第1章流體及其主要物理性質第2章流體靜力學第3章流體動力學基礎第4章相似原理與量綱分析目錄第5章流動阻力和水頭損失現在是1頁\一共有55頁\編輯于星期一第一章緒論第一節流體的概述第二節流體的主要物理性質第三節作用在流體的力現在是2頁\一共有55頁\編輯于星期一什么是流體？第一節流體的概述流體指具有流動性且自身不能保持一定形狀的物體，如氣體和液體。一.流體的定義固體：有固定的平衡位置，具有一定的體積，一定的形狀。現在是3頁\一共有55頁\編輯于星期一二.流體的特征（或物理屬性）：1.流動性：2.連續性：是流體區別于固體的根本標志。氣體的流動性大于液體；靜止流體不能承受拉力；流體在平衡狀態下不能承受剪切力。沒有固定的形狀，液體的形狀取決于盛裝它的容器；氣體完全充滿容器。設流體由很多個流體微團（質點）組成，流體微團之間沒有縫隙。即假設流體是各向同性的連續介質(理論模型)。現在是4頁\一共有55頁\編輯于星期一有無固定的體積？能否形成

自由表面？是否容易

被壓縮？流體氣體無否易液體有能不易呈現流動性？

流體固體

液體、氣體與固體的區別二.流體的特征現在是5頁\一共有55頁\編輯于星期一

流體質點的理論模型：1）質點的宏觀尺寸非常小，即limΔV→0；2）質點的微觀尺寸足夠大；3）質點是一個物理實體；4）質點的形狀可任意劃定，以做到質點之間無縫隙。2.連續介質假設個分子

1mm3空氣(1個大氣壓，00C)二.流體的特征現在是6頁\一共有55頁\編輯于星期一2）流體質點的運動過程是連續的；表征流體的一切特性可看成是時間和空間連續分布的函數。1）流體介質是由連續的流體質點所組成，流體質點占滿空間而沒有間隙。2.連續介質假設

連續介質的內涵：二.流體的特征現在是7頁\一共有55頁\編輯于星期一

連續介質假設的使用條件：

只有當考慮的現象具有比流體分子結構尺度大得多的尺度時才成立。

例如研究高空稀薄氣體中的物體運動時，稀薄氣體不能視為連續介質；血液在微血管中運動時，血液不能當作連續介質，而在動脈血管中流動時可視為連續介質。

連續函數：

在連續介質中，流體質點的一切物理量都是坐標與時間變量的函數，稱為連續函數。如

p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）2.連續介質假設二.流體的特征現在是8頁\一共有55頁\編輯于星期一三.流體力學的研究內容流體力學分類①理論流體力學（流體力學）②應用流體力學（工程流體力學）工程流體力學研究流體靜止和運動的力學規律及其在工程技術上的應用的一門學科。現在是9頁\一共有55頁\編輯于星期一力學

流體力學（水力學）的學科性質研究對象力學問題載體

宏觀力學分支遵循三大守恒原理

流體力學水力學流體水力學強調水是主要研究對象比較偏重于工程應用土建類專業常用現在是10頁\一共有55頁\編輯于星期一

流體力學的主要研究內容固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺等運動邊界：飛機、船只等研究內容①流體在外力作用下，靜止與運動的規律；②流體與固體（邊界）的相互作用。現在是11頁\一共有55頁\編輯于星期一流體力學的使用領域

空氣和水是地球上廣泛存在的物質，所以與流體運動關聯的力學問題是很普遍的。流體力學在許多學科和工程領域有著廣泛的應用。流體力學海洋

水利航空航天交通運輸

環境

氣象

石油化工

機械冶金

生物現在是12頁\一共有55頁\編輯于星期一航天航空工業

（空氣動力學）現在是13頁\一共有55頁\編輯于星期一造船工業

（水動力學）深潛達數百米的核動力潛艇；現在是14頁\一共有55頁\編輯于星期一

石油化工工業單價超過10億美元，能抵御大風浪的海上采油平臺；現在是15頁\一共有55頁\編輯于星期一電力工業

水電站、火電站、核電站、地熱電站機械工業中

澗滑、冷卻、液壓傳動汽輪機葉片水輪機現在是16頁\一共有55頁\編輯于星期一水利工程水資源運用、泄洪消能、河道整治

現在是17頁\一共有55頁\編輯于星期一土建工程公路與橋梁工程路基的沉陷、崩竭、滑坡、橋梁、涵洞、倒虹吸管和透水貽堤的修建等楊浦大橋現在是18頁\一共有55頁\編輯于星期一大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設計和建造離不開水力學和風工程。楊浦大橋現在是19頁\一共有55頁\編輯于星期一21世紀人類面臨許多重大問題的解決，需要流體力學的進一步發展，它們涉及人類的生存和生活質量的提高。全球氣象預報；（衛星云圖）現在是20頁\一共有55頁\編輯于星期一

環境與生態控制；現在是21頁\一共有55頁\編輯于星期一

災害預報與控制；現在是22頁\一共有55頁\編輯于星期一

火山與地震預報；現在是23頁\一共有55頁\編輯于星期一發展更快更安全更舒適的交通工具；現在是24頁\一共有55頁\編輯于星期一各種工業裝置的優化設計，降低能耗，減少污染等等。現在是25頁\一共有55頁\編輯于星期一流體力學需要與其他學科交叉，如工程學，地學，天文學，物理學，材料科學，生命科學等，在學科交叉中開拓新領域，建立新理論，創造新方法。毛細血管流動現在是26頁\一共有55頁\編輯于星期一趙州橋（公元591年至599年）南北大運河（隋朝公元587年至610年）——拱背的4個小拱，既減壓主拱的負載，又可宣泄洪水現在是27頁\一共有55頁\編輯于星期一大部分競技體育項目與流體力學有關

30現在是28頁\一共有55頁\編輯于星期一流體力學的研究方法和使用領域

一.流體力學的研究方法

理論分析、實驗研究和數值計算三種方法相互結合，是互相補充和驗證，但又不能互相取代的關系。基本假設數學模型解析表達模型試驗量測數據換算到原型數學模型數值模型數值解理論分析實驗研究數值計算現在是29頁\一共有55頁\編輯于星期一方法優勢局限理論分析

對流動機理解析表達，因果關系清晰，有較好的普適性。

受基本假設局限，且數學難度大，少數情況下才有解析結果。實驗研究

直接測量流動參數，解決實際的復雜問題，找到經驗性規律，并起檢驗作用。

成本高，對量測技術要求高，不易改變工況，存在比尺效應，普適性差。數值計算

擴大理論求解范圍，成本低，易于改變工況，不受比尺限制。

受理論模型和數值模型局限，仍是近似方法，存在計算誤差。三種研究方法的對比現在是30頁\一共有55頁\編輯于星期一一.慣性第二節流體的主要物理性質

γ：重度或容重單位：N/m3

，或

kN/m3單位：

kg/m3熟記：以密度ρ來衡量現在是31頁\一共有55頁\編輯于星期一三.壓縮性壓強增大使體積減小的性質單位：m2/N，Pa-1

可壓縮流體不可壓縮流體：密度ρ為變量，即ρ=ρ(x,y,z,t)：密度ρ為常數，即ρ=C

注：通常情況下，液體為不可壓縮流體，氣體為可壓縮流體。壓縮系數：現在是32頁\一共有55頁\編輯于星期一特例水擊現象,液壓沖擊,水中爆炸波的傳播等問題。

在低溫,低壓,低速條件下,隧道施工,運營通風,氣體輸送,煙道流動等問題。------液體為可壓縮流體------氣體為不可壓縮流體21現在是33頁\一共有55頁\編輯于星期一膨脹性溫度升高使體積增大的性質膨脹系數：單位：/℃，/K氣體狀態方程：VV-ΔVpp+Δp現在是34頁\一共有55頁\編輯于星期一

牛頓在《自然哲學的數學原理》(1687)中指出：相鄰兩層流體作相對運動時存在內摩擦作用,稱為粘性力。?

庫侖實驗(1784)庫侖用液體內懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內摩擦。三.粘性現在是35頁\一共有55頁\編輯于星期一?

粘性定義流體內部質點間或流層間因相對運動而產生內摩擦力

（內力/粘性力）以反抗相對運動的性質?

粘性特性

粘性是流體抵抗變形的能力，是流體的固有屬性，是運動流體產生機械能損失的根源二.粘性現在是36頁\一共有55頁\編輯于星期一

拉力T與接觸面積A、速度梯度成正比，即

或上兩式均稱為牛頓內摩擦阻力定律。

牛頓內摩擦定律二.粘性實驗測得：現在是37頁\一共有55頁\編輯于星期一

牛頓內摩擦阻力定律適用于空氣、水、石油等大多數流體。

凡符合這一定律的流體稱為牛頓流體，不符合的流體為非牛頓流體。流變圖（流變曲線）

理想流體（無粘性流體）:τ=0

實際流體（粘性流體）:τ0

牛頓內摩擦阻力定律二.粘性現在是38頁\一共有55頁\編輯于星期一

當h很小時，阻力定律可寫為，即速度為線性分布。

速度分布圖形不同時，剪應力τ分布也不同。拋物線分布u直線分布u二.粘性現在是39頁\一共有55頁\編輯于星期一μ

——

動力粘滯系數。N.s/m2

；Pa.Sν

——

運動粘滯系數。m2/S

1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m=0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m2

1m2/s=104cm2/s=104斯T的影響較大，P的影響不大；表征量粘度反應粘性大小的一個物理量，與流體種類有關①單位換算:②粘度的影響因素:二.粘性現在是40頁\一共有55頁\編輯于星期一

容易解釋為什么是剪切

（角）變形速率，它表示流體直角減小的速度。

滿足牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓流體，否則稱為非牛頓流體。角變形速率二.粘性現在是41頁\一共有55頁\編輯于星期一①分子間的內聚力②分子運動引起流體層間的動量交換液體以此為主氣體以此為主形成牛頓內摩擦力物理機理二.粘性現在是42頁\一共有55頁\編輯于星期一

隨著溫度升高，液體的粘性系數下降；氣體的粘性系數上升。

今后在談及粘性系數時一定指明當時的溫度。

運動粘性系數具有運動學量綱。注意二.粘性現在是43頁\一共有55頁\編輯于星期一【例】一底面積為45×50cm2，高1cm的木塊，質量為5kg，沿涂有潤滑油的斜角為30o的斜面向下作等速運動，木塊運動速度u=1m/s，油層厚度1mm，求油的粘度。

【解】木塊重量沿斜坡分力F

與切力T平衡時，等速下滑。由于油層厚度很小，速度分布可看成線性分布。現在是44頁\一共有55頁\編輯于星期一四.表面張力與毛細現象表面張力在流體力學中一般不予考慮，但對于測壓管會出現毛細管現象，對水深很淺的明渠水流和堰流會有影響。

表面張力是由液體分子間的力引起的，其作用結果使得自由液面有明顯承現球形的趨勢。現在是45頁\一共有55頁\編輯于星期一定義：沿液體表面作用著的使自由表面張緊的力稱為表面張力。液體表面張力的大小可以用液體表面單位長度所受的拉力即表面張力系數σ來度量，單位是N/m。數值較小，一般不考慮，只在自由液面尺寸很小時才考慮。

兩端開口的玻璃細管豎立在液體中，液體會在細管中上升或下降h高度，此現象為毛細現象。毛細管高度h與管徑d成反比，即玻璃管內徑越小，毛細管上升高度就越大。

水hθ水銀θh(a)(b)

當液固接觸時，液體表面的切面與固體壁在液體內部所夾的角為接觸角。現在是46頁\一共有55頁\編輯于星期一水力學中的三個力學模型1、連續介質模型（continuumcontinuousmediummodel）：

————不考慮水分子間隙。

把水視為沒有間隙地充滿它所占據的整個空間的一種連續介質，且其所有的物理量都是空間坐標和時間的連續函數的一種假設模型優點：(1)排除分子運動的干擾

(2)可運用數學連續函數作為水運動分析的工具現在是47頁\一共有55頁\編輯于星期一2、理想液體模型：————不考慮水的粘度

3、不可壓縮液體模型：————不考慮水的壓縮性

把水視為沒有粘性，即粘性系數為零，在分析問題的過程中可以不考慮粘滯力的影響，可容易得到液體運動的一些規律。然后再對粘性進行專門研究加以修正。

液體的壓縮性與膨脹性都很小，在壓強與溫度變化不大，可把液體看作不可壓縮水。現在是48頁\一共有55頁\編輯于星期一第三節作用在流體上的力質量力：作用在流體的每一個質點上，與流體質點的質量大小成正比。（如重力、慣性力、電場力）以單位質量的質量力表示：fx、fy、fz為單位質量力在x、y、z三個方向上的分量。現在是49頁\一共有55頁\編輯于星期一表面力：作用在流體表面上，與作用面的表面面積大小成正比。（如壓力、摩擦力）以單位面積的表面力表示：p為壓強τ為剪切應力（摩擦應力）n現在是50頁\一共有55頁\編輯于星期一

凡談及應力，應注意明確以下幾個要素：

①哪一點的應力；

②哪個方位作用面上的應力；

③作用面的哪一側流體是研究對象（表面力的受體），從

而決定法線的指向；

④應力在哪個方向上的分量。現在是51頁\一共有55頁\編輯于星期一問題1：比較重力場（質量力只有重力）中，水和水銀所受的單位