yīng)用 礦井通風(fēng)、采掘過(guò)程中的除塵、礦山排水、選礦工藝,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,排球,足球,網(wǎng)球,游泳,賽艇,鐵餅,高爾夫球,賽跑,賽車(chē),標(biāo)槍,乒乓球,羽毛球,大部分競(jìng)技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān),7. 在生活中的應(yīng)用,空氣和水是所有生物生存不可或缺的基礎(chǔ)，然雖然生活在流體環(huán)境中，人們對(duì)一些流體運(yùn)動(dòng)卻缺乏認(rèn)識(shí)，比如：,?高爾夫球飛得遠(yuǎn)應(yīng)表面光滑還是粗糙嗎？ ?汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是尾

6、部嗎？ ?機(jī)翼升力來(lái)自下部還是上部嗎？ ?建造在河邊的房屋為什么容易傾斜？ ?虹吸管中的水為什么能流到管道的高處？ ? 塔科馬海峽大橋垮塌之謎？ ? ………,第一章 緒論,高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭,起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時(shí)用皮革制球。,后來(lái)發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)。,這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開(kāi)。,現(xiàn)在的高爾

7、夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍,第一章 緒論,最開(kāi)始人們認(rèn)為汽車(chē)高速前進(jìn)時(shí)的阻力主要來(lái)自車(chē)前部對(duì)空氣的撞擊,因此早期的汽車(chē)后部是陡峭的，稱(chēng)為箱型車(chē)，阻力系數(shù)CD 很大，約0.8,實(shí)際上，汽車(chē)阻力主要取決于后部形成的尾流 ，叫形狀阻力,第一章 緒論,20世紀(jì)30年代起，人們開(kāi)始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車(chē)尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲(chóng)型，阻力系數(shù)降至0.6,20世紀(jì)50－60年代改進(jìn)為船型， 阻

8、力系數(shù)為0.45,80年代經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚(yú)型，阻力系數(shù)為0.3,以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型， 阻力系數(shù)為0.2,第一章 緒論,,汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部,90年代后，科研人員研制開(kāi)發(fā)的未來(lái)型汽車(chē)，阻力系數(shù)僅為0.137,經(jīng)過(guò)近80年的研究改進(jìn)，汽車(chē)阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來(lái)的1/5 。 目前，在汽車(chē)外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車(chē)具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗

9、油率。,第一章 緒論,人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥(niǎo)的翅膀，把鳥(niǎo)托在空中。19世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。,脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反,第一章 緒論,足球運(yùn)動(dòng)的香蕉球現(xiàn)象可以幫助理解環(huán)流理論,旋轉(zhuǎn)的球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣體加速，另一側(cè)減速，形成壓差力，使足球拐彎，稱(chēng)為馬格努斯效應(yīng),第一章 緒論,,機(jī)翼升力來(lái)自上部還是來(lái)自下部,機(jī)翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)量，上部流速加快形成吸力，下部流速

10、減慢形成壓力，兩者合成形成升力,測(cè)量和計(jì)算表明上部吸力的貢獻(xiàn)比下部要大,第一章 緒論,高位取水的電力大于低位取水的電力？,答案,實(shí)際發(fā)電電能相同,在98長(zhǎng)江特大洪水時(shí)，有人提出了一個(gè)緊急提案：調(diào)用休漁期的數(shù)百只船至長(zhǎng)江中游，拋錨后，齊開(kāi)足馬力用螺旋槳推動(dòng)水流加大流速，降低長(zhǎng)江上下游的洪水位?,答案,勞民傷財(cái),第一節(jié)流體力學(xué)概述,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,古時(shí)中國(guó)有大禹治水疏通江河的傳說(shuō)；改「堵」為「疏」，對(duì)洪水進(jìn)行

11、疏導(dǎo)。「三過(guò)家門(mén)而不入」,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用。 鄭國(guó)渠、靈渠,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,鄭國(guó)渠是公元前237年，秦王政采納韓國(guó)水利家鄭國(guó)的建議開(kāi)鑿的。它西引涇水(陜西北面）東注洛水，長(zhǎng)達(dá)300余里。 灌溉面積達(dá)280萬(wàn)畝，成為我國(guó)古代最大的一條灌溉渠

12、道。,陜西涇陽(yáng)縣，此大壩為世界上最早,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,,,,南渠 （至漓江）,北渠（至湘江）,,,鏵嘴,海洋河,30%,70%,防洪：靈渠從源頭始每隔一段距離就有一個(gè)泄水涵，當(dāng)渠中水位高至上限，自動(dòng)地往北面湘江泄水；靈渠的上游還筑有一道漫水堤，大大提高了渠道的泄水能力。因此每年夏季的雷雨季節(jié)，河里經(jīng)常發(fā)洪水，不管北面的湘江有多大的洪水，南面靈渠的水量還是基本保持在原來(lái)的水位

13、。,交通運(yùn)輸：連接珠江（嶺南）與長(zhǎng)江水系（中原）唐后沿途設(shè)斗門(mén)，相當(dāng)于現(xiàn)代的閘門(mén)，為世界最早。,農(nóng)田灌溉:,“七分湘水三分漓”,,大小天平,,鏵嘴,始建于秦始皇時(shí)期 （公元前223年～214年 ）,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,,趙州橋（公元591年至599年）,南北大運(yùn)河（隋朝公元587年至610年）,——拱背的4個(gè)小拱， 既減壓主拱的負(fù)載， 又可宣泄洪水,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,,元延祐三年（公元1316

14、年）造,日壺 (高75.5厘米、口徑68.2厘米、底徑60厘米),月壺(高58.5厘米、口徑54.5厘米、底徑53厘米 ),星壺（高55.4厘米、口徑44厘米、底徑39厘米）,受水壺（高75厘米、口徑32厘米、底徑31厘米 ）,銅尺（上有時(shí)辰刻度）,銅尺前有木劍，木劍前有一木塊稱(chēng)浮舟,隨時(shí)間的推移浮舟托起木箭緩緩上升。將木箭的頂端與銅表尺上的刻度對(duì)照，就可知道當(dāng)時(shí)的時(shí)間。,,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,古羅馬人建成了

15、大規(guī)模的供水管道系統(tǒng),第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）,對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學(xué)沒(méi)有重大發(fā)展。,阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力,2、古典流體力學(xué)階段,15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥(niǎo)的飛翔原理等問(wèn)題 。,達(dá)·芬奇自畫(huà)像,17

16、世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。,布萊士·帕斯卡,17世紀(jì)，牛頓《自然科學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)后，流體力學(xué)作為一門(mén)嚴(yán)密的科學(xué)，隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場(chǎng)等概念，確立了質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律最終形成。,牛頓,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,2、古典流體力學(xué)階段,歐拉,歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無(wú)

17、粘流體的運(yùn)動(dòng),伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程,伯努利,3、古典流體力學(xué)與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)相結(jié)合階段（18到19世紀(jì)末）,謝才（ 法國(guó)）建立了渠道流量經(jīng)驗(yàn)公式,弗魯?shù)拢ㄓ?guó)）建立了模型試驗(yàn)法則,雷諾（愛(ài)爾蘭）提出層流和紊流運(yùn)動(dòng),第一節(jié)流體力學(xué)概述,達(dá)朗貝爾(1717-1783),達(dá)朗貝爾對(duì)運(yùn)河中船只的

18、阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系,4、公元18世紀(jì)至20世紀(jì) ——數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn),數(shù)學(xué)分析,伯努利方程,歐拉方程,納維－斯托克斯方程（N-S方程 ）,雷諾方程,,,,實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)分析,,缺陷：復(fù)雜性、 理想模型的局限性、難應(yīng)用于實(shí)際工程,謝才公式,曼寧公式,,,理論方法,理論＋實(shí)踐,,實(shí)用水力學(xué),,古典水力學(xué),第一章 緒論,5、20世紀(jì)以后 數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn) 計(jì)算機(jī)

19、技術(shù)＋航空技術(shù)等(現(xiàn)代流體力學(xué)),普朗特Prandtl L. (1875-1953),馮﹒卡門(mén)(1881-1963),卡門(mén)渦街,邊界層分離現(xiàn)象,第一節(jié)流體力學(xué)概述,第一章 緒論,以周培源、錢(qián)學(xué)森為代表的中國(guó)科學(xué)家在湍流理論、 空氣動(dòng)力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了基礎(chǔ)性、開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。,周培源（1902－1993 ）,錢(qián)學(xué)森（1911－2009）,第一章 緒論,理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三種方法相互結(jié)合，是互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相

20、取代的關(guān)系。,理論分析,實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值計(jì)算,建立流體力學(xué)的基本方程式，如：壓強(qiáng)基本方程式、連續(xù)方程式、能量方程式、動(dòng)量方程式。,原型觀測(cè)、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、模型研究得到流體力學(xué)計(jì)算公式和方法：謝才公式、曼寧公式。,有限差分法、有限元法,流動(dòng)分析的簡(jiǎn)化,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),流體 ：指具有 流動(dòng)性 且自身不能保持一定 形狀的物體。,固體：有固定的平衡位置，具有一定的體積，一定的形狀。,觸變質(zhì)：如膠狀物和油漆

21、、瀝青等。,從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。,固體                    流體,第一章 緒論,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),液體和氣體的區(qū)別：,(1) 氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；,(2)液體有一

22、定的體積，存在一個(gè)自由液面；氣體能充滿任意形狀的容器，無(wú)一定的體積，不存在自由液面。,液體和氣體的共同點(diǎn)：,兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱(chēng)為流體。,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),流體質(zhì)點(diǎn),1）質(zhì)點(diǎn)的宏觀尺寸非常小，即limΔV→0 ；,2）質(zhì)點(diǎn)的微觀尺寸足夠大；,3）質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)物理實(shí)體；,4）質(zhì)點(diǎn)的形狀可任意劃定，以做到質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)縫隙。,個(gè)分子,1mm3空氣( 1個(gè)大氣壓，00C),第二節(jié)

23、 流體的主要物理性質(zhì),連續(xù)介質(zhì)模型,把流體視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型。,排除了分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。,物理量作為時(shí)空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來(lái)研究問(wèn)題。,優(yōu)點(diǎn),,特例,只有當(dāng)考慮的現(xiàn)象具有比流體分子結(jié)構(gòu)尺度大得多的尺度時(shí)才成立。？？？含有氣泡的液體是否適用連續(xù)介質(zhì)模型？？？,如 p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）,,第一章 緒論

24、,第一次課要點(diǎn)回顧,流體力學(xué)的任務(wù)流體力學(xué)在工程上的應(yīng)用固體、液體、氣體三者的主要區(qū)別連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的慣性特性,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),γ ：重度或容重,單位：N/m3 ，或 kN/m3,單位： kg/m3,熟記：,以密度ρ來(lái)衡量,比重,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),在溫度不變的條件下，流體體積隨壓強(qiáng)增加而減小的性質(zhì)。,體積壓縮系數(shù),體積彈性模量,k 與K 隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微,說(shuō)明：A. K 越大，越不易被壓縮，

25、當(dāng)K 無(wú)窮大時(shí)，表示該流體絕對(duì)不可壓縮；,B. 流體的種類(lèi)不同，其 k 和 K 值不同；,C. 同一種流體的k 和K 值隨溫度、壓強(qiáng)的變化而變化,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),在壓強(qiáng)不變條件下，流體體積隨溫度增加而增加的性質(zhì)。,體積膨脹系數(shù),第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),可壓縮流體：流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的流體ρ≠C,不可壓縮流體:流體密度隨壓強(qiáng)變化很小，流體的密度可 視為常數(shù)的流體 ρ=C,(a) 嚴(yán)格地

26、說(shuō)，不存在完全不可壓縮的流體。,(b) 一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體. (水擊現(xiàn)象,液壓沖擊,水中爆炸波的傳播等問(wèn)題除外),(c) 對(duì)于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對(duì)較小時(shí)，可視為不可壓縮流體。,(d) 管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體。,第一章 緒論,答案,因?yàn)樗膹椥阅Ａ亢艽?，壓?qiáng)變化時(shí)，水的體積變化很小，可忽略不計(jì)，所以水通常被視為不可壓縮流體,答案,水為可壓縮流體；此時(shí)水龍頭處的壓強(qiáng)發(fā)生變化，

27、且變化幅度較大,答案,適用,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),生活中的實(shí)例。,牛頓于1687年《自然科學(xué)的數(shù)學(xué)原理》書(shū)中提出粘性概念,一百年后由庫(kù)侖用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。,庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)： 把一薄圓板用細(xì)絲平吊在液體中，將圓板轉(zhuǎn)過(guò)一角度后放開(kāi)，圓板作往返擺動(dòng)，逐漸衰減，直至停止，測(cè)量其衰減時(shí)間。用三種圓板做實(shí)驗(yàn)。（a、普通板，b、表面涂蠟，c、表面膠一層細(xì)砂）,,庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)證明衰減原因不是圓板與液體間的摩擦， 而是液體內(nèi)部的摩擦，即內(nèi)摩擦。,庫(kù)

28、侖,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),1、定義 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩 擦力（內(nèi)力/粘性力）以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì),2、牛頓內(nèi)摩擦定律,（層流、無(wú)滑移假設(shè)）,引入比例系數(shù)μ ，得,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),3、粘度μ 在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體具有抵抗剪切變形速率的能力的量度。 粘性大小由粘度來(lái)量度。 流體的粘度是由流動(dòng)流體的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換

29、所引起的。,μ —— 動(dòng)力粘滯系數(shù)。 N.s/m2 ；Pa.Sν —— 運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。 m2/S,,,1）流體種類(lèi)。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。,2）壓強(qiáng)。對(duì)常見(jiàn)的流體，如水、氣體等，μ 值隨壓強(qiáng)的變化不大。,3）溫度。是影響粘度的主要因素。 當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),液體： 內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，

30、吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小， 所以μ 值減小。,氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子 運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng) 量交換頻繁，所以 μ值增加。,—— 粘度μ,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),4、速度梯度,表示流體直角減小的速度,也稱(chēng)角變形速率,說(shuō)明：流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。 —— 區(qū)別于固體的

31、重要特性: 固體的切應(yīng)力與角變形的大小成正比。,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),5、牛頓流體和非牛頓流體 理想流體和實(shí)際流體,牙膏、泥漿、血漿等,橡膠、油漆、尼龍等,生面團(tuán)、濃淀粉糊,想一想:切應(yīng)力與剪切變形速率成線性關(guān)系的流體是牛頓流體，對(duì)嗎？,第一章 緒論,例：試?yán)L制平板間液體的流速分布圖與切應(yīng)力分布圖。 設(shè)平板間的液體流動(dòng)，其流速按直線分布，如圖所示。,解：設(shè)液層分界面上的流速為u , 則：切應(yīng)力分布：,下層

32、：,上層：,在液層分界面上：,,,,,表面張力現(xiàn)象,水滴懸在水龍頭出口而不滴落； （ 肥皂泡、洗潔劑）,細(xì)管中的液體自動(dòng)上升或下降一個(gè)高度；（毛細(xì)管現(xiàn)象）,鐵針浮在液面上而不下沉。（微重力環(huán)境行為）,表面張力的定義,沿液體表面作用著的使自由表面張緊的力稱(chēng)為表面張力。 液體表面張力的大小可以用液體表面單位長(zhǎng)度所受的拉力即表面張力系數(shù)σ來(lái)度量，單位是N/m。,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),接觸角,當(dāng)液固接觸時(shí)，液體表面的切面與固體壁

33、在液體內(nèi)部所夾的角為接觸角。,毛細(xì)現(xiàn)象,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱(chēng)為汽化。汽化有兩種方式：只在液體表面進(jìn)行的稱(chēng)為蒸發(fā)， 液體表面和內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行的稱(chēng)為沸騰。,液體總是在一定溫度和一定壓強(qiáng)下才能沸騰，這個(gè)溫度就是沸點(diǎn)，這個(gè)壓強(qiáng)（一般以絕對(duì)壓強(qiáng)計(jì)）稱(chēng)為汽化壓強(qiáng)（或蒸汽壓強(qiáng)、飽和蒸氣壓強(qiáng)），以pv表示。,當(dāng)液體中某處壓強(qiáng)達(dá)到或小于汽化壓強(qiáng)時(shí)，該處液體便沸騰，液體內(nèi)部形成許多氣泡，這種

34、現(xiàn)象稱(chēng)為空化?？栈F(xiàn)象易對(duì)設(shè)備或配件產(chǎn)生汽蝕破壞（或空蝕破壞）。,第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),第一章 緒論,答案,無(wú)。理想流體μ=0，沒(méi)有切應(yīng)力,答案,流體的種類(lèi)、溫度、壓強(qiáng)。液體粘度隨溫度升高而減小，氣體粘度隨溫度升高而增大。,答案,不一定。因?yàn)橘e漢塑性流體的τ與du/dy成正比，但曲線不通過(guò)圓點(diǎn)。,答案,剪切變形速率， 剪切變形大小,答案,表面張力的作用,第一章 緒論,答案,高原上，壓強(qiáng)低，水不到100℃就會(huì)沸騰，雞蛋煮不熟，所以須

35、加蓋 。,答案,不能，最大真空度等于大氣壓強(qiáng)與汽化壓強(qiáng)的差值.,答案,毛細(xì)現(xiàn)象,答案,低壓處產(chǎn)生氣泡，氣泡隨水流到高壓處破滅，產(chǎn)生沖擊力，剝蝕葉片，形成空蝕。,答案,h1-h2 ——水； h1+h2 ——水銀,第三節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),第三節(jié) 作用在流體上的力,按物理性質(zhì)的不同分： 重力、摩擦力、慣性力、彈性力、表面張力等,按作用方式分： 質(zhì)量力和面積力,質(zhì)量力,作用在流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，與流體質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量大小成正比。,（如重力、慣

36、性力、電場(chǎng)力）,單位質(zhì)量力：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力,fx、fy、fz 為單位質(zhì)量力在x、y、z三個(gè)方向上的分量。,第三節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),第三節(jié) 作用在流體上的力,表面力,是毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。它的大小與作用面面積成正比。,壓力：    垂直于作用面。,切力：   平行于作用面,第一章 緒論,問(wèn)題1：比較重力場(chǎng)（質(zhì)量力只有重力）

37、中，水 和水銀所受的單位質(zhì)量力f水和f水銀的大小？,A. f水<f水銀；,C. f水=f水銀；,B. f水>f水銀；,D.不確定,問(wèn)題2：試問(wèn)自由落體和加速度a向x方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的液體所受的單位質(zhì)量力大小（fX fY fZ）分別為多少？,答案,（0，0，0）；（-a,0,-g),問(wèn)題3： 靜止的流體受到哪幾種力的作用？,答案,重力與壓應(yīng)力，無(wú)法承受剪切力,問(wèn)題4： 理想流體受到哪幾種力的作用？,答案,重力與壓應(yīng)