流體的力學(xué)性質(zhì)

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,工程流體力學(xué),課程基本情況,學(xué)時(shí)學(xué)分：,32,學(xué)時(shí)，,2,學(xué)分,課程性質(zhì)：,專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,先修課程：,高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué),課程教材：,工程流體力學(xué),(,第,2,版,),黃衛(wèi)星等編，化學(xué)工業(yè)出版社,.,參考書(shū)：,普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ), H.,Oertel,著，朱自強(qiáng)等譯，科學(xué)出版社，,2011.,流體力學(xué)及其工程應(yīng)用,，,E.J.Finnemore,著，錢(qián)翼稷,(,jì,),等譯，,機(jī)械工業(yè)出版社，,2009.,粘性流體動(dòng)力學(xué),，陳矛章編，高等教育出版社，,2002,化工流體力學(xué),，戴干策 陳敏恒編，化學(xué)工業(yè)出版社，,2005,馮,·,卡門(mén)傳,，馮,·,卡門(mén)著，曹開(kāi)誠(chéng)譯，,上?？茖W(xué)技術(shù)出版社。,流體力學(xué),課程,的主要任務(wù)：,研究流體與物體之間的相互作用以及流體在靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的基本規(guī)律。,“,工程,”“,流體力學(xué),”,課程的特點(diǎn),:,1.,專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課由,基礎(chǔ),向,專(zhuān)業(yè),過(guò)渡的一門(mén)課程；,2.,是工科學(xué)生必須具備的一門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)；,3.,“,工程,”“,流體力學(xué),”,流體力學(xué),嚴(yán)格的基礎(chǔ)理論,【,物理,>,力學(xué),>,流體力學(xué),】,+),工程,的作風(fēng)做法,【,近似、簡(jiǎn)化、工程誤差要求,】,流體力學(xué),留級(jí)力學(xué),？,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,(,為什么要學(xué),),大雁的飛行團(tuán)隊(duì),人類(lèi)在空氣、水中的運(yùn)動(dòng),鳥(niǎo)類(lèi)飛行,船舶的設(shè)計(jì),:,浮力定理與浮體穩(wěn)定性,.,大型潛艇的艦體設(shè)計(jì)與推進(jìn)系統(tǒng)更是離不開(kāi)流體力學(xué)知識(shí)。,美國(guó)高超音速樣機(jī),火箭導(dǎo)彈發(fā)射,航空,/,航海,/,國(guó)防,水利工程,1993,年青海溝后水庫(kù)垮壩,1993,年,8,月,27,日夜間，庫(kù)容為,330,萬(wàn)立方米的青海省海南藏族自治州溝后水庫(kù)在庫(kù)水位低于設(shè)計(jì)水位,0.75,米的情況下突然垮壩失事，造成,288,人死亡，,40,人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失,1.53,億元,.,水利部專(zhuān)家組調(diào)查認(rèn)定，溝后水庫(kù)在設(shè)計(jì)上有缺陷，施工中又存在嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，運(yùn)行管理工作薄弱。,箱型,甲殼蟲(chóng),船型,魚(yú)型,楔型,未來(lái)型,地面交通工具,汽車(chē)的外形設(shè)計(jì)從最早期的箱型逐漸向今天的流線(xiàn)型過(guò)渡，反映了空氣動(dòng)力特性對(duì)汽車(chē)性能的影響。,大氣、海洋運(yùn)動(dòng),可怕的龍卷風(fēng)（,tornado),對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)、海洋環(huán)流運(yùn)動(dòng)及其相互作用的掌握對(duì)氣候?yàn)?zāi)害預(yù)報(bào)與控制、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空航海等有積極意義。,流體機(jī)械和動(dòng)力機(jī)械,風(fēng)力機(jī),風(fēng)扇,渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),PDC,鉆頭,石油、化工,能源的開(kāi)采、輸運(yùn)、冶煉各環(huán)節(jié)均離不開(kāi)流體力學(xué)知識(shí)。,建筑安全和環(huán)境,世貿(mào)大廈和上海環(huán)球金融大廈,超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)風(fēng)工程。,楊浦大橋,流體力學(xué)問(wèn)題在自然界和一般的工程技術(shù)中隨處可見(jiàn)，廣泛應(yīng)用于,水利、機(jī)械、動(dòng)力、化工、石油、土建、航空、航海、氣象、環(huán)境,等工程技術(shù)中，是一門(mén)十分有用的知識(shí)。,“,萬(wàn)物皆流、萬(wàn)物皆變,”,，要更好地認(rèn)識(shí)世界，必須學(xué)習(xí)流體力學(xué)！,總結(jié),流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)介,萌芽期（,17,世紀(jì)中葉以前）,特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)是發(fā)展動(dòng)力、經(jīng)驗(yàn)積累為主,大禹治水,/,李冰父子設(shè)計(jì)建造的,都江堰,船,/,帆船,魯班：會(huì)飛的木鳶,(,讀,yun,),沙漏計(jì)時(shí),阿基米德定律,大禹治水圖,古箭,阿基米德,快速發(fā)展期（,17,世紀(jì)后半葉,-19,世紀(jì)）,特點(diǎn)：理論和實(shí)驗(yàn)研究方法建立、,形成流體動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)兩分支,主要代表人物,:,1650,年帕斯卡,帕斯卡原理,1686,年牛頓,牛頓內(nèi)摩擦定律,1738,年伯努利,伯努利方程,1775,年歐拉,理想流體的運(yùn)動(dòng)方程,1883,年雷諾,雷諾實(shí)驗(yàn),1823,年 納維、斯托克斯,粘性流體的運(yùn)動(dòng)方程,成熟發(fā)展期（,20,世紀(jì)初,20,世紀(jì)中葉）,粘性流體力學(xué)得到相當(dāng)發(fā)展，航空航天技術(shù)驚人發(fā)展，人類(lèi)的飛行夢(mèng)實(shí)現(xiàn)。,代表人物：,庫(kù)塔,M.W.Kutta,，,1867,1944,德國(guó),儒科夫斯基（,1847,1921,）（俄國(guó)）,普朗特（,L.Prandtl,，,1875,1953,）,(,德國(guó),),馮,.,卡門(mén)（,T.von K,á,rm,á,n,，,1881-1963,）（美籍匈牙利）,20,世紀(jì)中葉以后,廣泛的學(xué)科交叉,與新分支：,計(jì)算流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、可壓縮氣體力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)、稀薄氣體動(dòng)力學(xué)、微尺度流體力學(xué)、磁流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、物理,-,化學(xué)流體力學(xué)、流體機(jī)械流體力學(xué),難點(diǎn)問(wèn)題,：,湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、非定常流,流體力學(xué)在中國(guó),周培源（,1902,1993),錢(qián)學(xué)森,（,1911,2009,）,陸士嘉（,1911,1986,）,吳仲華（,1917,1992,）,流體力學(xué)的研究方法,理論分析,力學(xué)模型流體力學(xué)基本方程求解分析,實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),相似原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)分析,數(shù)值模擬：計(jì)算流體力學(xué),（,Computational Fluid Dynamics, CFD,）,全課,程,分章目,錄,流體的力學(xué)性質(zhì),流體流動(dòng)的基本概念,流體靜力學(xué),流體流動(dòng)的守恒原理,不可壓縮流體的一維層流流動(dòng),流體流動(dòng)微分方程,不可壓理想流體平面流（合并到,2,）,管內(nèi)流體流動(dòng),(,書(shū)上第,9,章,),流體繞物流動(dòng),(,部份合并到,8),流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法,(,書(shū)上第,8,章,),流體流動(dòng)的數(shù)值模擬,(CFD),基本概念,基本原理 及,分析方法,實(shí)驗(yàn)方法,數(shù)值模擬,本科生,工程流體力學(xué),課程的主要內(nèi)容,課程考核與成績(jī)計(jì)算方法：,平時(shí)作業(yè) 課堂,(,點(diǎn)名、提問(wèn),), 結(jié)束考試,流體力學(xué),留級(jí)力學(xué),？,第一章 流體的力學(xué)性質(zhì),1.1,流體、流體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè),1.2,流體的主要物理性質(zhì),流體的流動(dòng)性,流體的可壓縮性,流體的粘滯性,作用在流體上的力,1.3,牛頓流體與非牛頓流體,1.1,流體、流體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè),一、流體：,液體和氣體的總稱(chēng)。,流體是相對(duì)固體而言的。,無(wú)固定的形狀,:,分子間距離大，吸引力小 （對(duì)比固體？）,“,水可方可圓，能環(huán)山襄陵；風(fēng)無(wú)形無(wú)體，卻能拔屋倒樹(shù),”,能承受壓力，但不能承受拉力,易流動(dòng)性：,剪切力,是流體流動(dòng)的充分且必要的條件,力學(xué)中,“,流體,”,的定義：,在任何微小,剪切力,(shear force),的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱(chēng)為流體。,流體的基本特點(diǎn),:,固體可以承受一定的剪切力而不至于宏觀變形；,但流體不能。不管剪切力多大（多?。?，流體都會(huì)發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)：旋渦,（將進(jìn)一步說(shuō)明）。,“流體經(jīng)不起搓，一搓就搓起了渦”,陸士嘉（,1911,1986,）,著名流體力學(xué)家、力學(xué)教育家。北京航空學(xué)院的籌建者之一，創(chuàng)辦了我國(guó)第一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)。,二、流體質(zhì)點(diǎn)及連續(xù)介質(zhì)假設(shè),從微觀角度看：流體分子之間存在空隙，流體物理量的分布在空間和時(shí)間上都是不連續(xù)的。,但宏觀尺度看，即使是很小的體積中，包含的分子數(shù)目也是十分巨大的。例如標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,，,體積為,d,V,=10,-9,mm,3,的空氣，分子數(shù)目：,3x10,7,。,流體力學(xué)中，感興趣的是流體的宏觀特性，即有,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),的提出。,流體的連續(xù)介質(zhì)（,Continuum,）假設(shè),將流體看成由無(wú)限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的,密集,而,無(wú)間隙,的,連續(xù)介質(zhì),。,流體質(zhì)點(diǎn)：,不呈現(xiàn)流體個(gè)別分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的最小部分所包含的大量分子的組合。,Fluid particle,流體質(zhì)點(diǎn),流體質(zhì)點(diǎn)：微觀上足夠大、宏觀上足夠小、具有一定體積的,流體微團(tuán),，各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均特性即為流體的宏觀特性。,連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：,流體密度是物性參數(shù),某種,流體的密度主要與,溫度,T,和,壓強(qiáng),p,有關(guān)，,即,=,（,p,T),混合氣體的密度,式中：,1,，,2,，,n,各組分氣體的密度,1,，,2,，,n,各組分氣體所占,的體積百分?jǐn)?shù),采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的好處,無(wú)需關(guān)心分子的微觀運(yùn)動(dòng),流場(chǎng)參數(shù)為空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù),連,續(xù)介質(zhì)假設(shè)的,合理性,失效狀態(tài),外太空氣體十分稀薄,激波,微尺度流動(dòng)（,MEMS-,微機(jī)電系統(tǒng)）,教科書(shū),P2,提,“,連續(xù)介質(zhì)模型,”,有,3,條要點(diǎn)，其實(shí)歸結(jié)為只有一個(gè)要點(diǎn)：,假設(shè)流體的任一物理參數(shù),（密度、壓力、速度、溫度等等），都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)，,=,(x, y, z, t),1.2.1,流體的易流動(dòng)性,（如前所述）,1.2,流體的力學(xué)性質(zhì),1.2.2,流體的可壓縮性 （,Compressibility,）,體積壓縮系數(shù)：,一定溫度下單位壓力變化引起的體積的,相對(duì)收縮,。,體積彈性模數(shù),:,單位體積的相對(duì)變化所需要的,壓力增量,.,恒為正，單位：,1/Pa, m,2,/N,p,越大可壓縮性越大。,恒為正，單位與壓力相同：,Pa,E,V,越大可壓縮性越小。,和流體密度相似，,p,和,E,V,也都是,物性參數(shù),。,液體和氣體的可壓縮性顯著不同：,例：,20,和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水,E,V,2×10,9,Pa,求當(dāng)壓力增大,1atm,（,1.013×10,5,Pa,）時(shí)體積減小率為多少？,氣體的壓縮性與壓縮的熱力學(xué)過(guò)程有關(guān),，受具體過(guò)程參數(shù)的影響也較大，但整體上壓縮性表現(xiàn)較易于壓縮。,空氣,E,V, 10,5,N/m,2,例：,理想氣體,液體的可壓縮很小,，是難于壓縮的流體，而且其可壓縮性（,p,或,E,V,）受溫度和壓力的影響也相對(duì)較小。,可壓縮流體與不可壓縮流體,嚴(yán)格地說(shuō)，絕對(duì)不可壓縮流體是不存在的,;,真實(shí)的流體都是可壓縮的。,當(dāng),p,引起的,很小時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)流體為不可壓：,const,E,V,流體是否是可壓縮，判斷的主要依據(jù)是：可壓縮性對(duì)流體流動(dòng)影響的大小。,水通常為不可壓，但水中爆炸、水擊（水錘）是可壓；,空氣通常被認(rèn)為可壓，但流速,<100m/s,時(shí)，可作不可壓。,馬赫數(shù),(Mach number),v:,流體質(zhì)點(diǎn)速度,c:,當(dāng)?shù)匾羲?當(dāng)流體流動(dòng)的馬赫數(shù)小于,0.3,時(shí)，,p,引起的, 很小，可認(rèn)為流動(dòng)不可壓縮,單位面積流體受到的內(nèi)摩擦力為,切應(yīng)力,xy,實(shí)驗(yàn)證明：,牛頓內(nèi)摩擦定律,(or,牛頓剪切定律,1686,年,）,動(dòng)力粘性系數(shù)（與流體種類(lèi)、,p,T,有關(guān)）,單位,:Pa,·,s(,帕,·,秒,),1.2.3,流體的,黏,性,(,黏,滯性，,Viscosity),在流體力學(xué)中常用運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：,流體層間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和分子間的動(dòng)量與能量傳遞,!,液體：,T ,；,T ,氣體：,T ,；,T ,為什么？,液體,氣體,T,流體粘性的微觀機(jī)理,液體：分子內(nèi)聚力是黏性的主因,從本質(zhì)上說(shuō)，流體粘性是分子吸引力以及分子熱運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。但：,溫度分子間距分子吸引力內(nèi)摩擦力粘度,氣體：分子熱運(yùn)動(dòng)是黏性的主因,溫度分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換內(nèi)摩擦力粘度,水的粘度,氣體的粘度,Sutherland,公式,混合,氣體的粘度,理想流體,：不計(jì)粘性的流體，是假想的流體模型。,粘性流體：真實(shí)流體，考慮粘性的流體。,理想流體和粘性流體,滑移假設(shè)（理想流體）,固體表面處的流體速度與固體壁面速度相等；,微尺度流動(dòng)和稀薄流動(dòng)條件下該假設(shè)失效,.,流體不能穿越固體壁面，但容許在固體表面滑移。,無(wú)滑移條件和滑移假設(shè),無(wú)滑移條件（粘性流體,/,真實(shí)流體）,問(wèn)題,1,：設(shè)液體中流速沿,y,方向分布如下圖，試根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律定性畫(huà)出切應(yīng)力沿,y,方向的分布？,y,y,y,u,u,u,u,u,u,圖,a,圖,b,圖,c,y,y,y,問(wèn)題,2,：下面的表述是否正確,?,A,由于粘性，流體內(nèi)部切應(yīng)力,一定不為,0,.,B,靜止流體內(nèi)不存在切應(yīng)力。,C,流體作均速運(yùn)動(dòng)時(shí)切應(yīng)力為,0,。,例,1,1,：直徑,D=5cm,的軸在軸承中空載地旋轉(zhuǎn)，如圖,1,5,所示。轉(zhuǎn)速,n=4000rpm,，與軸瓦同心，徑向間隙,0.005cm,軸瓦長(zhǎng)度,L=7.6cm,，測(cè)得摩擦力矩,M=1.2N.m,。求潤(rùn)滑液的粘性系數(shù),？求軸承消耗的功率？,V,D/2+,D/2,例,1,2,：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)如下圖所示，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速,n,=10r/min,，內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。已知內(nèi)筒半徑,R,i,為,1.93cm,，外筒,R,o,為,2cm,，內(nèi)筒高,h,=7cm,，轉(zhuǎn)軸上扭距,M,=0.0045N,·,m,。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度,(0.9524Pa.s),。,旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì),h,例,1,3,：一套桶長(zhǎng),H=20m,內(nèi)直徑,D=5.04cm,，重,G=6.8N,套在直徑,d=5cm,的立軸上，間隙內(nèi)充滿(mǎn)了動(dòng)力粘度,=8Pa.s,的油。求套筒以多大速度勻速下滑？（,0.0054m/s),d,G,G,F,F,例,1,4,：已知：平板,A,1200cm,2,，,V,0.5m/s,，,h,1,1.0mm,，,1,0.142Pa.s,，,2,0.235Pa.s,，,h,2,1.4mm,，求：平板上所受的內(nèi)摩擦力,F(4.617N),例,1,5,：兩塊平板固定，相距為,h,。有一厚度可不計(jì)的無(wú)限大平板以速度,V,向右勻速運(yùn)動(dòng)，已知活動(dòng)平板兩側(cè)流體的粘性分為,1,、 ,2,，且速度按線(xiàn)性分布。為使維持活動(dòng)平板運(yùn)動(dòng)的力,F,最小，活動(dòng)平板距下固定板的距離,y,應(yīng)為多少？,V,y,h,Y,1,2,F,1.2.4,作用在流體上的力,表面力,(,面積力,),是某種力場(chǎng)作用在流體的全部質(zhì)點(diǎn),(,全部體積,),上的力，是和流體的質(zhì)量,(,體積,),成正比的力。,重力、離心力、電磁力,，等等,作用在分離出的流體對(duì)象表面上的力，接觸力。它是分離體以外的流體或其它物體通過(guò)接觸面作用在分離體上的力。,壓力,、,黏性應(yīng)力,(,剪切應(yīng)力,),，,表面張力,（液體的性質(zhì)）,質(zhì)量力,(,場(chǎng)力,/,體積力,),特別提一下表面力中的,表面張力,表面張力示意圖,定義：表面張力是液,/,氣、液,/,固或液,/,液交界面上液體分子受力不平衡引起的使液面收縮拉緊的力。力的方向沿液面切向并垂直于分割線(xiàn)。,近液面的分子受力圖,球臺(tái)周線(xiàn)上的表面張力,F,st,液面收縮原因：,液體內(nèi)部的分子所受的合力為零，但在,液體表面層內(nèi)的分子則受到向下,的凈力,，因此使液面向內(nèi)收縮。,表面張力系數(shù)（,）：,單位長(zhǎng)度上,的表面張力值,單位：,N/m,因此，表面張力,:,f= .L,溫度,T,表面張力系數(shù),。,多數(shù)流動(dòng)問(wèn)題忽略表面張力的影響，但液滴氣泡形成，液體霧化，氣液兩相流中表面張力的作用不可忽略。,毛細(xì)現(xiàn)象（液固接觸）,力學(xué)機(jī)制：,內(nèi)聚力,和,附著力,。液體分子間的吸引力叫,內(nèi)聚力,，而液體分子與固體分子間的引力叫,附著力,。,h,玻璃管插在水銀中,h,玻璃管插在水中,附著力,>,內(nèi)聚力,液面上升,附著力,<,內(nèi)聚力,液面下降,毛細(xì)現(xiàn)象,:,液體在細(xì)管中能,上升,或,下降,的現(xiàn)象,.,h,的影響因素,：液體種類(lèi)，管徑、管子材料，液面上流體種類(lèi)及溫度,注意,：工程中通常忽略毛細(xì)現(xiàn)象，但細(xì)管測(cè)量不可忽略,管內(nèi)液柱高,h:,液柱所受表面,張,力的,總和與,液柱的重量,靜,力平衡,求蜻蜓的體重,Cross-sectionof bug leg,q,設(shè),:,s,= 7.3x10-2 N/m,q,= 25,°,共有六條腿、每條腿與水面接觸長(zhǎng)度為,5mm.,拉普拉斯公式,(,見(jiàn),P8,）,彎曲液面附加的壓力差,1.3,牛頓流體與非牛頓流體,牛頓流體：,切應(yīng)力與速度梯度之間呈,線(xiàn)性關(guān)系,，即動(dòng)力黏性系數(shù),為流體的,物性參數(shù),（通常只與,流體種類(lèi),、,溫度,、,壓力,有關(guān)，對(duì)一定種類(lèi)的流體，,隨溫度和壓力的變化很小，可近似認(rèn)為是常數(shù)）。,非牛頓流體：,切應(yīng)力與速度梯度之間是,非線(xiàn)性關(guān)系,，即使寫(xiě)成一次關(guān)系式的形式，,也,不是物性參數(shù)而是,du/dy,的函數(shù),。這時(shí)切應(yīng)力與,du/dy,的比值稱(chēng)作,表觀粘度,(apparent viscosity),，,記作,，單位與黏性系數(shù)相同,。,非牛頓流體的類(lèi)型很多（工程中最廣泛的是冪率流體），非常復(fù)雜，本課程不詳細(xì)研究非牛頓流體。,作業(yè)：,P11-12,1-2, 1-5,廣義牛頓切應(yīng)力公式：,牛頓流體,非牛頓流體,本課小結(jié),