1、流體力學fluid dynamic教材：教材：流體力學景思睿景思睿 張鳴遠張鳴遠 編編 西安交通大學出版社西安交通大學出版社參考書參考書粘性流體動力學粘性流體動力學F.M White F.M White 機械工業(yè)出版機械工業(yè)出版 社，社，1982. 19911982. 1991年有英文第二版。年有英文第二版。流體力學基礎流體力學基礎 潘文全潘文全 機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，19821982流體力學流體力學( (上、下上、下) ) 吳望一吳望一 北京大學出版社，北京大學出版社，19821982本課程共本課程共5656學時，講解第學時，講解第1 18 8章章流體力學課程的考核方法與學習要求流

2、體力學課程的考核方法與學習要求考核方法：考核方法：百分制百分制1. 1. 平時平時 2020； 每缺一次作業(yè)扣每缺一次作業(yè)扣1 1分（沒有正當理由，不接受晚分（沒有正當理由，不接受晚交）；交）； 每曠課一次扣每曠課一次扣1 1分；分； 每遲到一次扣每遲到一次扣0.50.5分；分； 曠課超過曠課超過3 3次取消考試資格次取消考試資格2. 2. 期末考試占期末考試占8080。學習要求：學習要求： 樹立良好學風希望大家上課能認真聽講，獨立樹立良好學風希望大家上課能認真聽講，獨立完成作業(yè)。完成作業(yè)。第一章第一章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)1 1 概述概述1.1 1.1 什么是流體力學？什

3、么是流體力學？1.2 1.2 學習流體力學的目的學習流體力學的目的 1.3 1.3 流體力學的發(fā)展沿革流體力學的發(fā)展沿革1.4 1.4 流體力學的學習方法流體力學的學習方法1.1 1.1 什么是流體力學？什么是流體力學？研究流體（液體、氣體）運動規(guī)律的一門科研究流體（液體、氣體）運動規(guī)律的一門科學。學。是專業(yè)基礎課。是專業(yè)基礎課。1.2 1.2 學習流體力學的目的學習流體力學的目的在本專業(yè)中的重要地位在本專業(yè)中的重要地位學習后續(xù)課程的基礎學習后續(xù)課程的基礎日常生活中的廣泛應用日常生活中的廣泛應用工程上的廣泛應用工程上的廣泛應用節(jié)水，虹吸管。節(jié)水，虹吸管。能源動力、石油化工、空調(diào)制冷、軍事能源動

4、力、石油化工、空調(diào)制冷、軍事1.3 1.3 流體力學的發(fā)展沿革流體力學的發(fā)展沿革uArchimedes(Archimedes(阿基米德，希臘公元前阿基米德，希臘公元前287287212212年）年）浮力假設浮力假設uLeonardo daLeonardo da Vinci Vinci（1500,1500,意大利）意大利）一維不可一維不可壓縮粘性流體的質(zhì)量守恒方程。壓縮粘性流體的質(zhì)量守恒方程。u理想流體力學：理想流體力學：Euler(1755 Eulers EqEuler(1755 Eulers Eq.), .), dAlembert(1752), Laplace(1749-1827), dAl

5、embert(1752), Laplace(1749-1827), Lagrange(1736-1813), BernoulliLagrange(1736-1813), BernoulliuIsaac Newton(1687)Isaac Newton(1687)流體阻力，牛頓流體流體阻力，牛頓流體uNavierNavier（18231823）-Stokes-Stokes（18451845）提出的）提出的N-SN-S方程。方程。uReynolds(1880)-Reynolds(1880)-提出提出ReRe數(shù)，判別流體流動方式。數(shù)，判別流體流動方式。uPrandtlPrandtl（19041904

6、）邊界層理論的提出邊界層理論的提出uBlasiusBlasius( (布拉休斯）布拉休斯）平板邊界層的理論解。平板邊界層的理論解。uE.Buckingham(1914)E.Buckingham(1914)量綱分析方法量綱分析方法1.3 1.3 流體力學的發(fā)展沿革流體力學的發(fā)展沿革流體力學分為理想流體力學和粘性流體力學流體力學分為理想流體力學和粘性流體力學（真實流體力學、水力學）（真實流體力學、水力學）理想流體力學理想流體力學無粘性項，數(shù)學的完美推導。無粘性項，數(shù)學的完美推導。 dAlembertdAlembert paradox. paradox.水力學水力學放棄理論，以試驗測量為基礎。放棄理

7、論，以試驗測量為基礎。PrandtlPrandtl邊界層理論邊界層理論的提出才使兩者能有機地結(jié)合的提出才使兩者能有機地結(jié)合起來。起來。粘性流體力學粘性流體力學加入粘性項加入粘性項1.4 1.4 流體力學的學習方法流體力學的學習方法u 從掌握的角度：從掌握的角度：u 從應試的角度從應試的角度學好數(shù)學，多看書。學好數(shù)學，多看書。u注重對物理概念的理解注重對物理概念的理解上課認真聽講，獨立完成作業(yè)。上課認真聽講，獨立完成作業(yè)。2 流體與連續(xù)介質(zhì)模型流體與連續(xù)介質(zhì)模型流體（液體與氣體）流體（液體與氣體）具有易流動性、粘性和可壓縮性。具有易流動性、粘性和可壓縮性。不能承受拉力，在剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)不

8、不能承受拉力，在剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)不斷的變形，產(chǎn)生流動。斷的變形，產(chǎn)生流動。定義：定義：在任何剪切力持續(xù)作用下連續(xù)變形的物質(zhì)。在任何剪切力持續(xù)作用下連續(xù)變形的物質(zhì)。從微觀角度從微觀角度：流體都是由大量分子組成且處于不：流體都是由大量分子組成且處于不斷熱運動狀態(tài)，它的空間位置和運動速度具有隨斷熱運動狀態(tài)，它的空間位置和運動速度具有隨機性質(zhì)。機性質(zhì)。流體力學研究流體的流體力學研究流體的宏觀宏觀平衡和運動規(guī)律，所考平衡和運動規(guī)律，所考慮的尺寸遠大于分子的平均自由程，因此，需要慮的尺寸遠大于分子的平均自由程，因此，需要建立模型進行研究。建立模型進行研究。2 流體與連續(xù)介質(zhì)模型流體與連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)

9、介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型0limVmVu 流體質(zhì)點流體質(zhì)點相對于宏觀很小，相對于微相對于宏觀很小，相對于微觀，又包含足夠多的分子。觀，又包含足夠多的分子。u 連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型假設組成流體的最小物質(zhì)假設組成流體的最小物質(zhì)實體是流體質(zhì)點，流體由實體是流體質(zhì)點，流體由無限多的流體質(zhì)點連綿不無限多的流體質(zhì)點連綿不斷地組成，質(zhì)點之間不存斷地組成，質(zhì)點之間不存在間隙。在間隙。u 便于運用數(shù)學研究便于運用數(shù)學研究3 流體的粘性流體的粘性粘性粘性Uhdudy流體抵抗剪切變形流體抵抗剪切變形(或相或相對運動對運動)的一種屬性。的一種屬性。牛頓平板實驗牛頓平板實驗試驗結(jié)論：試驗結(jié)論：u速度呈線性分布速度呈線性

10、分布u摩擦力與速度梯度呈正比摩擦力與速度梯度呈正比 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體3 流體的粘性流體的粘性粘性系數(shù)粘性系數(shù)1 Pas/ 動力粘性系數(shù)動力粘性系數(shù)，單位：，單位：Pa.s, Uh運動粘性系數(shù)運動粘性系數(shù)， 單位：單位： m2/s Pa s3/Pa skg m3/Pa skg m2/Nm3/skg m2/kg m sskg m2/ms3 流體的粘性流體的粘性粘性系數(shù)粘性系數(shù)例如：例如：20時，空氣時，空氣 =0.15110-4 m2/s, 水水 = 0.110-5 m2/s粘性系數(shù)與溫度的關系粘性系數(shù)與溫度的關系液體液體的粘性主要取決于液體分子間的距離和分的粘性主要取決于

11、液體分子間的距離和分子間的吸引力，子間的吸引力，所以溫度升高粘性下降。所以溫度升高粘性下降。氣體氣體的粘性主要取決與氣體分子熱運動所產(chǎn)生的的粘性主要取決與氣體分子熱運動所產(chǎn)生的動量交換，動量交換，所以溫度升高粘性增大。所以溫度升高粘性增大。3 流體的粘性流體的粘性例例1-1 已知已知 L=0.5 m; n=400 rpm； =0.25 mm; 測得測得M=10.89 J。求。求 2ddALd321200.49260dd nMMd LPa sdnL 2duddFdALddy222dddudMdFLddy2202dduMdMLddy2226060ddnduud ndy2222ddudduLdLdy

12、dy3 流體的粘性流體的粘性例例1-2 =0.5Pa.s的流體沿著壁面流動，的流體沿著壁面流動，速度分布為拋物線，速度分布為拋物線，y1=60mm, umax=1.08 m/s，拋物線的頂點在，拋物線的頂點在A點，分別求點，分別求y=0, 20, 40, 60mm各點的切應力。各點的切應力。0.5 6000.063000.06duyydy2uaybyc0: 00yuc20.06: 1.08 1.08=0.060.06yuab0.06: 0 2 0.060uyaby30036ab 22300361.083000.06uyyy 6000.06duydy3 流體的粘性流體的粘性u 實際流體實際流體實

13、際流體與理想流體實際流體與理想流體u 理想流體理想流體認為粘性系數(shù)為零認為粘性系數(shù)為零便于數(shù)學研究便于數(shù)學研究實際流體的研究更為復雜實際流體的研究更為復雜自然界中實際存在的流體，由于都具有粘性，自然界中實際存在的流體，由于都具有粘性，也稱為也稱為粘性流體粘性流體。N-S方程至今只找到方程至今只找到70多種邊界條件的解。多種邊界條件的解。4 流體的可壓縮性流體的可壓縮性4.1 可壓縮性可壓縮性4.2 可壓縮流體與不可壓縮流體可壓縮流體與不可壓縮流體4.1 可壓縮性可壓縮性所有流體都具有一定的可壓縮性所有流體都具有一定的可壓縮性1 dVV dp 壓縮性系數(shù)壓縮性系數(shù)11dddpdp 1/dV mV

14、 mdp 1 ddp 10dd dd 4.1 可壓縮性可壓縮性體積彈性模量體積彈性模量E11dddpdp u 氣體氣體l 等溫過程等溫過程1dpdpEdd :.pConst狀態(tài)方程:0dpdp微分lnlnpCdppEd壓縮性系數(shù)壓縮性系數(shù)4.1 可壓縮性可壓縮性體積彈性模量體積彈性模量E:0dpdkp微分u 氣體氣體l 等熵過程等熵過程1dpdpEdd u 液體液體:.kpConst狀態(tài)方程lnlnpkCdpkpEd沒有簡單的解析表達式，一般通過實驗測沒有簡單的解析表達式，一般通過實驗測壓強與密度的關系，然后近似求導。壓強與密度的關系，然后近似求導。4.2 可壓縮流體與不可壓縮流體可壓縮流體與

15、不可壓縮流體dpEd不可壓縮流體不可壓縮流體 =C當流體的體積彈性模量很大或壓強改變量很小時，當流體的體積彈性模量很大或壓強改變量很小時，流體的密度改變量很小，可看作不可壓縮流體。流體的密度改變量很小，可看作不可壓縮流體。u 便于數(shù)學處理便于數(shù)學處理u一般液體和流速較低的氣體均可看作一般液體和流速較低的氣體均可看作不可壓縮流體不可壓縮流體可壓縮流體可壓縮流體C流體的密度改變量不可忽略時。流體的密度改變量不可忽略時。我們所涉及的問題一般均以我們所涉及的問題一般均以不可壓縮流體不可壓縮流體來對待來對待。ddpE5 液體的表面張力液體的表面張力5.1 表面張力表面張力5.2 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象6 作用

16、在流體上的力作用在流體上的力質(zhì)量力（體積力）質(zhì)量力（體積力）0limVFfV 0limnSFPS 非接觸力，如重力，慣性力非接觸力，如重力，慣性力表面力表面力接觸力，如壓力，剪切力接觸力，如壓力，剪切力( , , , )ff x y z t( , , , )VFf x y z t dVnSFPdS第一章第一章 總結(jié)總結(jié)1 流體的性質(zhì)流體的性質(zhì) 易流動性，粘性，可壓縮性易流動性，粘性，可壓縮性Uh duFAdy2 連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型3 液體和氣體的粘性與溫度的關系液體和氣體的粘性與溫度的關系4 牛頓平板試驗，摩擦力與速度梯度的關系牛頓平板試驗，摩擦力與速度梯度的關系5 可壓縮流體與不可壓縮流體，理想流體與實際流體，可壓縮流體與不可壓縮流體，理想流體與實際流體，牛頓流體與非牛頓流體。牛頓流體與非牛頓流體。6 作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。作業(yè)作業(yè)3, 8，9，11 The End作業(yè)作業(yè)1-330.3 , 0.2 0.21 , =0.00520.1 1022000.0052222900 0.26 102000.2 0.3 0.10.882oiioiiiiiiiddLm dm dmmddudyddddduduMFAd Ld LdydyN m作業(yè)作業(yè)1-820.362002606060 0.00