流體力學FluidMechanics,閆小麗,閆小麗,辦公室：9121電話：13991124536E-mail：yxl9212,課程內(nèi)容,緒論流體靜力學流體動力學管中流動,課程考核,期末筆試70%平時成績30%考勤60%+作業(yè)實驗報告40%,第一章緒論,研究對象：流體（fluid）液體氣體特性：流動（flow）性遵循牛頓力學定律、質量守恒和能量守恒定律,魚嘴,寶瓶口,飛沙堰,保證航運罐蓋用水內(nèi)江60%防洪減災雨季內(nèi)江40%,內(nèi)江,外江,寶瓶口實現(xiàn)二次分洪,表層水流流向凹地,底層水流流向凸地（含有沙石）,內(nèi)江中含有的沙石沖向崖壁，產(chǎn)生旋流，從飛沙堰排出；速度越大，排出越干凈。,“給我一個支點，我能撬動整個地球?！?研究流體力學的意義,第一章緒論,流體質點與連續(xù)介質概念流體的密度、比體積和相對密度流體的壓縮性和膨脹性流體的粘性,第二節(jié)流體質點與連續(xù)介質概念,自然界的物質：固體流體液體氣體,由大量分子組成分子不斷作隨機熱運動分子與分子之間存在分子力的作用,共性,同體積內(nèi)分子數(shù)目同分子距上分子力,固體有一定的體積和一定的形狀液體有一定的體積而無一定的形狀氣體既無一定的體積也無一定的形狀,宏觀差異,一、連續(xù)介質模型,二、流體質點的概念,流體分子之間不連續(xù)、有間隙,連續(xù)介質模型,流體質點,宏觀尺寸非常小微觀尺寸足夠大足夠多的分子在內(nèi)的一個物理實體流體質點的形狀可以任意劃分,流體具有質量密度、溫度、壓強、流速、動量、動能等,質點之間沒有空隙,連續(xù)介質,連續(xù)介質模型流體由流體質點組成，流體質點連續(xù)的、無間隙的分布于整個流場。在連續(xù)介質中，流體質點的一切物理量必然都是坐標與時間變量的單值、連續(xù)、可微的函數(shù)。形成各種流場（標量和矢量）連續(xù)函數(shù)等數(shù)學工具,第三節(jié)流體的密度、比體積和相對密度,空間上質量分布均勻,非均質流體,均質流體,相對密度物體質量與同樣體積4蒸餾水質量之比，無量綱。,1000kg/m3,0.001m3/kg,第四節(jié)流體的壓縮性和膨脹性,流體內(nèi)部分子間存在間隙,溫度壓強,相對密度密度比體積,變化,一、氣體壓縮性和膨脹性的表示方法,二、流體壓縮性和膨脹性的系數(shù)表示方法,1.流體的體（膨）脹系數(shù),當壓強不變時，每增加單位溫度所產(chǎn)生的流體體積相對變化率,氣體的體膨脹系數(shù),氣體的體膨脹系數(shù)與氣體溫度成反比；溫度越低，氣體體膨脹系數(shù)越大。液體的體膨脹系數(shù)較小，但溶有少量氣體時，稍大。在液壓封閉系統(tǒng)中，溫差較大時，要注意防止漏油和管道破裂。,2.流體的（體積）壓縮率,T,T,V,P,P+P,氣體,壓強越高，氣體的等溫壓縮率越小，壓縮越困難。,3.流體的（體積）模量（K）,溫度不變時，每產(chǎn)生一個單位體積相對變化率所需要的壓強變化量。K值越大，表示流體越不容易壓縮。,工程上常用K表示壓縮性。,隨T、P變化在一定壓強、溫度下應按微分變化量計算液體的變化量小，根據(jù)其溫度、壓強的變化范圍，常選取平均值。,微分變化量有限增量,三、不可壓縮流體的概念,流體受壓體積不減小流體受熱體積不膨脹密度、比體積、相對密度均為常數(shù)通常條件下，液體近似可以看成不可壓縮流體當水擊現(xiàn)象、液壓沖擊、水中爆炸波傳播時就必須按照可壓縮流體對待,在容積為1.77m3的氣瓶中，原來存在有一定量的CO，其絕對壓強為1.034bar，溫度為21，后來又用氣泵輸入1.36kgCO，測得輸入后的溫度為24，試求輸入后的絕對壓強是多少？,例題,解：設原質量為m1,輸入的質量為m，輸入后的質量為m2,第五節(jié)流體的粘性,牛頓內(nèi)磨檫定律,很小時速度分布近似直線規(guī)律,牛頓流體和非牛頓流體,凡符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體，例如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯等。凡不遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體，例如泥漿、有機膠體、油漆、污水等。非牛頓流體有三種類型塑性流體、假塑性流體和脹塑性流體,克服初始應力后，與速度梯度成正比,當速度梯度較小時，對速度梯度的變化率較大；當速度梯度較大時的變化率逐漸變小。,變化趨勢和假塑性流體相反,化工、食品、輕工等的流體大都是非牛頓流體。機械工業(yè)大都是牛頓流體,2、流體的粘度（動力粘度、運動粘度）,代表單位速度梯度下的切應力，Pa.s同一速度梯度下，不同則代表流體的粘性不同?？梢灾苯优袛嗔黧w粘性的大小。,運動粘度,動力粘度是單位速度梯度下的切應力，可直接判斷流體粘性的大小；運動粘度是動力粘度與流體密度的比值，不能直接判斷粘性大小，只適合于判別密度幾乎恒定的同一種流體在不同溫度下的粘性變化情況。,粘度的測量,兩種方法：直接測量法：根據(jù)粘性流動理論中的某一基本公式，測量該公式中除粘度外的所有參數(shù)，從而直接求出粘度。轉筒式、毛細管式、落球式粘度計等，測試手段較復雜。間接測量法：首先利用儀器測定經(jīng)過某一標準孔口流出一定量的流體所需要的時間，然后再利用儀器所特有的經(jīng)驗公式間接地計算出流體的粘度。,T1待測流體在t下流出200cm3所需時間。T220t的蒸餾水流出200cm3所需時間。51s,粘度的變化規(guī)律(T、P),由于分子結構及分子運動機理不同，液體和氣體的粘度變化規(guī)律是截然不同的。液體的粘度大小取決于分子間距和分子引力，當溫度升高或壓強降低時，液體膨脹、分子間距增大、分子引力減小，粘度降低。液體粘度受溫度影響非常顯著，溫度稍有升高，則各種液體的動力粘度和運動粘度均有明顯下降。,氣體分子間距比較大而且分子運動比較劇烈，影響氣體粘度大小的主要因素是分子熱運動所產(chǎn)生的動量交換。按照分子運動論，氣體動力粘度的統(tǒng)計平均值為：,氣體的粘度變化規(guī)律,與溫度成反比，與壓強成正比；v分子運動平均速度，與溫度成正比，與壓強成反比；l分子平均自由程，與溫度成正比，與壓強成反比；,溫度升高或壓強減小時，氣體的動力粘度和運動粘度增大,三、理想流體,不存在粘性,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。,實際流體的粘性顯現(xiàn)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（邊界層以外的流動區(qū)域）,可以大大簡化理論分析過程,四、應用舉例,利用牛頓內(nèi)摩擦定律計算流體的粘性摩擦力，一般需要知道液流的速度分布規(guī)律；對于工程中常見的縫隙流動，只要縫隙尺寸較小，都近似看成直線運動。同心環(huán)形縫隙中的直線運動同心環(huán)形縫隙中的回轉運動圓盤縫隙中的回轉運動,1、同心環(huán)形縫隙中的直線運動,柱塞在缸筒中的勻速運動,直徑為d，長度為l的柱塞在缸筒中以勻速v0作直線運動，由于粘性，帶動同心環(huán)形縫隙中的黏度的液體也作直線運動。<<d縫隙中液流速度直線關系,速度梯度切應力摩擦面積,流體對柱塞的摩擦力,柱塞克服摩擦所需要的功率,2、同心環(huán)形縫隙中的回轉運動,直徑為d在與其接觸長度為l的軸承內(nèi)以轉速n或角速度作回轉運動。由于粘性，帶動同心環(huán)形縫隙中的黏度的液體也作回轉運動。<<d縫隙中液流速度直線關系,速度梯度切應力摩擦面積作用在軸表面的摩擦力作用在軸表面的摩擦力矩克服摩擦所需的功率,3、圓盤縫隙中的回轉運動,上圓盤的圓周速度與半徑相關,上圓盤不同半徑處的液流圓周速度不同液流沿著縫隙高度方向逐漸減小直至為零設任意點B的半徑為r,上盤下表面處的切應力為,在B點鄰域取寬度為dr的圓環(huán)形的微元表面，則,微元摩擦面積液體對微元表面的摩擦力液體對微元表面的摩擦力矩液體對上盤的總摩擦力矩上盤克服摩擦所需要的功率,在=40mm的兩平行壁面之間充滿動力粘度為0.7Pa.s的液體，在液體中有一邊長為60mm的薄板以15m/s的速度沿薄板所在平面內(nèi)運動，假定沿鉛直方向的速度分布是直線規(guī)律。（1）當h=10mm時，求薄板運動的液體阻力。（2）如果h可變，求h為多大時，薄板運動阻力最??？最小阻力為多大？,例題,解：運動平板兩側受力、大小不等，但方向相同。忽略平板厚度，則另一側液體厚度為-h,（2）當h可變時,當=0，一側變成干摩擦，阻力最大。當h=/2，阻力極小,如圖所示，轉軸直徑d=0.36m，軸承長度為1m，=0.2mm，其中充滿動力粘度為0.72Pas的油，如果軸的轉速為200r/min，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。,例題,選擇題,在常溫下水的密度為。（A）10（B）100（C）998.2（D）1000在標準大氣壓下20時空氣的密度為。（A）1.2（B）12（C）120（D）1200溫度升高時，水的粘性。（A）變?。˙）變大（C）不變（D）不能確定溫度升高時，空氣的粘性。（A）變?。˙）變大（C）不變（D）不能確定動力粘滯系數(shù)與運動粘滯系數(shù)的關系為。（A）（B）（C）（D）,運動粘滯系數(shù)的單位是。（A）（B）（C）（D）流體的粘性與流體的無關。（A）分子內(nèi)聚力（B）分子動量變化（C）溫度（D）速度梯度流體體積壓縮系數(shù)是在條件下單位壓強引起的體積變化率。（A）等壓（B）等溫（C）等密度（D）體積不變是非牛頓流體。（A）空氣（B）水（C）汽油（D）瀝青靜止流體切應力。（A）可以承受（B）能承受很小的（C）不能承受（D）具有粘性時可以承受,理想流體的特征是。（A）不可壓縮（B）粘滯系數(shù)為常數(shù)（C）無粘性（D）符合牛頓內(nèi)摩擦定律不可壓縮流體的特征是。（A）溫度不變（B）密度不變（C）壓強不變（D）體積不變連續(xù)介質的概念，流體質點是指。（A）流體的分子（B）流體內(nèi)的固體顆粒（C）集合尺寸同流動空間相比是極小量，又含有大量分子的微元體（D）幾何的點,ThankYou!,Theendofchapterone!,