第一章-流体力学绪论教学文案
《流体力学》教案第一章流体及其主要物理性质
前言流体力学是力学的一门重要分支。
它是运用力学中的基本规律，研究流体平衡及其运动规律的一门学科。
这门课侧重于流体力学在工程实际中的应用，而对于我们专业来讲，则主要是研究流体力学中的不可压缩流体的平衡及运动规律部分，因为我们经常会遇到的有关水面舰艇、潜艇及鱼雷的运动问题，都是在海水中进行的，而我们一般认为海水的密度为常数，即海水为不可压缩流体。
关于流体的压缩性（可压或不可压），我们在下一节中再详细阐述。
下面就流体力学的发展简史，它的研究方法和内容，这门课程在本专业中的地位与作用等三方面的问题进行说明。
1、流体力学的发展简史流体力学成为一门完整的学科，是经历了一个漫长的历史过程。
人类最早对流体的认识是从供水、灌溉、航行等方面开始的。
例如我国古代传说中的大禹治水的故事及李冰父子在四川修建的都江堰水利工程都是劳动人民利用流体的知识去改造大自然的光辉范例。
在流体力学领域中，最早的一部科学著作是公元前250年由阿基米德所著的《论浮体》，书中精确的给出了著名的“阿基米德原理”，但在这之后的相当长时间里，流体力学几乎没有什么显著进展。
随着欧洲资本主义萌芽的产生，到十七世纪末流体力学又有了许多成就，托里拆利的孔口出流公式、巴斯卡原理、牛顿内摩擦定律等都是当时在流体力学领域内取得的成就，但这些成就都是离散的，孤立的，还不足以使流体力学发展成为独立的学科体系。
流体力学成为独立的一门学科是开始于十八世纪伯诺利（D.Bernonlli）方程和欧拉（L.Euler）方程的建立，十九世纪初期和中期，纳维埃（L.Navier）和斯托克斯（G..G..Stocks）发表了非常著名的粘性流体的运动方程式（即N-S方程）。
十九世纪末，雷诺（O.Regnolols）发现了流体的两种完全不同的流动状态，即层流和紊流。
二十世纪以来，这门科学的发展很快，库塔（W.M.Kutta）和儒可夫斯基（H.E.Joukowski）发表了机翼的升力理论，为航空事业的发展奠定了坚实的理论基础，普朗特（L.Prardtl）提出了边界层理论，这些理论对流体力学开始脱离经典式的理论研究而与工程实际相结合起着很大的作用。
流体力学教学大纲
中央广播电视大学“开放教育试点”土木工程专业(专升本)流体力学课程教学大纲中央广播电视大学2001年12月《流体力学》教学大纲第一部分大纲说明一、课程的性质与任务流体力学是中央广播电视大学“开放教育试点”工学科土建类土木工程专业的一门公共必修课程。
该课程的主要任务是使学生掌握流体（水流）运动的一般规律和有关的基本概念、基本原理、基本方法和一定的试验技能，注意培养学生发现和解决问题的能力，为学习专业课程、从事专业技术工作或进行科学研究打下基础。
二、课程的教学基本要求学生学完本课程后应达到下列基本要求：1．具有一定的理论基础。
正确理解流体力学的基本概念。
掌握连续性方程、能量方程、动量方程的应用。
掌握水流运动的分析方法。
认识量纲分析与实验的关系。
2．对工程中的一般流体问题具有分析和计算的能力。
3．掌握一定的实验技能与方法，具有测量运动参数、分析实验数据和编写实验报告的能力。
三、课程教学要求的层次有关定义、定理、性质、特征等概念的内容按“知道、了解、理解”三个层次要求；有关计算、解法、公式、法则等方法的内容按“会、掌握、熟练掌握”三个层次要求；实验按“观察、学会、能、测定、掌握、应用”六个层次要求。
第二部分学时、教学安排、教材与教学环节一、学时分配与学分1．学时分配本课程共72学时2．学分本课程共4学分。
二、教学安排流体力学课程安排在第三学期，一个学期完成全部教学任务。
三、文字教材根据远距离教育要求，本课程的文字教材以文字主教材和文字辅助教材两部分组成，并采用合一式编排。
文字教材是学生学习课程的主要用书，主教材部分的内容是课程的基本内容，是教学的主要依据。
辅教材部分的内容是对主教材相应内容进行归纳、总结，通过例题与习题，帮助学生理解和掌握课程的内容。
文字教材是学生获得知识和提高能力的重要媒体之一，教材的内容要具有科学性，概念叙述要准确无误，方法的阐述要详细，论证要清楚，要体现远程开放教育的特点，要适合成人、以业余学习为主的特点，要便于自学。
建环《流体力学》课程教案
《流体力学》课程教案（建筑环境与设备工程专业）第一章绪论1．本章的教学目标及基本要求本章为绪论，涉及到流体的定义、作用在流体上的力、流体的基本物理性质和流体的力学模型。
通过本章的教学，要求学生了解流体力学在本学科及相关工程技术领域内的地位和作用，掌握流体与固体的典型区别，连续介质模型、不可压缩流体和理想流体的定义，了解流体的主要物理性质；掌握流体的受力分析方法，能够正确应用牛顿内摩擦定律分析解决液膜条件下流体的运动及及其与固体间的相互作用问题。
2．本章各节教学内容（列出节名）及学时分配本章教学内容分2单元，每单元2学时单元1：流体力学在本学科中的地位和作用，流体的定义与特点，，作用在流体上的力;流体的惯性, 流体的粘性；习题1-1, 4单元2：流体的粘性，压缩性与膨胀性, 不可压缩流体和理想流体的概念，流体的连续介质模型；习题1-7，8，123．本章教学内容的重点和难点本章的重点是：本章的教学任务是让学生初步建立起流体及流体力学的基本概念，重点放在流体与固体的本质区别，描述流体的基本模型及流体的主要物理性质。
本章的难点是：熟练、正确进行受力分析；正确运用牛顿内摩擦定律分析求解液膜条件下流体的运动及及其与固体间的相互作用问题。
4. 本章教学内容的深化和拓宽；介绍不可压缩流体的概念及其工程应用意义，说明粘性的外部特性与内部特性的区别。
5．本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题；本章涉及到较多的物理基本概念，注意时刻提醒学生从最基本的物理现象出发去理解和把握物理概念，在受力分析及应用过程中注意结合以往课程的内容和知识，帮助学生逐步建立将所学知识与工程实际应用相结合的思维习惯。
教学方式以课堂教学为主。
6．本章的主要参考书目；●屠大燕主编·流体力学与流体机械·北京：中国建筑工业出版社，1999●刘鹤年编·水力学·北京：中国建筑工业出版社，1999●李玉柱苑明顺编·流体力学·北京：高等教育出版社，1998●汪兴华·工程流体力学习题集·北京：机械工业出版社，1983●周光炯等编·流体力学·第2版·北京：高等教育出版社，2000●潘文全·工程流体力学·北京：清华大学出版社，1988●Vennard J K and R L Street. Elementary Fluid Mechanics. 6th ed. New York: JohnWiley & Sons,1982●Clayton T.Crowe, Donald F. Elger and John A. Roberson. Engineering Fluid Mechanics.7th ed. New York: John Wiley & Sons,2001●山东工学院东北电力学院·工程流体力学·北京：电力工业出版社，1980●陈卓如主编·工程流体力学·北京：高等教育出版社，19927．本章的思考题和习题等。
流体力学教学资料 1-PPT精选文档25页
第五节 表面张力
a
n
气体
表面张力：是液体自由面上分子引力
液体
a 大于斥力而产生的沿表面每单位长度
切向拉力 [N/m]
二维液体表面张力
p p 0 R 2s in 2 2 2
a
气体
pp0/R 曲率半径
液体
n
a
毛细现象 是接触角，与液体，固体性质有关
900
900
gd2hdcos
4
h 4 cos gd
毛细管液体爬高
水
水银
毛细现象不仅与液体性质、固壁材料、液面上方气体性 质等因素有关，也与管径的大小有关。管径越小，毛细 现象越明显。
谢谢！
xiexie!
流体微团（流体质点）是大量流体分子的集合， 在宏观上是无限小体积。
1 mm 3 体积有 3.31019 个水分子，2.71016 气体分子 以工程的尺度观察，1 mm 3 流体微团 非常微小 以水分子的尺度观察，1 mm 3 流体微团 非常巨大
流体由分子组成，分子不断地运动并且相互碰撞，分 子的运动是不规律的。
如果对微小流体团里所有分子的物理参数进行统计平 均，并把统计平均值作为流体微团的相应物理参数， 只要这样的微团相对于物理参数宏观变化的特征尺寸 足够小，微团上和微团间的参数变化就能够充分反映 出流体的宏观运动特征。
流体力学测量仪器能够反映出来的也正是这样一些宏 观物理参数，而这些宏观物理参数表征的是许许多多 个分子上相应物理参数的统计平均值。
流体力学的任务：在一定的空间体积里，研究流体微团宏 观运动、受力和能量变化的规律。
失效情况：稀薄气体 激波 微尺度流动 (厚度与气体分子平均自由程同量级)
第一章 流体力学 绪论
化，从而容易得出理论分析的结果。所得结果，对于某
些粘性影响很小的流动，能够较好地符合实际；对粘性 影响不能忽略的流动，则可通过实验加以修正，从而能 比较容易地解决实际流动问题。
例1-1. 一底面积为40cm×45cm，高1cm的木块，质量为5kg，沿着 涂有润滑油的斜面等速向下运动。已知速度v=1m/s，δ=1mm，求润滑 油的动力粘度系数。
运动粘度
动力粘度
，单位：m2/s 同加速度的单位
说明：1）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。 2）液体粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。（见 P7水的粘度和空气的粘度）
液体 吸引力 T↑ μ↓ 微观机制： 气体 热运动 T↑ μ↑
d 无黏性流体
无粘性流体，是指无粘性即μ=0的液体。无粘性液体实际上
第一章 绪论
本章导读
§1.1流体力学及其任务
§1.2作用在流体上的力 §1.3流体的主要物理性质 §1.4牛顿流体和非牛顿流体
本章小结
§1.1 流体力学及其任务
1. 研究对象：流体
⑴定义：所谓流体就是液体和气体的合称。
⑵基本特征是具有流动性。
所谓流动性是指流体的微小切力作用下，连续变
P
RT
式中：P —— 气体的绝对压强（Pa）； ρ —— 气体的密度（Kg/cm3）； T —— 气体的热力学温度（K）； R —— 气体常数；在标准状态下，
R 8314 ( J / Kg K ) M
，M为气体的分子量，空气的气体常数R=287J/Kg．K。
适用范围：当气体在很高的压强，很低温度下，或接近于液态时，其 不再适用。
流体力学第1章绪论
f p
斜压流体：
f ( p,T )
21
1.4 流体的界面现象和性质
1. 互不掺混流体界面上存在表面张力 （surface tension） 2. 流体与固壁界面表面张力
毛细现象：气、液、固三种界面之间的浸润作用。 3.流-固界面上速度的连续性
粘性流体：界面上流体速度和固体运动速度相等。
v vb （无滑移条件）
际不尽相符，或数学上求解方程的困难，不能满意地解决工程问题，故 而形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”；
6
1.1 流体力学的研究对象及意义
江苏科技大学
3、从十九世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合以解 决实际问题，“古典流体力学” 和“实验流体力学”的内容也不断更 新。在此基础上，最终形成了理论与实际并重的现代流体力学；这期间， 英国工程师、物理学家雷诺阐明了相似原理，流体流动有层流和湍流两 种形态，判别准数雷诺数，雷诺方程。英国物理学家、数学家瑞利提出 了量纲分析求流动相似准则。
理想流体：界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上流 -固速度的法向投影相等
v n vb n（不可穿透条件）
22
1.5 作用在流体上的质量力和表面力
1.5.1 质量力（体积力）：
透过物质传递的力。分离体内任取一微元体积，其质量为
有 m
f (x, y, z) lim F 1 lim F dF
江苏科技大学
1.1.3 工程应用
流体力学已广泛用于国民经济的各个领域。
在水利建设中：如防洪、灌溉、航运、水力发电、河道整治等；
在航空航天中：如航天飞机、人造卫星等;
在国民经济的其他技术部门中：如机械工程中的润滑、液压传动； 船舶的行波阻力；市政工程中的通风、通水，高层建筑的受风作用； 铁路、公路隧道中的压力波传播、汽车的外形与阻力的关系；血液在 人体内的流动；污染物在大气中的扩散等。
《流体力学》第一章绪论
欧拉法
以空间固定点作为研究对 象，通过研究流体质点经 过固定点的速度和加速度 来描述流体的运动。
质点导数法
通过研究流体质点在单位 时间内速度矢量的变化率 来描述流体的运动。
流体运动的分类
层流运动
流体质点沿着直线或近似的直线路径运动，各层 流体质点互不混杂，具有规则的流动结构。
湍流运动
流体质点运动轨迹杂乱无章，各流体质点之间相 互混杂，流动结构复杂多变。
流体静力学基础
总结词
流体静力学基础
详细描述
流体静力学是研究流体在静止状态下的力学性质的科学。其基础概念包括流体静压力、流体平衡的原理等，这些 原理在工程实践中有着广泛的应用。
03
流体运动的基本概念
流体运动的描述方法
01
02
03
拉格朗日法
以流体质点作为研究对象， 通过追踪流体质点的运动 轨迹来描述流体的运动。
《流体力学》第一章 绪论
目录
• 流体力学简介 • 流体的基本性质 • 流体运动的基本概念 • 流体动力学方程 • 绪论总结
01
流体力学简介
流体力学的定义
流体力学是研究流体（液体和气体） 的力学性质和运动规律的学科。
它涉及到流体在静止和运动状态下的 各种现象，以及流体与其他物体之间 的相互作用。
波动运动
流体在压力、温度、浓度等外部扰动作用下产生 波动现象，如声波、水波等。
流体运动的守恒定律
动量守恒定律
流体系统中的动量总和在封闭系统中保持不变，即流入和流出封 闭系统的动量之差等于系统内部动量的变化量。
质量守恒定律
流体系统中质量的增加或减少等于流入和流出封闭系统的质量流量 之差。
能量守恒定律
古希腊哲学家阿基米德研 究了流体静力学的基本原 理，奠定了流体静力学的 基础。
流体力学讲义第一章绪论
流体⼒学讲义第⼀章绪论第⼀章绪论本章主要阐述了流体⼒学的概念与发展简史；流体⼒学的概述与应⽤；流体⼒学课程的性质、⽬的、基本要求；流体⼒学的研究⽅法及流体的主要物理性质。
流体的连续介质模型是流体⼒学的基础，在此假设的基础上引出了理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、⽜顿流体与⾮⽜顿流体概念。
第⼀节流体⼒学的概念与发展简史⼀、流体⼒学概念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的技术科学。
流体⼒学所研究的基本规律，有两⼤组成部分。
⼀是关于流体平衡的规律，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，这⼀部分称为流体静⼒学；⼆是关于流体运动的规律，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与能量转换等，这⼀部分称为流体动⼒学。
流体⼒学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应⽤物理学及理论⼒学中有关物理平衡及运动规律的原理，如⼒系平衡定理、动量定理、动能定理，等等。
因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。
所以物理学和理论⼒学的知识是学习流体⼒学课程必要的基础。
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⼏类：能源动⼒类：⽔利类流体⼒学：⾯向⽔⼯、⽔动、海洋等；机械类流体⼒学：⾯向机械、冶⾦、化⼯、⽔机等；⼟⽊类流体⼒学：⾯向市政、⼯民建、道桥、城市防洪等。
⼆、流体⼒学的发展历史流体⼒学的萌芽，是⾃距今约2200年以前，西西⾥岛的希腊学者阿基⽶德写的“论浮体”⼀⽂开始的。
他对静⽌时的液体⼒学性质作了第⼀次科学总结。
流体⼒学的主要发展是从⽜顿时代开始的，1687年⽜顿在名著《⾃然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻⼒、波浪运动，等内容，使流体⼒学开始成为⼒学中的⼀个独⽴分⽀。
此后，流体⼒学的发展主要经历了三个阶段：1.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析⽅法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从⽽在此基础上形成了⼀门属于数学的古典“⽔动⼒学”（或古典“流体⼒学”）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、 航空航天航海 由于空气动力学的发展，使飞机能够飞上蓝天。
人类研制出3倍音速的战斗机。
使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客 机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人 类技术史上的奇迹。
排水量达50万吨以上的超大型运输船
2、能源动力交通 单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台
海洋石油钻井平台
用多相流动理论设计制造的大型气轮机、水轮机、 涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千 瓦的强大动力。
大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的 设计和建造离不开水力学和风工程的理论知识。
长江三峡工程
流体力学在土木工程中的应用：
（1）在建筑工程中的应用 解决风对高层建筑物的荷 载作用、建筑物外墙的风压、建筑物在强风作用下的 摆动等结构安全性问题，即风振问题；基坑排水、地 下水渗透、水下和地下建筑物的受力分析；围堰修建； 海洋平台在水中的受力和抵抗外界扰动的稳定性等。
（5）水利水电工程中的应用 水利水电工程对流体 力学的要求更广、更深，需要水力学课程的知识， 才能满足工程设计的需要。
1.1.2 流体力学发展史
第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段
公元前250年
论浮体
流体力学第一部著作
阿基米德：古希腊数学家、力学 家，静力学和流体静力学的奠基 人
流体静力学
第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成 为一门独立学科的基础阶段
实验方法了解水流形态 沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管 道、明渠中水流等问题
水力学
1612年
潜体的沉浮原理
在流体静力学中应用了虚位移原理，并 首先提出，运动物体的阻力随着流体介 质密度的增大和速度的提高而增大。
周培源（ 1902－1993)。 1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理
论学家、流体力学家主要从事物理学的基 础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦 广义相对论引力论和流体力学中的湍流理 论的研究与教学并取得出色成果。
吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的《在 轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶 轮机械中的三元流普遍理论》和在1975年发 表的《使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元 流动的基本方程及其解法》两篇论文中所建 立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外 许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。
能量方程 动量方程
2、流体力学研究方法
理论研究方法（较严密的数学推理） 力学模型→物理基本定律→求解数学方程→分析和揭示流 体运动的本质和规律。
实验方法 相似理论→建立物理模型→模型实验→揭示流体的规律。
数值模拟方法（计算机现代分析手段） 建立数学物理方程→数值计算→求解方程，得到模拟区域 内任.3 流体力学的任务
流体力学是力学的一个分支。研究流体的平 衡和运动规律，以及这些规律在工程中的应用。
研究对象： 液体和气体。本课程主要介绍液体。
1、研究内容
平衡规律
绝对静止 相对静止
流体静力学 压力分布 压力计算
流动规律
流体运动
流体运动学 微团运动
势流运动
流体动力学
流、固体相互作用
力与流动关系
理想流体平衡 微分方程
流体静力学
欧拉：瑞士数学家、力学 家、天文学家、物理学家， 变分法的奠基人，复变函 数论的先驱者，理论流体 力学的创始人。
理想流体运动 微分方程
流体动力学基础
纳维尔
斯托克斯
N－S方程
黏性流体运动微分方程 流体动力学基础
第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展
• 理论分析与试验研究相结合 • 量纲分析和相似性原理起重要作用
真州船闸 北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪 末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。 潘季顺
明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建 坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则， 并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一揽》。 流量
清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过 水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。
1883年 雷诺——雷诺实验（判断流态） 1903年 普朗特——边界层概念（绕流运动） 1933-1934年 尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻 力系数） …… 流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和 交叉学科。
1883年
雷诺：英国力学家、物理学家和 工程师。杰出的实验科学家。
层流、紊流
（公元前302-235）
都江堰
李冰
钱学森，浙江省杭州市人， 他在火箭、 导弹、航天器的总体、动力、制导、气 动力、结构、材料、计算机、质量控制 和科技管理等领域的丰富知识，为中国 火箭导弹和航天事业的创建与发展作出 了杰出的贡献。1957年获中国科学院自 然科学一等奖，1979年获美国加州理工 学院杰出校友奖，1985年获国家科技进 步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章 和世界级科学与工程名人称号，1991年 被国务院、中央军委授予“国家杰出贡 献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。
（2）在市政工程中的应用 桥涵孔径设计；大跨度桥 梁的抗风问题；城市排水、管网计算、泵站和水塔的 设计、取水工程、输水配水工程、水处理等。
（3）在城市防洪工程中的应用 河道的过流能力、 防洪闸堤的过流能力、堤坝的作用力和渗流问题等。
（4）在建筑环境和设备工程中的应用 供热、通 风、空调设计和设备选用等。
伽利略
流体静力学
1643年
托里切利
1650年
帕斯卡
孔口泄流公式 液体中压力传递定律
1686年
《自然哲学的数学原理》
流体黏性
牛顿内摩擦定律
牛顿：英国伟大的数学 家、物理学家、天文学 家和自然哲学家。
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向 发展——欧拉（理论）、伯努利（实验） 1755年
雷诺应力
黏性流体的一维定常 流动
1904年
普朗特
德国力学家。现代流体力学的创始 人之一。边界层理论、风洞实验技 术、机翼理论、紊流理论等方面都 作出了重要的贡献，被称作空气动 力学之父。
1912年
卡门涡街
卡 门：美国著名 空气动力学家
解释机翼张线的"线鸣 "、水下螺旋桨的"嗡 鸣"
流体力学在中国