工程流体力学第三版课件A.ppt

第一章第一章绪论绪论一、流体力学研究的内容一、流体力学研究的内容 流体力学是力学的一个独立分支，是一门研流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。的技术科学。第一节第一节流体力学研究的内容流体力学研究的内容.流体动力学：它研究流体在运动状态时，作用于流流体动力学：它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。与能量转换等，这一部分称为流体动力学。.流体静力学：它研究流体处于静止（或相对平衡）流体静力学：它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系。状态时，作用于流体上的各种力之间的关系。二、流体力学研究的内容二、流体力学研究的内容目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下三类：力学可分为以下三类：u水利类流体力学：水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等；面向水工、水动、海洋等；u机械类流体力学：机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机面向机械、冶金、化工、水机等；等；u土木类流体力学：土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。洪等。u大气类流体力学：大气类流体力学：飞机、飞行器外行的设计，天气预飞机、飞行器外行的设计，天气预报，环境污染预报等。报，环境污染预报等。理论分析过程一般是：建立力学模型，用物理学基本定理论分析过程一般是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学控制方程，用数学方法求解方程，检验律推导流体力学控制方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。和解释求解结果。建立模型建立模型推导方程推导方程求解方程求解方程解释结果解释结果三、流体力学的研究方法三、流体力学的研究方法实验方法实验方法 在相似理论指导下，建立模拟实验装置，在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结果。果。相似理论相似理论模型试验模型试验测量测量数据分析数据分析风洞试验：上海虹口足球场风载模拟试验风洞试验：上海虹口足球场风载模拟试验水洞实验：水洞实验：螺旋桨空泡螺旋桨空泡水池实验：水池实验：船模拖曳实验船模拖曳实验测量技术有：热线，激光测速；粒子图象，迹线测量技术有：热线，激光测速；粒子图象，迹线测速；高速摄影；全息照相；压力密度温度测量测速；高速摄影；全息照相；压力密度温度测量等。等。激波条纹激波条纹现代测量技术在计算机，光学和图象技术配合现代测量技术在计算机，光学和图象技术配合下在提高空间分辨律和实时测量方面已取得长下在提高空间分辨律和实时测量方面已取得长足进展。足进展。数值分析方法数值分析方法 随着技算机技术的突飞猛进，过去无随着技算机技术的突飞猛进，过去无法求解的流体力学偏微分方程可以用计算机数值方法法求解的流体力学偏微分方程可以用计算机数值方法求解。求解。11计算流体力学计算流体力学有限差分法有限差分法有限元法有限元法边界元法边界元法谱分析等谱分析等如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武器。器。日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟压强分布压强分布速度分布速度分布涡轮机叶片流线和总压分布数值模拟。涡轮机叶片流线和总压分布数值模拟。（日本：国家空间实验室）（日本：国家空间实验室）第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质主主要要内内容容第一节第一节流体的定义及特征流体的定义及特征第二节第二节流体作为连续介质假设流体作为连续介质假设第三节第三节作用在流体上的力作用在流体上的力第四节第四节流体的密度流体的密度第五节第五节流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性第六节第六节流体的粘性流体的粘性第七节第七节流体的表面性质流体的表面性质第一节第一节流体的定义与特征流体的定义与特征在地球上，物质存在的主要形式有：固体、流体。在地球上，物质存在的主要形式有：固体、流体。其中流体包括液体和气体，相对于固体，它在力学其中流体包括液体和气体，相对于固体，它在力学上表现出以下特点：上表现出以下特点：从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。一一.流体的概念流体的概念固体固体液体液体固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸变形。变形。液体和气体的共同点：液体和气体的共同点：液体和气体的共同点：液体和气体的共同点：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。生变形或流动，故二者统称为流体。第二节第二节连续介质假设连续介质假设一、连续介质假设的提出一、连续介质假设的提出一、连续介质假设的提出一、连续介质假设的提出宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大的多。的多。微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有液体中含有3.31022个左右的分子，相邻分子间的距离约为个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.110-8cm。1cm3气体中含有气体中含有2.71019个左右的分个左右的分子，相邻分子间的距离约为子，相邻分子间的距离约为3.210-7cm流体质点：也称流体微团，是指尺度大小同一切流动空流体质点：也称流体微团，是指尺度大小同一切流动空间相比微不足道又含有大量分子，具有一定质量的流体间相比微不足道又含有大量分子，具有一定质量的流体微元。微元。连续介质假设：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整连续介质假设：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：和时间的连续函数的一种假设模型：u=u(t,x,y,z)。观看动画2.2.连续介质假设的意义连续介质假设的意义连续介质假设的意义连续介质假设的意义u排除了分子运动的复杂性。排除了分子运动的复杂性。练习题练习题u表征流体性质和运动特性的物理量和力学量表征流体性质和运动特性的物理量和力学量为时间和空间的连续函数，可用数学中连续函数为时间和空间的连续函数，可用数学中连续函数这一有力手段来分析和解决流体力学问题。这一有力手段来分析和解决流体力学问题。第三节第三节 作用在流体上的力作用在流体上的力一、表面力：一、表面力：外界通过接触传递的力，用应力来表示。外界通过接触传递的力，用应力来表示。理想（静止）流体中一点处的应力 理想（静止）流体中没有切应力 ，只承受压力 ，不能承受拉力。表面力只有法向压应力p二、质量力（体积力）：二、质量力（体积力）：质质量量力力是是某某种种力力场场作作用用在在全全部部流流体体质质点点上上的的力力，其其大大小小和流体的质量或体积成正比，故称为质量力或体积力。和流体的质量或体积成正比，故称为质量力或体积力。单位质量质量力：质量力的合力：重力场中：第四节流体的主要物理性质第四节流体的主要物理性质一一、密度、容重、比重和比容、密度、容重、比重和比容xzyo VA.密度：密度：当当 V趋于无限小时：趋于无限小时：注意：密度是坐标点注意：密度是坐标点(x,y,z)和时间和时间t的函数，即的函数，即=(x,y,z,t)。2、容重（重度）、容重（重度）容重：指单位体积流体的重量。单位：容重：指单位体积流体的重量。单位：N/m3。均质流体内部各点处的容重均相等：均质流体内部各点处的容重均相等：=G/V=g水的容重常用值：水的容重常用值：=9800N/m33、气体的比容、气体的比容比容：指单位气体质量所具有的体积。比容：指单位气体质量所具有的体积。=1/（m3/kg）气体的比容或密度，与气体的工况或过程是密切相关的，气体的比容或密度，与气体的工况或过程是密切相关的，是由状态方程确定，完全气体状态方程是由状态方程确定，完全气体状态方程P=P/=RTR为气体常数，空气的为气体常数，空气的R=287Nm/kgk4、液体的比重、液体的比重比重：是指液体密度与标准纯水的密度之比，没有单比重：是指液体密度与标准纯水的密度之比，没有单位，是无量纲数。位，是无量纲数。标准纯水：标准纯水：a.物理学上物理学上4水为标准，水为标准，=1000kg/m3；b.工程上工程上20的蒸馏水为标准，的蒸馏水为标准，=1000kg/m3；二、二、二、二、压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性1.1.流体的压缩性流体的压缩性流体的压缩性流体的压缩性（2 2）体积压缩系数）体积压缩系数）体积压缩系数）体积压缩系数 体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数 ：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值：即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值：即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值：即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值：（m2/N）（质量质量m不变，不变，dm=d(v)=dv+vd=0，）（1 1）定义：流体的可压缩性：作用在流体上的压力变）定义：流体的可压缩性：作用在流体上的压力变）定义：流体的可压缩性：作用在流体上的压力变）定义：流体的可压缩性：作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。压缩性可用体积压缩系数体的可压缩性。压缩性可用体积压缩系数体的可压缩性。压缩性可用体积压缩系数体的可压缩性。压缩性可用体积压缩系数 来量度。来量度。来量度。来量度。（3 3）体积弹性模量）体积弹性模量流体的压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示。流体的压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示。体积弹性模量是体积压缩系数的倒数。即：体积弹性模量是体积压缩系数的倒数。即：（N/m2）与随温度和压强而变化，但变化甚微。与随温度和压强而变化，但变化甚微。2.流体的膨胀性流体的膨胀性在一定的压力下，流体的体积随温度升高而增大在一定的压力下，流体的体积随温度升高而增大的性质称为流体的膨胀性。的性质称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数流体膨胀性的大小用体积膨胀系数来表示，它表来表示，它表示当压力保持不变时，温度升高示当压力保持不变时，温度升高1K所引起的流体体所引起的流体体积的相对增加量。即积的相对增加量。即三、流体的粘性三、流体的粘性1.粘性的定义：流体内部质点之间或流层间因相对运粘性的定义：流体内部质点之间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（切力）以反抗相对运动的性质。动而产生内摩擦力（切力）以反抗相对运动的性质。2.粘性产生的原因粘性产生的原因1）分子不规则运动的动量交换形成的阻力）分子不规则运动的动量交换形成的阻力2）分子间吸引力形成的阻力）分子间吸引力形成的阻力不同的流体分子之间的内聚力和分子不规则热运动同的流体分子之间的内聚力和分子不规则热运动的动量交换程度不同。流体表现出的粘性的大小是不相的动量交换程度不同。流体表现出的粘性的大小是不相同的。同的。3.粘性的量度粘性的量度（1）粘度的定义）粘度的定义流体的粘度：粘性大小由粘度来量度。流体流体的粘度：粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。换所引起的。（2）分类）分类动力粘度动力粘度：又称绝对粘度、动力粘性系数、粘：又称绝对粘度、动力粘性系数、粘度，是反映流体粘滞性大小的系数。度，是反映流体粘滞性大小的系数。单位：单位：Ns/m2。运动粘度运动粘度：又称相对粘度、运动粘性系数。：又称相对粘度、运动粘性系数。(m2/s)（3）粘度的影响因素）粘度的影响因素动力粘度动力粘度：的数值随流体种类不同而不同，并：的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化。随压强、温度变化而变化。1）流体种类：一般地，相同条件下，液体的粘度）流体种类：一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。大于气体的粘度。2）压强：对常见的流体，如水、气体等，粘度值随）压强：对常见的流体，如水、气体等，粘度值随压强的变化不大，一般可忽略不计。压强的变化不大，一般可忽略不计。3）温度：是影响粘度的主要因素。当温度升高时，）温度：是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。液体的粘度减小，气体的粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以所产生的切应力减小，所以粘度粘度值减小。值减小。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度粘度值值增加。增加。练习一下练习一下4.粘性力（内摩擦力）粘性力（内摩擦力）由流体的粘性作用而产生的阻滞其流动的作用力，就由流体的粘性作用而产生的阻滞其流动的作用力，就称为粘性力（内摩擦力）称为粘性力（内摩擦力）。u流体与不同相的表面接触时，粘性表现为流流体与不同相的表面接触时，粘性表现为流体分子对表面的附着作用。体分子对表面的附着作用。u对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，由于流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现由于流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现由于流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现由于流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现成对的切力，称为内摩擦力。成对的切力，称为内摩擦力。成对的切力，称为内摩擦力。成对的切力，称为内摩擦力。库仑实验v把一薄圆板用细丝平吊在液体中，将圆板转过一角度后放把一薄圆板用细丝平吊在液体中，将圆板转过一角度后放开，圆板作往返摆动，逐渐衰减，直至停止，测量其衰减开，圆板作往返摆动，逐渐衰减，直至停止，测量其衰减时间。用三种圆板时间。用三种圆板 （a a、普通板，、普通板，b b、表面涂蜡，、表面涂蜡，c c、表面、表面胶一层细砂）做实验。胶一层细砂）做实验。库仑实验证明衰减原因不是圆板与液体间的摩擦，而是库仑实验证明衰减原因不是圆板与液体间的摩擦，而是液体内部的摩擦，即内摩擦。液体内部的摩擦，即内摩擦。5 5、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律1717世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的粘性。下图世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的粘性。下图世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的粘性。下图世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的粘性。下图即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，且平板面即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，且平板面即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，且平板面即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，且平板面积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。图中：图中：图中：图中：h h为两平板间的距离，为两平板间的距离，为两平板间的距离，为两平板间的距离，A A为平板面积。为平板面积。为平板面积。为平板面积。若对上板施加力若对上板施加力若对上板施加力若对上板施加力F F，并使上板以速度保持匀速直线运动，并使上板以速度保持匀速直线运动，并使上板以速度保持匀速直线运动，并使上板以速度保持匀速直线运动，则内摩擦力则内摩擦力则内摩擦力则内摩擦力T=FT=F。通过牛顿平板实验得出：。通过牛顿平板实验得出：。通过牛顿平板实验得出：。通过牛顿平板实验得出：运动的流体所产生的内摩擦力运动的流体所产生的内摩擦力(即粘性力即粘性力)的大小与的大小与与下列因素有关：与下列因素有关：u接触面的面积成正比；接触面的面积成正比；u与与与与流体的物理性质（黏度）成正比；流体的物理性质（黏度）成正比；u与两平板间的距离与两平板间的距离h成反比；成反比；u与流速与流速U U成正比；成正比；成正比；成正比；在计算时若知道流体运动的速度场就可以计算出速度在计算时若知道流体运动的速度场就可以计算出速度在计算时若知道流体运动的速度场就可以计算出速度在计算时若知道流体运动的速度场就可以计算出速度梯度，当梯度，当梯度，当梯度，当h h及及及及U U不太大时，板间沿法线方向的点流速可不太大时，板间沿法线方向的点流速可不太大时，板间沿法线方向的点流速可不太大时，板间沿法线方向的点流速可看成线性分布，即：看成线性分布，即：看成线性分布，即：看成线性分布，即：所以，牛顿内摩擦定律公式为：所以，牛顿内摩擦定律公式为：所以，牛顿内摩擦定律公式为：所以，牛顿内摩擦定律公式为：式中式中T流体层接触面上的内摩擦力流体层接触面上的内摩擦力(N)；A流体层间的接触面积流体层间的接触面积(m2)；du/dydu/dy垂直于流动方向上的速度梯度垂直于流动方向上的速度梯度(1/s)；练习题练习题四.表面张力1.内聚力、附着力、表面张力内聚力、附着力、表面张力内聚力：是分子间的相互吸引力。内聚力：是分子间的相互吸引力。附着力：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。附着力：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。2.表面张力：液体表面由于分子引力不均衡而产生表面张力：液体表面由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。的沿表面作用于任一界线上的张力。3.表面张力系数表面张力系数：是指自由液面上单位长度所受：是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。单位为到的表面张力。单位为N/m。4.毛细现象毛细现象毛细现象：是指含有细微缝隙的物体与液体接毛细现象：是指含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。rh水第四节第四节流体的分类流体的分类一一.可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体二二.粘性流体和理想流体粘性流体和理想流体三三.牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体一一.可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体压力和温度的变化都会引起流体密度的变化。任压力和温度的变化都会引起流体密度的变化。任何流体，不论是气体还是液体都是可以压缩的，何流体，不论是气体还是液体都是可以压缩的，只是可压缩程度不同而已。就是说，流体的压缩只是可压缩程度不同而已。就是说，流体的压缩性是流体的基本属性。性是流体的基本属性。u通常把液体看成是不可压缩流体。通常把液体看成是不可压缩流体。u通常把气体看成是可压缩流体通常把气体看成是可压缩流体在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。体情况而定。二二.粘性流体和理想流体粘性流体和理想流体1.粘性流体：自然界中的各种流体都是具有粘性粘性流体：自然界中的各种流体都是具有粘性的，统称为粘性流体或称实际流体。由于粘性的的，统称为粘性流体或称实际流体。由于粘性的存在，实际流体的运动一般都很复杂，这给研究存在，实际流体的运动一般都很复杂，这给研究流体的运动规律带来很多困难。为了使问题简化，流体的运动规律带来很多困难。为了使问题简化，便于进行分析和研究，在流体力学中常引入理想便于进行分析和研究，在流体力学中常引入理想流体的概念。流体的概念。2.理想流体：是一种假想的、完全没有粘性的流体。实际上这种理想流体：是一种假想的、完全没有粘性的流体。实际上这种流体是不存在的。根据理想流体的定义可知，当理想流体运动时，流体是不存在的。根据理想流体的定义可知，当理想流体运动时，不论流层间有无相对运动，其内部都不会产生内摩擦力，流层间不论流层间有无相对运动，其内部都不会产生内摩擦力，流层间也没有热量传输。这就给研究流体的运动规律等带来很大的方便。也没有热量传输。这就给研究流体的运动规律等带来很大的方便。因此，在研究实际流体的运动规律时，常先将其作为理想流体来因此，在研究实际流体的运动规律时，常先将其作为理想流体来处理。处理。应该指出应该指出，这里所说的理想流体和热力学中的理想气体理想流体和热力学中的理想气体的概念完全是两回事。的概念完全是两回事。三三.牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体1、牛顿流体：运动流体的内摩擦切应力与速度梯、牛顿流体：运动流体的内摩擦切应力与速度梯度间的关系符合于牛顿内摩擦定律的流体，称为度间的关系符合于牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。牛顿流体。所有的气体以及如水、甘油等这样一些液体都是所有的气体以及如水、甘油等这样一些液体都是牛顿流体。牛顿流体。2、非牛顿流体：实验表明，象胶液、泥浆、纸浆、油、非牛顿流体：实验表明，象胶液、泥浆、纸浆、油漆、低温下的原油等，它们的内摩擦切应力与速度梯漆、低温下的原油等，它们的内摩擦切应力与速度梯度间的关系不符合于牛顿内摩擦定律，这样的流体称度间的关系不符合于牛顿内摩擦定律，这样的流体称为非牛顿流体。为非牛顿流体。观看动画问题：按连续介质的概念，流体质点是指问题：按连续介质的概念，流体质点是指:A A、流体的分子；、流体的分子；B B、流体内的固体颗粒；、流体内的固体颗粒；C C、几何的点；、几何的点；D D、几何尺寸同流动空间相比是极小量、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含又含有大量分子的微元体。有大量分子的微元体。答案：答案：D D关闭窗口关闭窗口问题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是问题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是:A、粘性是流体的固有属性；、粘性是流体的固有属性；B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度；速率能力的量度；C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；重性；D、流体的粘度随温度的升高而增大。、流体的粘度随温度的升高而增大。答案：答案：D关闭窗口关闭窗口例题1：1.如图，在两块相距如图，在两块相距20mm的平板间充满动力粘度为的平板间充满动力粘度为0.065（Ns）/m2的油，如果以的油，如果以1m/s速度拉动距上平板速度拉动距上平板5mm，面，面积为积为0.5m2的薄板（不计厚度）。的薄板（不计厚度）。求（求（1）需要的拉力）需要的拉力F；（2）当薄板距下平面多少时？）当薄板距下平面多少时？F最小。最小。查看答案1.解（1）平板上侧摩擦切应力：平板下侧摩擦切应力：拉力：对方程两边求导，当时，此时F最小。（N/m2）（N/m2）（N）求得（2）例例2：一底面积为：一底面积为4045cm2，高为，高为1cm的木块，质量为的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动,如图所示，已知木块运如图所示，已知木块运动速度动速度u=1m/s，油层厚度，油层厚度d=1mm，由木块所带动的油层的运，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘度。动速度呈直线分布，求油的粘度。查看答案查看答案解：等速as=0由牛顿定律：（呈直线分布）q=tan-1(5/12)=22.62mgsinqA=0Fs=mas=0关闭窗口关闭窗口第一节第一节流体静压强及其特性流体静压强及其特性 第二节第二节流体平衡微分方程式流体平衡微分方程式第三节第三节流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律第五节第五节液体的相对平衡液体的相对平衡第七节第七节第七节第七节静止流体作用在曲面上的总压力静止流体作用在曲面上的总压力静止流体作用在曲面上的总压力静止流体作用在曲面上的总压力第八节第八节第八节第八节液体作用在浮体和潜体上的总压力液体作用在浮体和潜体上的总压力液体作用在浮体和潜体上的总压力液体作用在浮体和潜体上的总压力第四节第四节第四节第四节 液柱测压计液柱测压计液柱测压计液柱测压计第六节第六节第六节第六节静止流体作用在平面上的总压力静止流体作用在平面上的总压力静止流体作用在平面上的总压力静止流体作用在平面上的总压力面积面积面积面积AA上的平均流体静压强上的平均流体静压强上的平均流体静压强上的平均流体静压强P P：A点点上上的的流流体体静静压压强强P：一一.流体静压强的定义流体静压强的定义第一节第一节流体静压强及其特性流体静压强及其特性流体静压力：作用在某一面积上的总压力；流体静压力：作用在某一面积上的总压力；流体静压强：作用在某一面积上的平均压强或流体静压强：作用在某一面积上的平均压强或某一点的压强。某一点的压强。流体静压力与流体静压强的区别：流体静压力与流体静压强的区别：1、静压强的方向、静压强的方向沿作用面的内法线方向沿作用面的内法线方向原因：静止流体表面应力只能是压应力或压强，且流体不能承原因：静止流体表面应力只能是压应力或压强，且流体不能承受拉力，且具有易流动性必须受拉力，且具有易流动性必须。二、流体静压强的特性二、流体静压强的特性2、在静止流体内部，任一点的流体静压强的大小与作用面的方向、在静止流体内部，任一点的流体静压强的大小与作用面的方向无关，只与该点的位置有关。无关，只与该点的位置有关。证明证明:从平衡状态下的流体中取一微元四面体从平衡状态下的流体中取一微元四面体OABC，如图所示取坐标轴。，如图所示取坐标轴。由于液体处于平衡状态，则有由于液体处于平衡状态，则有，即各向分力投影之和亦，即各向分力投影之和亦为零，则：为零，则：x方向受力分析方向受力分析:表面力：表面力：质量力：质量力：当四面体无限地趋于当四面体无限地趋于O点时，则点时，则dx趋于趋于0，所以有：，所以有：px=p类似地有：类似地有：px=py=pz=pn说明：说明：1.1.静止流体中不同点的压强一般是不等的，一静止流体中不同点的压强一般是不等的，一 点点的各向静压强大小相等。的各向静压强大小相等。2.2.运动状态下的实际流体，流体层间若有相对运运动状态下的实际流体，流体层间若有相对运动，则由于粘动，则由于粘 性会产生切应力，这时同一点上各性会产生切应力，这时同一点上各向法应力不再相等。向法应力不再相等。3.3.运动流体是理想流体时，不会产生切应力，所以运动流体是理想流体时，不会产生切应力，所以理想流体动压强呈静水压强分布特性，即理想流体动压强呈静水压强分布特性，即 上节内容回顾上节内容回顾流体静压强的特性流体静压强的特性u流体静压强的方向沿作用面的内法线方向；流体静压强的方向沿作用面的内法线方向；u流体静压强的大小与压强的作用方位无关，只流体静压强的大小与压强的作用方位无关，只与点的位置坐标有关，即流体静压强的大小是位与点的位置坐标有关，即流体静压强的大小是位置坐标的连续函数，可表示为置坐标的连续函数，可表示为P P（x x，y y，z z）。）。第二节第二节 流体平衡微分方程式流体平衡微分方程式 一、方程推导一、方程推导u依据：牛顿第二定律。根据流体平衡的充要条件，静依据：牛顿第二定律。根据流体平衡的充要条件，静止流体受的所有力在各个坐标轴方向的投影代数和都为止流体受的所有力在各个坐标轴方向的投影代数和都为零，可建立方程零，可建立方程 ：u方法：微元分析法。在静止流体内部中取流体微团，然方法：微元分析法。在静止流体内部中取流体微团，然后对其进行受力分析，列平衡方程。后对其进行受力分析，列平衡方程。1 1.取研究对象取研究对象M平行六面体流体微团平行六面体流体微团流体的密度流体的密度:M M点的压强点的压强:单位质量力在各坐标轴单位质量力在各坐标轴的分量分别为：的分量分别为：、和和 M M点的坐标点的坐标:AB 方向受力分析方向受力分析M2.2.受力分析及方程式导出受力分析及方程式导出在在x x方向上：方向上：u 表面力表面力 A A点压强：点压强：左侧压力：左侧压力：B B点压强：点压强：右侧压力：右侧压力：u 质量力：质量力：在在x x方向上列平衡方程方向上列平衡方程化简得：化简得：同理，在同理，在Y Y、Z Z方向可以得到相同形式的方程。在三个方方向可以得到相同形式的方程。在三个方向上可写成：向上可写成：平平衡衡微微分分方方程程的的分分解解式式（欧欧拉拉平平衡衡微微分方程）分方程）说明：说明：1.1.公式的物理意义：公式的物理意义：单位质量力单位质量力压强变化率压强变化率 平衡流体中单位质量流平衡流体中单位质量流体所受的质量力与表面力在体所受的质量力与表面力在三个坐标轴方向的分量的代三个坐标轴方向的分量的代数和为零，质量力的方向是数和为零，质量力的方向是压强递增的方向。压强递增的方向。2.2.公式适用条件：公式适用条件：理想流体、实际流体；可压缩与不可压缩流体；绝对、相对理想流体、实际流体；可压缩与不可压缩流体；绝对、相对静止静止。二、压差公式二、压差公式 1.1.利用利用EulerEuler平衡微分方程式求解静止流体中静压强的平衡微分方程式求解静止流体中静压强的分布，可将分布，可将EulerEuler方程分别乘以方程分别乘以dxdx，dydy，dzdz，然后相加，然后相加，并整理得并整理得:因为因为 p pp p（x x，y y，z z），是连续可微函数），是连续可微函数,所以上式等所以上式等号左边为压强号左边为压强p p的全微分的全微分dpdp。2.2.势函数势函数 有势力有势力因为式左边是压强因为式左边是压强p p的全微分，从数学角度分析，方程式的全微分，从数学角度分析，方程式的右边也应该是某个函数的全微分：的右边也应该是某个函数的全微分：又因为又因为则有则有 对于不可压缩流体：对于不可压缩流体：constconst，压差公式可写成：压差公式可写成：称此函数称此函数U U为流场的势函数，为流场的势函数，存在势函数的质量力为有势力存在势函数的质量力为有势力。三、等压面三、等压面1.1.定义：同种连续静止流体中，静压强相等的点组定义：同种连续静止流体中，静压强相等的点组成的面。（成的面。（p pconstconst）2.2.方程：方程：由由 pconst dp03.3.等压面的性质等压面的性质 等压面就是等势面。等压面就是等势面。两种互不相混的静止流体的分界面必为等压面。两种互不相混的静止流体的分界面必为等压面。证明：在分界面上任取两点证明：在分界面上任取两点A A、B B，两点间势差为，两点间势差为dUdU，压差为，压差为dpdp。且A AB B因为是相同的两点且两种流体密度不同：因为是相同的两点且两种流体密度不同：所以只有所以只有dU0和和dp=0时，方程才成立。时，方程才成立。作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面。等压面。证明：沿等压面移动无穷小距离证明：沿等压面移动无穷小距离单位质量力：单位质量力：所以：所以：所以：所以：因为在等因为在等压面上压面上2211注意注意等压面的性质适用于同种连续的静止流体等压面的性质适用于同种连续的静止流体不连续不连续流体种类不同流体种类不同第三节第三节 流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律 欧拉平衡微分方程式是流体静力学的最一欧拉平衡微分方程式是流体静力学的最一般的方程组，它代表流体静力学的普遍规律，般的方程组，它代表流体静力学的普遍规律，它在任何质量力的作用下都是适用的。但在自它在任何质量力的作用下都是适用的。但在自然界和工程实际中，经常遇到的是作用在流体然界和工程实际中，经常遇到的是作用在流体上的质量力只有重力的情况。作用在流体上的上的质量力只有重力的情况。作用在流体上的质量力只有重力的流体简称为重力流体。质量力只有重力的流体简称为重力流体。一、重力作用下流体静压强的基本方程一、重力作用下流体静压强的基本方程重力作用下静止流体质量力：重力作用下静止流体质量力：代入流体平衡微分方程的综合式代入流体平衡微分方程的综合式式中式中C为积分常数，可由边界条件确定。为积分常数，可由边界条件确定。在自由液面上有：在自由液面上有：时时代入上式有代入上式有:静力学基本方程：静力学基本方程：这就是重力作用下的流体平衡方程，通常称为流体静力学基本这就是重力作用下的流体平衡方程，通常称为流体静力学基本方程。它适用于平衡状态下的不可压缩均质重力流体。方程。它适用于平衡状态下的不可压缩均质重力流体。或或当当时，时，结论：结论：结论：结论：n n 1.1.1.1.仅在重力作用下，静止流体中某仅在重力作用下，静止流体中某一点的静水压强随深度按线性规律增一点的静水压强随深度按线性规律增加。加。2.2.仅在重力作用下，静止流体中某一点的静水压仅在重力作用下，静止流体中某一点的静水压强等于表面压强加上流体的容重与该点淹没深度强等于表面压强加上流体的容重与该点淹没深度的乘积。的乘积。3.3.自由表面下深度自由表面下深度h h相等的各点压强均相等相等的各点压强均相等只只有重力作用下的同一连续连通的静止流体的等压有重力作用下的同一连续连通的静止流体的等压面是水平面。面是水平面。练习一下练习一下二、重力作用下流体静压强的分布规律二、重力作用下流体静压强的分布规律重力作用下的静水力学基本重力作用下的静水力学基本方程又可写为：方程又可写为：或或:结论：在同一种液体中，无论哪一点结论：在同一种液体中，无论哪一点结论：在同一种液体中，无论哪一点结论：在同一种液体中，无论哪一点(Z+P/)(Z+P/)总是一个常数。总是一个常数。总是一个常数。总是一个常数。能量意义：能量意义：式中式中表示单位重量流体的压力能，称为比压力能。因为压力表示单位重量流体的压力能，称为比压力能。因为压力为为p、体积为、体积为V的流体所做的膨胀功为的流体所做的膨胀功为pV，则单位重量物体所，则单位重量物体所具有的压力能为：具有的压力能为：pV/G=p/。比位能比位能z和比压力能和比压力能p/的单位都是焦耳的单位都是焦耳/牛顿。牛顿。z表示单位重量流体相对于某一基准面的位能，称为比表示单位重量流体相对于某一基准面的位能，称为比位能。从物理学得知，把质量为位能。从物理学得知，把质量为m的物体从基准面提升一的物体从基准面提升一定高度定高度z后，该物体所具有的位能是后，该物体所具有的位能是mgz，则单位重量物体，则单位重量物体所具有的位能为：所具有的位能为：(mgz)/(mg)=z。比位能与比压力能之和称为单位重量流体的总势能。比位能与比压力能之和称为单位重量流体的总势能。重力作用下静止流体中各点的单位重量流体的重力作用下静止流体中各点的单位重量流体的总势能是相等的。这就是静止流体中的能量守恒定总势能是相等的。这就是静止流体中的能量守恒定律。律。几何意义：几何意义：位置水头位置水头z：任一点在基准面：任一点在基准面0-0以上的位置高度，以上的