《工程流体力学基础》ppt课件

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1、工程流体力学教研室2007年5月流体力学远程教学电子文档兰州交通大学环境与市政工程学院总负责:孙三祥副教授技术负责:张永秋副教授第一章绪论第一节流体力学及其任务第二节流体力学及其任务第三节作用在流体上的力第四节流体的主要物理性质第五节牛顿流体和非牛顿流体第一节流体力学及其任务一、流体力学的研究对象1.基本概念流体力学是研究流体的机械运动规律及其应用的科学，是力学的分支学科。它是相对于一般力学和固体力学而言的。流体力学的内容包括三个基本部分：流体静力学、流体运动学和流体动力学，流体静力学是研究流体（以水为代表的液体和以空气为代表

2、的的气体）在静止状态下的力学规律及其应用，它的结论对理想流体和粘性流体均适用。流体运动学是研究流体的运动规律与力学规律及其应用的学科。而流体运动学是一门研究流体的运动规律及其应用的学科。2.流体力学假设：从物理学中已经知道，一切物质是由分子构成的。物质一般有三态即固态、液态和气态。流体就包括了物质三态中的液态和气态两态，流体的基本特征是具有流动性。所谓流动性是指流体的在微小剪力作用下连续变形的特性。固体一般情况下没有流动性，在剪力作用下可以维持平衡。所以流动性是区别流体和固体的力学特征。实际上有些固体在特定的条件下也具有流动性

3、，譬如沙在受热或扰动的情况下的流动。本课程仅仅研究流体的有关问题。固体分子运动主要是围绕分子的平衡位置振动，而流体分子的运动还有平移和旋转运动。因此，在宏观上，固体有固定形状；而流体则易于流动变形，没有固定的形状，其中，液体一般具有不可压缩的特性，有着固定的容积，一定量的液体不论在容器中(只要容器足够大)或无限空间中，总是占有一定量的容积，不会充满于整个容器或无限空间的。这时的液体总有一部分表面与周围的空气或其他气体介质相接触，我们称之为自由表面。若周围的介质是别的不相混和的液体，则这种表面称为液体分界面或简称分界面。故在流体

4、力学中我们假设液体是一种容易流动、不易压缩、均质、等向、有粘性的连续介质。在发生水击应考虑其压缩性，而在产生汽蚀水击汽蚀时需考虑其非连续性，此内容详见相关教材或参考书。气体与液体有所不同，它具有明显的压缩性，无固定容积，充满于容器的整个空间，无自由表面。故在流体力学中我们假设气体是一种容易流动、容易压缩、均质、等向、无粘性的连续介质。在低速的空气流动中，气体的压缩性并不明显，与液体的流动遵循相同的运动规律，对空气来说，当其速度相当于音速的40％左右时，则气体的压缩性就不能忽略不计了，这时气体的运动规律将由气体动力学来进行研究。

5、（录象）布朗运动（录象）表面张力a（录象）表面张力b（录象)粘性b（录象）粘性a二、流体力学的分类是按其研究内容的侧重点不同，分为理论流体力学和工程流体力学，理论流体力学主要运用严密的数学推理方法，力求结果的准确性和严密性；工程流体力学则侧重于解决工程实际中出现的问题，而不去追求数学上的严密性。从历史发展角度分为古典流体力学、试验流体力学和现代流体力学，古典流体力学是在古典力学基础上，运用严密的数学工具，建立有关理想流体及实际流体的基本运动方程，但实际情况往往比理论假设不符。实验流体力学是工程技术人员用实验方法制定一些经验公式

6、，满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础。近来发展成的现代流体力学是由实验方法和理论分析相结合，实践和理论并重的学科。目前流体力学已经发展出许多分支，如：《环境流体力学》、《计算流体力学》、《高等流体力学》、《电磁流体力学》、《化学流体力学》、《生物流体力学》、《高温气体力学》、《非牛顿流体力学》、《工业流体力学》、《随机水流体力学》、《坡面流体力学》、《高速流体力学》、《流体动力学》、《空气动力学》、《多相流体力学》、《实验流体力学》、《爆破力》等。在公路与桥梁工程中，在地下建筑、岩土工程、水工建筑、矿井建筑等土木工程等各个分

7、支中，也只有掌握好流体的各种力学性质和运动规律，才能有效地、正确地解决工程实际中所遇到的各种流体力学问题。三、连续介质模型1.连续介质假设在流体力学中假设流体是一种由密集质点（大小与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微元）组成、内部无空隙的连续体。与一切物体一样。流体是由大量分子所组成，而分子之间由于其相互吸引和排斥的分子力之作用，所有分子都在时刻不停地在运动着。液体和气体的分子运动，比一般固体更为激烈，上面所谓流体的平衡和运动规律，不包括这里所说微观上的分子运动。流体力学所要研究的是流体在宏观上的平衡和

8、运动规律具体地说就是由外部原因，比如重力、压力差摩擦力等作用所引起的宏观运动，若把物体的平衡状态，作为运动状态的特例，那么，流体力学的研究任务，就可简单地说成是研究流体的宏观运动规律。流体力学研究流体宏观机械运动的规律，也就是大量分子同机平均的规律性1755年瑞士数学家和力学