工程流體力學01

1、工程流體力學（緒論）,油氣儲運教研室：邊娟,2,① 公共郵箱：yqcygcltlx@sohu.com 密碼：yqcy1234。分享教學資料②郵箱：bjdyxzh@126.com。③電話：18319756702 （6702）。,聯系方式：,關于本課程的幾點說明,教材：《工程流體力學》 楊樹人等 石油工業(yè)出版社,1.,課時：總共14×3,2.,關于本課程的幾點說明,學習基礎：高等數學 線性代數 理論

2、力學 材料力學 以及部分的矢量分析,1.,關于本課程的幾點說明,第一章 緒論部分,1. 認識流體與流體力學,2. 流體力學的發(fā)展歷史,3. 流體力學在油氣儲運中的應用,4. 如何學好流體力學,第一章 緒論部分,1. 認識流體與流體力學,一、流體的定義、特征,1、定義：能夠流動的物質為流體，包括氣體和液體。力學定義，則在任何微小切力的作用下都能發(fā)生連續(xù)變形的物質稱為流體。,2、特征：流動性、壓縮、膨脹

3、性、粘性,第一章 緒論部分,1. 認識流體與流體力學,剛體彈性體塑性體流體,無任何變形變形力與作用力大小成正比作用消失后只能部分恢復形狀無論作用多少力，其變形都將持續(xù)下去，直至剪切力消失剪切力,,剪切力,第一章 緒論部分,1. 認識流體與流體力學,對“海底人”怎么看？,第一章 緒論部分,生命存活于海洋已經40億年了。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,人類在空氣中已經生

4、活了700萬年了。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,雖然生活在流體環(huán)境中，人們對于一些“司空見慣”的問題未必能道出隱藏其背后的“流體力學”的深意，例如：,1.高爾夫球的表面為什么是粗糙的？,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,高爾夫球的外表面為什么采用粗糙的，而不是光滑的？,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。,1. 認識流體與流體力學,

5、第一章 緒論部分,起初，人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此當時用皮革制球。,最早的高爾夫球（皮革已龜裂）,后來發(fā)現表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論后才解開。,光滑的球,表面有凹坑的球,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,現在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。,1. 認識流體與

6、流體力學,第一章 緒論部分,,,,,,馬車型,箱 型,流線型（甲殼蟲型）,船 型,魚 型,楔 型,汽車外形的演變與“流體力學”的發(fā)展有關嗎？,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,汽車阻力 汽車發(fā)明于19世紀末。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,當時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論,因此早期的汽車后部是陡峭的，

7、稱為箱型車，阻力系數CD很大，約0.8。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論,空氣阻力系數：又稱風阻系數，是計算汽車空氣阻力的一個重要系數。它是通過風洞實驗和下滑實驗所確定的一個數學參數，用它可以計算出汽車在行駛時的空氣阻力?？諝庾枇κ瞧囆旭倳r所遇到最大的也是最重要的外力。風洞就是用來產生人造氣流(人造風)的管道。,1. 認識流體與流體力學,風阻系數＝正面風阻力×2÷(空氣密度

8、5;迎風面積×車速平方),第一章 緒論部分,實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理，改進了汽車的尾部形狀，出現了甲殼蟲型，阻力系數下降至0.6。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,50～60年代又改進為船型，阻力系數為0.45。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,80年代經風

9、洞實驗系統研究后，進一步改進為魚型，阻力系數為0.3。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,后來又出現楔型，阻力系數為0.2。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數僅為0.137。,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,經過近80年的研究和改進，汽車阻力系數從0.8降至0.137，減少到原來的1/5。,1. 認識

10、流體與流體力學,第一章 緒論部分,1. 認識流體與流體力學,流體力學 Fluid Mechanics ：宏觀力學的一個分支，研究流體在外力作用下的宏觀運動規(guī)律以及流體和與之接觸的物體之間相互作用。,研究對象：流體(Fluid)。包括液體和氣體。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。與固體的區(qū)別：在于它們對外力抵抗的能力不同，固體既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變

11、形；流體只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。,第一章 緒論部分,1. 認識流體與流體力學,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,早在公元前，人類研究流體運動已經取得了不少的成就，如:,公元前2280年大禹治水,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,早在公元前，人類研究流體運動已經取得了不少的成就，如:,公元前3世紀，中國四川都江堰水利工程,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷

12、史,早在公元前，人類研究流體運動已經取得了不少的成就，如:,公元前4世紀，古羅馬供水系統,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,早在公元前，人類研究流體運動已經取得了不少的成就，如:,公元前3世紀，阿基米德浮力定律,,Archimedes(C. 287-212 BC)建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內的液體平衡理論，編寫了流體力學第一部著作——“論浮體”，奠定了流體靜力學的基礎。,第一章 緒論部分,2. 流

13、體力學的發(fā)展歷史,17世紀,帕斯卡 靜止流體中流體的概念,,帕斯卡（Blaise Pascal ，1623－1662）1650年，帕斯卡提出了靜止流體中壓力的概念。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,17世紀,牛頓 內摩擦定律,,Newton(1642-1727) 1686年牛頓（Newton,I.）發(fā)表了名著《自然哲學的數學原理》對普通流體的黏性性狀作了描述，即現代表達為黏性切應力與速度梯度成正比—牛

14、頓內摩擦定律。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,18世紀～19世紀，流體力學得到了較大的發(fā)展，成為獨立的一門學科。,伯努利 伯努利方程,,伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學家。 古典流體力學的奠基人是瑞士數學家他和他的親密朋友歐拉(Euler，L.)。 在1738年出版的名著《流體動力學》中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學

15、者的工作奠定了流體靜力學的基礎，促進了流體動力學的發(fā)展。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,18世紀～19世紀，流體力學得到了較大的發(fā)展，成為獨立的一門學科。,歐拉 連續(xù)介質模型 歐拉方程,,歐 拉（L.Euler，1707－1783） 1755年發(fā)表《流體運動的一般原理》，提出了流體的連續(xù)介質模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。他提出了

16、研究流體運動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應當滿足的運動條件和方程。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,18世紀～19世紀，流體力學得到了較大的發(fā)展，成為獨立的一門學科。,達朗貝爾 達朗貝爾佯謬,,達朗貝爾（J.le R.d‘Alembert,1717－1783） 1744年提出了達朗貝爾疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理想流體中運動的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了理想流體假定的局限性。,第一

17、章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,18世紀～19世紀，流體力學得到了較大的發(fā)展，成為獨立的一門學科。,拉格朗日,,拉格朗日J. –L. Lagrange (1736-1813)提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數的概念，為應用復變函數去解析流體定常的和非定常的平面無旋運動開辟了道路。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,18世紀～

18、19世紀，流體力學得到了較大的發(fā)展，成為獨立的一門學科。,納維 斯托克斯 N-S方程,,納維（L.Navier，1785－1836，法國）,斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國））,納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴格地導出了這些方程，并把流體質點的運動分解為平動、轉動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統稱

19、該方程為納維-斯托克斯方程。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,19世紀末開始，理論分析和實驗研究逐漸密切結合起來。,雷 諾 流態(tài) 雷諾數,雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準則數──雷諾數，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數，為流動阻力的研究奠定了基礎。,第一章 緒論部分,2.

20、流體力學的發(fā)展歷史,現代意義上的流體力學形成于20世紀初，以邊界層理論為標志,普朗特 邊界層理論,普朗特（L.Prandtl，1875－1953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產生的機制。以后又針對航空技術和其他工程技術中出現的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,20世紀，航空航天事

21、業(yè)方面取得了迅猛的發(fā)展。,儒科夫斯基 建立了二維升力理論的數學基礎等,儒科夫斯基 H. E. (1847-1921)從1906年起，發(fā)表了《論依附渦流》等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關系，建立了二維升力理論的數學基礎。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動力學的理論和實驗研究都有重要貢獻，為近代高效能飛機設計奠定了基礎。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史

22、,我國,周培源,周培源 （1902－1993) 主要從事物理學的基礎理論中難度最大的兩個方面，即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學中的湍流理論的研究與教學并取得出色成果 。,第一章 緒論部分,2. 流體力學的發(fā)展歷史,我國,錢學森,錢學森（1911－2009）在動力、制導、氣動力、結構、材料、計算機、質量控制和科技管理等領域具有豐富知識，為中國火箭導彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻。,第一章 緒論部分,3.

23、 流體力學在石油儲運中的應用,地面集輸管網的工藝計算，以及設備的選型、運行參數的確定等,第一章 緒論部分,3. 流體力學在石油儲運中的應用,原油、天然氣以及成品油長輸管網和城市燃氣管網設計和運行的工藝計算，管道的管徑、壁厚的確定，泵或者壓縮機的選型和安裝位置的確定等,第一章 緒論部分,3. 流體力學在石油儲運中的應用,油罐強度的校核、罐區(qū)管線的設計計算等等,第一章 緒論部分,3. 流體力學在石油儲運中的應用,油

24、品的裝卸時間的確定,第一章 緒論部分,3. 流體力學在石油儲運中的應用,油品、天然氣的計量,第一章 緒論部分,3. 流體力學在石油儲運中的應用,煉廠工藝設計中配管的工藝計算；油品的煉制過程中，油品在設備間輸轉的工藝參數的確定等,第一章 緒論部分,4. 如何學習“流體力學”,1.掌握從一般到特殊的學習方法從物體機械運動普遍規(guī)律出發(fā)，掌握一般形式的基本方程組，再根據具體條件分析具體問題，派生方程只是基本方程在不同條

25、件下的簡化應用。2.在掌握“三基”上下功夫掌握基本原理、基本概念、基本方法，反復訓練，深刻理解。,第一章 緒論部分,4. 如何學習“流體力學”,3.認真聽課，適當記筆記對自己認為的重點、難點認真聽老師的講解和處理方法，對典型的課堂例題，應記錄分析問題的思路、解題步驟。4.作好預習，有準備地聽課對較難章節(jié)，一定要預習，看不懂的地方重點聽老師講解，要把70％的精力放在看書上，重要的是理解，不要死記硬背。,第一章

26、緒論部分,4. 如何學習“流體力學”,5.解題規(guī)范化，加強基本功訓練作業(yè)最好抄題，便于復習時參考。根據不同的題型，認真歸納，明確其中知識點，掌握解題思路和方法步驟，達到解題觸類旁通，舉一反三的目的。最重要的是自己做，杜絕抄襲！6.重視實驗，親手去做對教學大綱中規(guī)定的實驗都親自認真去做，加強對所學知識的理解、應用和升華。培養(yǎng)獨立的動手能力，也為將來進行科學實驗研究奠定基礎。,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連

27、續(xù)介質假設,2. 密度,3. 壓縮性和膨脹性,4. 粘性,5. 表面張力,6. 作用在流體上的力,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

28、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,從微觀角度分析：,流體,,分子,從單個分子運動出發(fā)開始研究,,大量分子不停地做無規(guī)則的熱運動，并且頻繁碰撞，則相應的

29、物理量隨著時間做隨機的變化；,由于分子間存在空隙，物理量的空間分布是不連續(xù)的。,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,流體力學所研究的并不是流體個別分子的熱運動，而是研究由大量分子組成的流體在外力作用下而引起的宏觀運動規(guī)律。,,,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

30、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,若將研究對象擴大到含有大量分子的流體團。只要分子數足夠多，統計平均值在時間上是確定的，如分子速度 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

31、,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,臨界體積 具有的特點是： 宏觀上足夠?。?微觀上足夠大，包含的分子數足夠多，使得物理量統計平均值在時間上是確定的。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

32、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,若將臨界體積 所包含的流體微團作為流體的最小基本單元，有兩個缺點： 雖然很小 ，其仍然有線尺度，不能與數學上的點的概念統一； 在流體流動過程中，微團將變形，不再符合點的概念。

33、,,若將臨界體積 所包含的流體微團模型化，引出“流體質點”的概念。,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,“流體質點”： 流體質點無線尺度，流體質點不作隨機運動 ， 只在外力作用下作宏觀運動。,,,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

34、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,連續(xù)介質假設： 1753年歐拉（Euler）首先采用連續(xù)介質作為流體宏觀運動的模型，即不考慮流體分子的存在，把真實的流體看成是由無限多流體質點組成的稠密而無間隙的連續(xù)介質。,在流體質點概念和連續(xù)介質假設的基礎上： 每個流體質點都具有確定的宏觀物理量， ； 根據物理學基本定律，可

35、建立該物理量滿足的流體運動微分方程； 數學求解，可獲得該物理量隨空間位置和時間連續(xù)變化的規(guī)律。,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,對某一種實際流動能否按連續(xù)介質假設下的理論來研究，有一個簡單的判斷式： 其中，d是就是前面所定義的極限體積的特征尺寸，如 ； 則 ； 是所研究的流體分子運動的平均自由程，在標準狀態(tài)下

36、，氣體的 約為10-7cm，液體的 約為10-8cm；,,0 ?C，標準壓力下，10-9cm3水含3.4×1013個分子氣體含2.7×1010個分子,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,L則為所研究流體中，宏觀物理量將發(fā)生顯著變化的特征長度，例如，所研究的是管道中的流動，則特征長度可取管道直徑或長度，如果研究的是流體繞過物體的流動，則可取物體的長度、寬度或高度作為特征長度。

37、 不適用的情況，高空稀薄氣體中航天器的運行問題；血液在微細血管（直徑<10-3cm）的運動等,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,為了描述流體微團的旋轉和變形引入流體質元（流體元）模型： 流體元為由大量流體質點構成的微小單元， ； 由流體質點的相對運動形成流體元的旋轉和變形。,δz,δy,δx,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,流體

38、微團大量流體質點組成具有線性尺度效應微小流體團,流體質點微觀充分大，宏觀充分小不具有線性尺度效應分子團,流體質點,流體微團,流體,,,變形、旋轉等,第一章 流體及其主要物理性質部分,1. 連續(xù)介質假設,1.按連續(xù)介質的概念,液體質點是指____A.液體的分子 B.液體內的固體顆粒 C.幾何的點 D.一塊體積為無窮小的微量流體，包含有眾多分子，反映大量分子運動的統計平均值。,2.什么是連續(xù)介質假

39、設？流體質點是一塊體積為無窮小的微量流體，包含有眾多分子，反映大量分子運動的統計平均值。將流體視為由無數連續(xù)分布的流體質點所組成的連續(xù)介質。,第一章 流體及其主要物理性質部分,2. 密度,2.1 單位體積流體所具有的質量稱為密度，以ρ表示，單位為 kg/m3 。表征流體的質量在空間的密集程度。,,第一章 流體及其主要物理性質部分,2. 密度,,密度是空間坐標和時間的函數，,第一章 流體及其主要物理性質部分,2. 密度,

40、2.2 流體的比容：單位質量的流體所占有的體積，用 表示，即：,2.3 液體的相對密度：指其密度與標準大氣壓下與4℃時液態(tài)水密度的比值。,這是一個定值，,2.4 氣體的相對密度：指氣體密度與特定溫度和壓力下空氣的密度（或氫氣）密度的比值，沒有統一的規(guī)定。,第一章 流體及其主要物理性質部分,2. 密度,2.5 流體的重度：流體單位體積內所具有的重量稱為重度，或稱為容重、重率，以 表示，單位為

41、 。,第一章 流體及其主要物理性質部分,3. 壓縮性與膨脹性,,3.1 流體的壓縮性：指在溫度T不變的條件下，流體的體積會隨壓力的變化而變化的性質。,問題：如何表示流體的可壓縮性大?。?壓縮系數：在給定溫度條件下，單位壓強所引起流體體積的變化率。,問題：1）為什么上式右邊要增加一負號？,第一章 流體及其主要物理性質部分,3. 壓縮性與膨脹性,,流體被壓縮時，其質量并不改變，根據

42、 ，微分得：,根據密度是否變化，將流體分為：,,說明：（1） 通常液體的壓縮性很小，一般視為不可壓縮流體。但當壓強變化很大時，如水擊、水中爆炸等，則必須考慮壓縮性。（2） 氣體的壓縮性較大，一般將氣體視為可壓縮流體。但在流速比較低時，可按不可壓縮流體處理。,第一章 流體及其主要物理性質部分,3. 壓縮性與膨脹性,體積彈性系數(模量)：流體壓縮系數的倒數被稱作該種流體的彈性系數。,問題：1） 越大，表示越容易被壓縮

43、還是越不容易被壓縮？ 2） E越大，表示越容易被壓縮還是越不容易被壓縮？,第一章 流體及其主要物理性質部分,3. 壓縮性與膨脹性,,3.2 流體的膨脹性：在壓力不變的條件下，流體的體積會隨著溫度的變化而變化的性質稱為膨脹性。,問題：如何表示流體的膨脹性大?。?體積膨脹系數：在一定壓強P下，單位溫升引起的體積變化率，單位（K-1）。,膨脹性： 液體的膨脹系數較小，工程上一般不考慮液體的膨脹性； 氣體的膨脹系數較大，一

44、般應考慮。,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,,如果流體質點沿著軸向運動，我們可以把管中流體流動看作是許多無限薄的圓形流體層的運動。 流體層與層之間有相對運動，快層對慢層有一個托動力，同時慢層對快層也有一個阻力，托動力和阻力構成一對作用力和反作用力，這就是粘性的表現。粘性：流體所具有的阻礙流體流動，即阻礙流體質點間相對運動的性質稱為粘滯性，簡稱粘性。這對大小相等方向相反的力稱為內摩擦力或粘滯力。,第一章 流體

45、及其主要物理性質部分,4. 粘性,4.2 粘性產生的原因： 流體內摩擦力實質上是流體微觀分子作用的宏觀表現。分析其產生的物理原因，需要從分子微觀運動來說明。 對于液體：由于分子間距小，在低速流動時，不規(guī)則運動較弱，因此，粘性力的產生主要取決于分子間的引力。 對于氣體：由于分子間距大，吸引力很小，不規(guī)則運動強烈，因此，其粘性力產生的原因主要取決于分子不規(guī)則運動的動量交換。,第一章 流體及其

46、主要物理性質部分,4. 粘性,氣體分子的隨機運動范圍大，流層之間的分子交換頻繁。,當兩層液體作相對運動時，緊靠的兩層液體分子的平均距離加大，產生吸引力，這就是分子內聚力。,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,在自然界中，一切流體都具有一定的粘性，粘性是流體本身固有的物理特性，是一個重要的物理性質，它對流體運動影響很大。粘性是流體中發(fā)生機械損失的根源。,4.3 牛頓內摩擦定律 1686年牛頓提出牛頓內摩擦定律。,實驗方

47、法 設有兩個足夠大，相距y很小的平行平板。中間充滿一般的均質流體，下板固定，上板在切向力T 作用下作勻速直線運動，速度為u0。平板面積A足夠大，以至于可忽略平板邊緣的影響。,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,實驗表明：運動平板所受到的阻力與其運行速度、面積成正比，與兩平板的間距成反比，即,粘性系數或動力粘性系數,內摩擦力或者粘性剪切力,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,,,推廣,注意：是指流體質點間

48、沒有相對運動，即流體處于靜止或相對靜止狀態(tài)時，不存在內摩擦力，粘性表現不出來，但不能說流體沒有粘性。,,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,4.4 粘性系數（粘度） 動力粘度（粘度）的數值等于速度梯度引起的粘性切應力的大小。,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,在流體力學中，還常用動力粘度和流體密度的比值來度量流體的粘度，稱為運動粘度，以符號 表示。,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘

49、性,通常情況下形成流體粘性的因素有兩個方面：一是流體分子間的引力在流體微團相對運動時形成的粘性；二是流體分子的熱運動在不同流速流層間的動量交換所形成的粘性。,,,當溫度升高時：氣體的粘性增大，液體的粘性減小。,對于氣體，形成粘性的主要因素是分子的熱運動,對于液體，形成粘性的主要因素是分子間的引力,4.5 溫度對粘度的影響,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,4.5 溫度對粘度的影響,第一章 流體及其主要物理性質部

50、分,4. 粘性,理想流體是假想的流體模型，客觀上并不存在。實際流體都是有粘性的。,可以把實際流體看成理想流體的情況：實際流體的粘性顯現不出來，如靜止的流體、等速直線運動的流體等粘性不起主導作用,采用理想流體假設可以大大簡化理論分析過程。,4.6 理想流體：假設沒有粘性的流體，即μ=0。,第一章 流體及其主要物理性質部分,4. 粘性,牛頓流體,切向應力和流體的速度梯度成正比的流體，即滿足牛頓粘性應力公式的流體。,非牛頓流體,不

51、滿足牛頓粘性應力公式的流體。其一般表示式為：,式中，??為流體的表觀粘度，k為常數，n為指數。,A：牛頓流體，如水和空氣B：理想塑性體，存在屈服應力τ。如牙膏C：擬塑性體，如粘土漿和紙漿D：脹流型流體，如面糊,,4.7 牛頓流體和非牛頓流體,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,,,,表面張力液體表面總是取收縮趨勢，這種趨勢表明液體表面各部分之間存在相互作用的拉力，使其表面總是處于緊張狀態(tài)。液體表面單位長度上的這

52、種拉力就稱為表面張力，以σ表示，單位N/m,液體分子間存在吸引力，影響距離很小，在10-8-10-6cm，形成吸引力影響球。 水面下的影響球的吸引力達到平衡。在水面臨近，吸引力不能平衡，存在向下的合力。此合力把水面緊緊向內部拉。在自由表面上處處產生拉力。,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,毛細現象在表面張力作用下，管中液體將上升或下降一個高度，稱為毛細管現象。液體與固體接觸時，存在兩種力：①內聚力：液體分子之間

53、的吸引力；②附著力：液體與固體分子間的吸引力出現兩種情形：①潤濕：內聚力附著力，液體相聚成團，不依附壁面。例如：水銀在細玻璃管中液面下降。`,表面張力在一般情況下可以忽略，而在毛細現象中不可忽略。,,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,潤濕性壁面,非潤濕性壁面,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,毛細現象液體在細管中上升或下降的高度與表面張力有關。密度為ρ的液體在潤濕管壁的表面張力作用下，沿直

54、徑為d的細管上升，到h高度后停止，達到平衡狀態(tài)，即表面張力向上分力的合力與升高液柱的重量相等，設液面與固體壁面的接觸角(液體表面的切面與固壁表面的夾角)為Θ，則：`,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,1.下列敘述中_____是正確的。A.靜止液體的動力粘度為0B.靜止液體的運動粘度為0C.靜止液體的受到的切應力為0D.靜止液體的受到的壓應力為02.流體的相對密度是某種流體的密度與____的比值。A.標準大

55、氣壓下0℃水的密度B.工程大氣壓下0℃水的密度C.標準大氣壓下4℃水的密度D.工程大氣壓下4℃水的密度,C,C,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,3.在通常情況下，流體的粘性大小與流體的___有關。A.流速 B.流動表面狀況 C.壓強 D.溫度4.流體的膨脹系數與流體的____有關。A.溫度 B.壓強 C.壓強和溫度 D.數量5.在相對流靜止流體中不存在____。

56、A.慣性力 B.切應力 C.表面張力 D.重力6.與牛頓內摩擦定律直接有關的因素是____A.切應力和壓強 B.切應力和剪切變形速度C.切應力和剪切變形 D.切應力和流速。,D,C,B,B,第一章 流體及其主要物理性質部分,5. 表面張力,7.水的動力粘度隨溫度的升高___A.增大 B.減小 C.不變 D.不定8.流體運動粘度ν的國際單位是____A.m2/s

57、B.N/m2 C.kg/m D.N.s/m2,B,A,第一章 流體及其主要物理性質部分,6. 作用在流體上的力,1、流體每一質點無論處于運動或平衡狀態(tài)，都受到各種力。,2、按作用方式分類：質量力和表面力兩類。,第一章 流體及其主要物理性質部分,6. 作用在流體上的力,質量力 定義作用在流體內部每一個質點上，大小與流體質量成正比，并且集中作用在質量中心上的力稱為質量力。

58、 重力 質量力 直線慣性力 曲線（離心）慣性力,,質量力：是某種力場對流體質點的作用力，它不需要與流體直接接觸。所以電場力、電磁力等也是質量力。,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,6. 作用在流體上的力,質量力單位質量流體所受到的質量力用f 表示，即：,

59、思考：質量力只受重力的情況，則可表示為？,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,6. 作用在流體上的力,表面力 定義作用于所研究流體的表面上，并與作用面的面積成正比。單位面積上的表面力 可表示為：,,,,,,,,第一章 流體及其主要物理性質部分,1、流體力學的任務是研究流體的平衡與宏觀機械運動規(guī)律。,2、引入流體質點和流體的連續(xù)介質模型假設，把流體看成沒有間隙的連續(xù)介質，則流體的一切物理量都可看作時空的連續(xù)函

60、數，可采用連續(xù)函數理論作為分析工具。,3、流體的壓縮性，一般可用體積壓縮系數 和體積模量 E來描述。在壓強變化不大時，液體可視為不可壓縮流體。,4、粘性是流體最重要的物理性質。它是流體運動時產生內摩擦力，抵抗剪切變形的一種性質。不同流體粘性的大小用動力粘度 ? 或運動粘度 ? 來反映。溫度是影響粘度的主要因素，隨著溫度升高，液體的粘度下降。理想流體是忽略粘性的假想流體。,應重點理解和掌握的主要概念有：流體質點、流體的連續(xù)介質模