流體力學(xué)——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(dòng)性、粘性、可壓縮性)內(nèi)容：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的流動(dòng)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(xué)的研究對(duì)象及意義,1.1.1 研究對(duì)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(yīng)力， 亦能承受切向力，可以通過(guò)應(yīng)力、 應(yīng)變

2、關(guān)系來(lái)描述 其變形。 流體：無(wú)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(dòng)； 它只能通過(guò)應(yīng)變 與速度變化率描述。,3,1.1.1 研究對(duì)象,液體——無(wú)形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自 由（液）面。 氣體——既無(wú)形狀，也無(wú)體積，易于壓縮。,水動(dòng)力學(xué)(Hydrodynamics) 空氣動(dòng)力學(xué)(Aerodynamics),2)液體與氣體的區(qū)別：,3)流體力學(xué)的進(jìn)一

3、步分類：,4,1.1 流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義,水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)——?jiǎng)萘骼碚?波浪理論)、粘流理論、 邊界層理論及機(jī)翼理論。,課程體系——靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)（理想流、 粘流）。,4)船舶流體力學(xué)研究?jī)?nèi)容：,力學(xué)意義——流場(chǎng)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(duì)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(xué),,,,,理論研究方法：通過(guò)對(duì)流體物理性質(zhì)和流動(dòng)特征的科學(xué)抽象（近似）

4、抽出合理的理論模型。對(duì)這樣的理論模型，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，建立控制流體運(yùn)動(dòng)的閉合方程組，將原來(lái)的具體流動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，在相應(yīng)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(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果。由于數(shù)學(xué)上的困難，許多實(shí)際問(wèn)題還難以精確求解 ——理論流體力學(xué)。,實(shí)驗(yàn)研究方法：將實(shí)際流動(dòng)問(wèn)題歸結(jié)為相似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鶕?jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)推測(cè)實(shí)際問(wèn)題結(jié)果 ——實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。,數(shù)值研究方法：在計(jì)算機(jī)運(yùn)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(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，獲得定量描述流動(dòng)的數(shù)值解。近二三十年來(lái)這一方法得到很大發(fā)展，已形成專門的學(xué)科 ——計(jì)算流體力學(xué)。,1.1 流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義,5）流體力學(xué)研究方法：,理論方法、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值方法。,江 蘇 科 技大 學(xué),,,,,流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2200年希臘學(xué)者阿基米德的《論浮體》一文開(kāi)始的。他對(duì)靜止流體的性質(zhì)作了第一次科學(xué)總結(jié)。,流體力學(xué)的

6、主要發(fā)展，是從牛頓時(shí)代開(kāi)始的，1687年牛頓的名著《原理》討論了流體的阻力、波浪運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題，使流體力學(xué)開(kāi)始變?yōu)榱W(xué)中的一個(gè)獨(dú)立分支。此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：,1、伯努利所提出的液體運(yùn)動(dòng)的能量估計(jì)及歐拉所提出的液體運(yùn)動(dòng)的解析方法，為研究液體運(yùn)動(dòng)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(xué)的古典“水動(dòng)力學(xué)”（或古典流體力學(xué)）；,2、在古典“水動(dòng)力學(xué)”的基礎(chǔ)上，Navier和stokes提出了著名的實(shí)際粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方

7、程——N-S方程。從而為流體力學(xué)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但是由于古典流體力學(xué)在理論上的假設(shè)，如理想流體與實(shí)際不盡相符，或數(shù)學(xué)上求解方程的困難，不能滿意地解決工程問(wèn)題，故而形成了以實(shí)驗(yàn)方法來(lái)制定經(jīng)驗(yàn)公式的“實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)”；,1.1 流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義,5）流體力學(xué)的發(fā)展史,江 蘇 科 技 大 學(xué),,,,,3、從十九世紀(jì)末起，人們將理論分析方法和實(shí)驗(yàn)分析方法相結(jié)合以解決實(shí)際問(wèn)題，“古典流體力學(xué)” 和“實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)”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(shí)際并重的現(xiàn)代流體力學(xué)；這期間，英國(guó)工程師、物理學(xué)家雷諾闡明了相似原理，流體流動(dòng)有層流和湍流兩種形態(tài)，判別準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)，雷諾方程。英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家瑞利提出了量綱分析求流動(dòng)相似準(zhǔn)則。,4、二十世紀(jì)六十年代以后，由于計(jì)算機(jī)的發(fā)明與普及，出現(xiàn)了在理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上擬定計(jì)算方案，利用計(jì)算機(jī)編程求解數(shù)值解的流體力學(xué)研究方法，即“計(jì)算流體力學(xué)“。現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)如激光測(cè)速儀等的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集等中

9、的應(yīng)用，都促進(jìn)了工程流體力學(xué)的發(fā)展。,1.1 流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義,江 蘇 科 技大 學(xué),,,,,在我國(guó)水利的歷史十分悠久。,四千多年前”大禹治水“的故事——順?biāo)?，治水需引?dǎo)和疏通。,秦朝在公元前256～210年，修建了我國(guó)歷史上的三大水利工程（都江堰、國(guó)渠和靈渠）—— 明渠水流和堰流。,古代的計(jì)時(shí)工具“銅壺滴漏”—— 孔口出流,清朝雍正年間，何夢(mèng)瑤在算迪一書中提出流量等于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。,隋朝完成的南北

10、大運(yùn)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(gè)小拱，既可減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水。,中華人民共和國(guó)成立以來(lái)，根治了淮河工程，黃河的綜合工程，長(zhǎng)江綜合利用、整治工程和幾座大橋相繼建成，長(zhǎng)江三峽工程順利建成。,1.1 流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義,江 蘇 科 技 大 學(xué),,,,,流體力學(xué)已廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。,在水利建設(shè)中：如防洪、灌溉、航運(yùn)、水力發(fā)電、河道整治等；,在航空航天中：如航天飛機(jī)、人造

11、衛(wèi)星等;,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的其他技術(shù)部門中：如機(jī)械工程中的潤(rùn)滑、液壓傳動(dòng)；船舶的行波阻力；市政工程中的通風(fēng)、通水，高層建筑的受風(fēng)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(dòng)；污染物在大氣中的擴(kuò)散等。,1.1 流體力學(xué)及流體力學(xué)課程概述,1.1.3 工程應(yīng)用,江 蘇 科 技 大 學(xué),,1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),實(shí)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(gè)分子不停地做無(wú)規(guī)

12、則的熱運(yùn)動(dòng)，從微觀結(jié)構(gòu)上來(lái)看，在空間和時(shí)間上都是不連續(xù)的，但是流體力學(xué)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(duì)流體的物理實(shí)體加以模型化。,,,,1753年瑞士自然科學(xué)家歐拉首先提出了連續(xù)介質(zhì)模型 為宏觀的流體力學(xué)模型，即假定流體是由無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)所組成，這些流體質(zhì)點(diǎn)緊密接觸,彼此沒(méi)有間隙。,流體質(zhì)點(diǎn),宏觀上足夠小, 以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒(méi)有維度的點(diǎn)；,它的形狀是任意的，因此流體質(zhì)

13、點(diǎn)之間可以緊密接觸，彼此沒(méi)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(jì)學(xué)性質(zhì)；,江 蘇 科 技 大 學(xué),,,,,流體微團(tuán),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(qiáng)、溫度及宏觀運(yùn)動(dòng)速度等表為空間和時(shí)間的連續(xù)可微函數(shù)，便于用數(shù)學(xué)分析工具來(lái)解決問(wèn)題。,！,通常將流體中任意小的一個(gè)微元部分稱作流體微團(tuán)。當(dāng)流體微團(tuán)的體積無(wú)限縮小并以一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為極限時(shí)，流體微團(tuán)就成為位于該坐標(biāo)點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)

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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（ , 1atm）1 空氣中，具有2.7× 個(gè)分子，水具有3.4× 個(gè)分子，氣體分子平均自由行程約為7× cm.,意義：可以應(yīng)用數(shù)學(xué)方法描述流體的連續(xù)流動(dòng)，亦即流體的各種物理量應(yīng)為空間和時(shí)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(xué),,1

15、.３ 流體的物理性質(zhì),,,,一、易流動(dòng)性,靜止流體不能承受切應(yīng)力，在切應(yīng)力作用下流體能產(chǎn)生連續(xù)變形(流動(dòng))。,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(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)相鄰兩層流體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)： 發(fā)現(xiàn)粘俯現(xiàn)象（內(nèi)摩擦力）； 發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦（剪應(yīng)）力和變形速率呈線性,17,1.3.2 粘性(vis

17、cosity),3)粘性系數(shù),——?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)（Pa.s）。 值越大，流體越粘，抵抗變形運(yùn)動(dòng)的能力越強(qiáng)。,——運(yùn)動(dòng)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(wú)粘性流體）。,5)牛頓流體和非牛頓流體,牛頓流體: 剪應(yīng)力和變形速率滿足線性關(guān)系。非牛頓流體：剪切應(yīng)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(xì)現(xiàn)象：氣、液、固三種界面之間的浸潤(rùn)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(yùn)動(dòng)速度相等。 （無(wú)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(chǎng)中：,,單位質(zhì)量質(zhì)量力：,質(zhì)量力的合力：,,,,透過(guò)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(guò)接觸傳遞的力，用應(yīng)力來(lái)表示。,24,,1.5.3 理想流體中一點(diǎn)處的應(yīng)力—— Pascal’s law,,理想（靜止）流體中沒(méi)

21、有切應(yīng)力 ，只承受壓力 ，不能承受拉力。表面力只有法向壓應(yīng)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(shí)間的函數(shù)，與作用面的方位無(wú)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