《流体力学》课件-(第1章 绪论)
流体力学
流体
强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用 土建类专业常用
力学
宏观力学分支 遵循三大守恒原 理
水力学
水
力学
§1.1.1 流体力学的任务和研究对象
二、研究对象 流体 指具有流动性的物体，包括气体和 液体二大类。
流动性
•即 任 一 微 小 剪
切力都能使流体 发生连续的变形
•
流体的共性特征
基本特征：具有明显的流动性；气体的流动性大于液体。 流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力
二. 表面力 是指作用在所研究的流体表面上的力，它是相邻流 体之间或固体壁面与流体之间相互作用的结果。 它的大小与流体的表面积成正比； 方向可分解为切向和法向。
• 设 面 积 为 ΔA 的 流 体
nFLeabharlann 面元，法向为 n ，指 向表面力受体外侧， 所受表面力为 ΔF ，则 应力
F f n lim A0 A
第一阶段：古典流体力学阶段 奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D．)和他的 亲密朋友欧拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推导出了著 名的伯努利方程，欧拉于1755年建立了理想流体运动微分 方 程 ， 以 后 纳 维 (Navier,C .H.) 和 斯 托 克 斯 (Stokes ， G．G．)建立了粘性流体运动微分方程。拉格朗日 （Lagrange）、拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人， 将欧拉和伯努利所开创的新兴的流体动力学推向完美的分 析高度。
第1章 绪论 第2章 流体静力学 第3章 一元流体动力学理论基础 第4章 流动阻力与能量损失 第5章 孔口、管嘴出流和有压管流 第6章 量纲分析与相似原理
第一章 绪论
流体力学的任务与研究对象
流体的受力
流体的物理特性 思考题
内容提要 本章主要阐述了流体力学的概念；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。
•
我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来 很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。
四.液体的表面张力和毛细现象
• 表面张力
由于分子间的吸引力，在液体的自由表面能够 承受极其微小的张力，这种张力称为表面张力。
* * * *
气体不存在自由表面，也就不存在表面张力。 表面张力是液体特有的性质。 表面张力可产生在液气、液固、液液接触面上。 表面张力可产生附加压力使自由面弯曲。
第二节 作用于流体上的力
无论静止或运动的流体都受到外力的作用，作用在 流体上的力按其性质（作用方式）的不同，可分为： 质量力 表面力
一. 质量力
重力场；惯性力，磁 力场；电力场
是指在某种力场中，作用在流体的每一个质点上的力。 它的大小与流体的质量成正比； 方向由力场的性质决定。
• 单位质量力f
分解为三个分力：
p
V
p+Δp
V-ΔV
压缩性表征量
① 体积压缩系数 :
1 dV 1 d p V dp dp
E 1 V
Pa-1
② 体积弹性模量 :
dp dp Pa dV d
α p越大，流体越易压缩
E 越大，流体越不易压缩
膨胀性表征量 ① 体积膨胀系数 :
1 dV 1 d v V dT dT
密度的影响因素 流体的密度和温度和压强有关。
对气体:
温度和压强对密度影响很大，不可视为常数。
f (T , P)
对液体:
p RT 关系式：
温度和压强对其密度影响很小，可视为常数。
C （不可压缩流体）
常用的流体密度
1大气压，40C 1大气压，100C
3
水 1000kg/m
固体
是否容易 被压缩？ 易 不易
能否形成 自由表面？ 否 能
•
流体力学（水力学）的主要研究内容
①流体在外力作用下，静止与运动的规律； 研究内容 ②流体与 边界 的相互作用。
固定边界：水工 建筑物、河床、 海洋平台等
运动边界：飞 机、船只等
•
与流体力学相关的工程领域和学科
空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力 学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的 应用，对工科专业来讲，其重要性不言而喻。 流体力学 水 利 采 矿 航 空 航 天
位质量力f水和f水银的大小？
f水=f水银
•试问自由落体和加速度a向x方
向运动状态下的液体所受的单 位质量力大小（fX. fY. fZ）分 别为多少？ 自由落体：fX＝fY=0,fZ=0
加速运动：fX=-a,fY=0,fZ=-g
水力学课程中使用的单位制
SI 国际单位制（米、公斤、秒制）
三个基本单位
长度单位：m（米）
h
液体的内聚力小于它同固体附着力，液体沿固壁向外 延展，液面向上弯曲，表面张力使其上升。
△P
ΔA0
△F
的含义为面元趋于面 元上的某定点，所以应力是 定义在流体面上一点处的。 同一点处的应力还与作用面 的方位有关，所以须将作用 面的法向用脚标指明。
△A 隔离体
A
△T
图1.3.1 表面力
•
应力fn 是矢量，可向作用面的法向或切向投影，分解成法 应力和切应力。
p dP P lim dA A0 A
表面张力系数
表征量
自由表面上单位长度的流体线所受到的拉力。N/m
•接触角
当液固接触时，液体表面的切面与固体壁 在液体内部所夹的角。
θ
θ<90°；液体润湿固体
θ h θ
h
θ > 90°；液体不润湿固体
•毛细现象
将一小管插入液体中，管内液体升高或降低，称为毛细现象. 它是由表面张力和接触角引起的。
θ h θ
质量单位：kg（公斤） 时间单位：s（秒）
导出单位，如： 密度 单位：kg/m3 力的单位：N（牛顿），1 N=1 kgm/s2
应力、压强单位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2
动力粘性系数 单位：Ns/m2 =Pas
运动粘性系数 单位：m2/s
体积弹性系数 K 单位： Pa
第三节 流体的主要物理性质
单位质量的流体所受到的力场作用力。
f ( fx, f y , fz )
N
•
• 重力
作用在流体上的质量力
流体在重力场中受到重力。
重力场中：
f (0,0, g )
• 惯性力
研究流体的相对平衡时，虚加在流体上 的惯性力。（使动力学问题变为静力学问题）
大小等于质量与加速度的乘积
方向与加速度的方向相反
基本假设
数学模型 模型试验
数学模型
数值模型 量测数据
解析表达
数值解 换算到原型
数值计算
实验研究
优 势
理论分析 实验研究
局 限
对 流 动 机 理 解 析 表 受基本假设局限，少数 达，因果关系清晰。 情况下才有解析结果。
直接测量流动参数， 成本高，对量测技术要 找到经验性规律。 求高，不易改变工况， （模型试验） 存在比尺效应。 数值计算 扩大理论求解范围， 受理论模型和数值模型 成本低，易于改变工 局限，存在计算误差。 况，不受比尺限制。
惯性
压缩性和膨胀性
黏性
表面张力和毛细现象
一.流体的惯性
• 惯性
惯性是指物体维持原有运动状态的能 力的性质。
表征量：密度 单位体积流体的质量。[ML-3] ; 对于均质流体: 对于非均质流体:
m V
kg/m3
Lim
m V 0 V
△V→0的理解，流体微团/流体质点的概念
黏度表征量 反映黏性大小的一个物理量，与流体 温度、压强及种类有关 μ —— 动力粘滞系数。 N.s/m2 ；Pa.S
ν —— 运动粘滞系数。
黏度的影响因素:
m2/S
、 f (T , P)
温度（T）的影响较大，压强（P）的影响不大； 液体的黏度随温度的升高而减少，气体的黏 度随温度的升高而增大 液体和气体的黏度都随压强的升高而增大
交 通 土 建
环 境
气 象
石 油 化 工
机 械 冶 金
生 物
流体力学在工程中的应用
航空航天航海 海洋平台
船舶运动
地效翼艇 （WIG）
潜器
浮标
•土木工程专业中的流体力学问题：
城市防洪工程设计、城市给排水管网设计
水塔高度的计算、水泵的选择等
室内给排水设计、地基降水和抗渗设计 热的供应、空气的调节、燃气的输配 排毒除湿、除尘降温的计算等 桥涵孔径水力设计、隧道地下工程的通风等
℃-1
流体的压缩性及膨胀 性
• 水和其它液体可视为不可压缩流体，即ρ=常数 特例：水击、热水采暖需考虑水的压缩性和膨胀性 • 当气体流速不是很大时，也可视为不可压缩流体
三.流体的黏性
• 黏性
流体内部质点间或流层间因相对运动而产生 切向阻力（摩擦力）抵抗其相对运动的特性 黏性是流体抵抗剪切变形的能力 是流体的固有属性 是运动流体产生机械能损失的根源
一、流体力学
流体力学是力学的一个独立分 支，是一门研究流体平衡和流体机械运 动规律及其实际应用的技术科学。 ① 理论流体力学（流体力学） ② 应用流体力学（工程流体力学）
流体力 学分类
工程流体力学的任务
研究流体平衡和运动时的力学规律及 其在工程技术上的应用。
•
研究对象 力学问题载体
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流体力学PPT
牛顿内摩擦定律表明： 切应力与速度梯度成正比；比例系数称动力粘度。
第 20 页
职教
绪论——1.2流体的主要力学性质 3、流体的粘度
——表示流体粘滞性大小
du dy
（1） 动力粘度
( Pa s)
P(泊） 1P 0.1Pa s
（2） 运动粘度
(m 2 / s )
St : cm2 / s
/ p
β↑，压缩性↑
可知： 液体β很小
第 26 页
职教
绪论——1.2流体的主要力学性质 弹性系数： 压缩系数的倒数
E 1
第 27 页
职教
绪论——1.2流体的主要力学性质 （2）液体的热胀性 热胀系数：压强不变时，单位温度变化所引起的 体积或密度的相对变化率
V / V a T
第 21 页
职教
绪论——1.2流体的主要力学性质 4、粘性的影响因素
粘度 液体 气体
流体种类 流体温度
o 气体 温度
液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。 温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓ 气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。 温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑
第 4 页
职教
绪论——1.1概述
应
用
重要的专业基础课程，该课程的目的是 为了学习专业课以及从事技术工作提供必要 的基础理论和实践技能
第 5 页
职教
绪论——1.1概述
主要内容
绪论 流体静力学 不可压缩一元流体动力学 流动阻力和能量损失 管路计算 附面层与绕流阻力 孔口、管嘴出流和气体射流
第 6 页
职教
工程流体力学课件-孔珑-第四版(1)
➢流体具有明显的流动性。
§1.2 流体力学研究的对象和应用
固体、液体、气体的区别
呈现易流动性？
是
否
流体
固体
状态 液体 气体
有无固定体积 有 无
能否形成自由液面 是否容易被压缩
能
否
否
是
§1.2 流体力学研究的对象和应用
研究流体在外力作用下宏观的平衡及运动规律以及流体与 3. 流体力学 固体间的相互作用，即流体机械运动的规律以及应用这些
在动力、制导、气动力、 结构、材料、计算机、质量控 制和科技管理等领域具有丰富 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。
§1.2 流体力学研究的对象和应用
1. 流体力学研究的对象 流体，包括气体和液体。
2. 流体的定义
通常说能够流动的物质为流体；若按照力学术语定义， 则在任何微小切力的作用下都能发生连续变形的物质称 为流体。
斯托克斯又严格地到导出了不
缩粘性流体的运动微分方程组。 可压缩粘性流体的运动微分方程组。
N-S方程
§1.1 流体力学发展简述
19世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论分析和实验研究逐 渐密切结合起来。
O. Reynolds (1842-1912)
1883年用实验验证了粘性 流体的两种流动状态——层流 和紊流的客观存在，找到了实 验研究粘性流体运动规律的相 似准则——雷诺数，以及判别 层流和紊流的临界雷诺数。
xt
d lim lim x t y dx
dt t0 t t0 t
dy
y
牛顿粘性应力公式用流体微团的角 变形速度可表示为：
d
dt
各流层间的切向应力和流体 微团的角变形速度成正比
§1.2 流体力学研究的对象和应用
固体、液体、气体的区别
呈现易流动性？
是
否
流体
固体
状态 液体 气体
有无固定体积 有 无
能否形成自由液面 是否容易被压缩
能
否
否
是
§1.2 流体力学研究的对象和应用
研究流体在外力作用下宏观的平衡及运动规律以及流体与 3. 流体力学 固体间的相互作用，即流体机械运动的规律以及应用这些
在动力、制导、气动力、 结构、材料、计算机、质量控 制和科技管理等领域具有丰富 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。
§1.2 流体力学研究的对象和应用
1. 流体力学研究的对象 流体，包括气体和液体。
2. 流体的定义
通常说能够流动的物质为流体；若按照力学术语定义， 则在任何微小切力的作用下都能发生连续变形的物质称 为流体。
斯托克斯又严格地到导出了不
缩粘性流体的运动微分方程组。 可压缩粘性流体的运动微分方程组。
N-S方程
§1.1 流体力学发展简述
19世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论分析和实验研究逐 渐密切结合起来。
O. Reynolds (1842-1912)
1883年用实验验证了粘性 流体的两种流动状态——层流 和紊流的客观存在，找到了实 验研究粘性流体运动规律的相 似准则——雷诺数，以及判别 层流和紊流的临界雷诺数。
xt
d lim lim x t y dx
dt t0 t t0 t
dy
y
牛顿粘性应力公式用流体微团的角 变形速度可表示为：
d
dt
各流层间的切向应力和流体 微团的角变形速度成正比
(完整版)流体力学
第1章绪论一、概念1、什么是流体？在任何微小剪切力持续作用下连续变形的物质叫做流体（易流动性是命名的由来）流体质点的物理含义和尺寸限制？宏观尺寸非常小，微观尺寸非常大的任意一个物理实体宏观体积极限为零，微观体积大于流体分子尺寸的数量级什么是连续介质模型？连续介质模型的适用条件；假设组成流体的最小物质是流体质点，流体是由无限多个流体质点连绵不断组成，质点之间不存在间隙。
分子平均自由程远远小于流动问题特征尺寸2、可压缩性的定义；作用在一定量的流体上的压强增加时，体积减小体积弹性模量的定义、与流体可压缩性之间的关系及公式；Ev=-dp/（dV/V）压强的改变量和体积的相对改变量之比Ev=1/Κt 体积弹性模量越大，流体可压缩性越小气体等温过程、等熵过程的体积弹性模量；等温Ev=p等嫡Ev=kp k=Cp/Cv不可压缩流体的定义及体积弹性模量；作用在一定量的流体上的压强增加时，体积不变Ev=dp/(dρ/ρ）（低速流动气体不可压缩)3、流体粘性的定义;流体抵抗剪切变形的一种属性动力粘性系数、运动粘性系数的定义、公式；动力粘度：μ，单位速度梯度下的切应力μ=τ/（dv/dy)运动粘度：ν，动力粘度与密度之比，v=μ/ρ理想流体的定义及数学表达;v=μ=0的流体牛顿内摩擦定律(两个表达式及其物理意义）；τ=+-μdv/dy（τ大于零）、τ=μv/δ切应力和速度梯度成正比粘性产生的机理，粘性、粘性系数同温度的关系；液体：液体分子间的距离和分子间的吸引力，温度升高粘性下降气体：气体分子热运动所产生的动量交换，温度升高粘性增大牛顿流体的定义；符合牛顿内摩擦定律的流体4、作用在流体上的两种力。
质量力：与流体微团质量大小有关的并且集中在微团质量中心上的力表面力：大小与表面面积有关而且分布在流体表面上的力二、计算1、牛顿内摩擦定律的应用－间隙很小的无限大平板或圆筒之间的流动.第2章流体静力学一、概念1、流体静压强的特点;理想流体压强的特点(无论运动还是静止）；流体内任意点的压强大小都与都与其作用面的方位无关2、静止流体平衡微分方程，物理意义及重力场下的简化微元平衡流体的质量力和表面力无论在任何方向上都保持平衡欧拉方程 =0 流体平衡微分方程重力场下的简化：dρ=—ρdW=—ρgdz3、不可压缩流体静压强分布（公式、物理意义)，帕斯卡原理;不可压缩流体静压强基本公式z+p/ρg=C不可压缩流体静压强分布规律 p=p0+ρgh平衡流体中各点的总势能是一定的静止流体中的某一面上的压强变化会瞬间传至静止流体内部各点4、绝对压强、计示压强（表压)、真空压强的定义及相互之间的关系;绝对压强：以绝对真空为起点计算压强大小记示压强：比当地大气压大多少的压强真空压强：比当地大气压小多少的压强绝对压强=当地大气压+表压表压=绝对压强—当地大气压真空压强=当地大气压-绝对压强5、各种U型管测压计的优缺点；单管式：简单准确；缺点：只能用来测量液体压强，且容器内压强必须大于大气压强，同时被测压强又要相对较小，保证玻璃管内液柱不会太高U：可测液体压强也可测气体压强；缺：复杂倾斜管：精度高;缺点：?？6、作用在平面上静压力的大小（公式、物理意义）。
第一章 流体力学 绪论
是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模型。 无粘性流体不考虑粘性，所以对流动的分析大为简
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。
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(1)
1、粘性的表现：A 与 B 盘之间充满液体，当 B 盘转 时，A 盘也随之转动，为什么? n B 盘转动 粘附到盘 B 上的第1 3 2 层液体转动 1层与2层紧紧吸附 1 2层带3层 在一起并带2层转动 n 3层带 A 盘转动（ n n ）。 转动
A
B
图1-1a 粘性及表现
第一章
流体及其物理性质
1 1 Vd 2 Vd d
则： dV V d
( d 0)
dV 1 m m d (1) d 1 d d( ) d( ) 推导2： 2 V
第一章
流体及其物理性质
○ 弹性模量（数）E ：
p
当：压强升高1个大气压时（即 dp 1at 105 pa）。
1 d 根据： p dp
则： d dp p 105 (109 2) 2 104
第一章
流体及其物理性质
即：当水压升高 1at 时，其密度增加二万分之一倍。
认为：液体不可压缩，即 c 。
第一章
流体及其物理性质
●条件：两板间充满液体，下板固定，上
y
U
F 作用以U 平移。
F
(u du)dt
c d
dy
u du
c
dy
d
b
dudt
d
c
T T
d
a b
u
（快层）
u du
a
图1-3
udt
a
b
u（慢层）
速度分布与流体微团变形
●流层速度分布：附着在上板流层速度为 U ，下板流层 不动，中间层在接触面上产生内摩擦力并相互作用， 其速度按线性（U 较慢）或非线性（U 较快）分布。
A
B
图1-1a 粘性及表现
第一章
流体及其物理性质
1 1 Vd 2 Vd d
则： dV V d
( d 0)
dV 1 m m d (1) d 1 d d( ) d( ) 推导2： 2 V
第一章
流体及其物理性质
○ 弹性模量（数）E ：
p
当：压强升高1个大气压时（即 dp 1at 105 pa）。
1 d 根据： p dp
则： d dp p 105 (109 2) 2 104
第一章
流体及其物理性质
即：当水压升高 1at 时，其密度增加二万分之一倍。
认为：液体不可压缩，即 c 。
第一章
流体及其物理性质
●条件：两板间充满液体，下板固定，上
y
U
F 作用以U 平移。
F
(u du)dt
c d
dy
u du
c
dy
d
b
dudt
d
c
T T
d
a b
u
（快层）
u du
a
图1-3
udt
a
b
u（慢层）
速度分布与流体微团变形
●流层速度分布：附着在上板流层速度为 U ，下板流层 不动，中间层在接触面上产生内摩擦力并相互作用， 其速度按线性（U 较慢）或非线性（U 较快）分布。
工程流体力学课件_孔珑_第四版
工程流体力学
流体力学与热力学教研室
第1章 绪论 第2章 流体静力学
目 录
第3章 流体动力学原理
第4章 管流损失和水力计算
第5章 气体的一维定常流动
第1章 绪论
§1.1 流体力学发展史简述 §1.2 流体力学研究的对象和应用
§1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质 §1.5 作用在流体上的力 返回目录
0 C，1mm3 水含3.4×1019个分子 如此大量的分子， 容易取得它们共同 作用的有代表性的 统计平均值
气体含2.7×1016个分子
§1.3
2. 流体质点
连续介质模型
是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元
是体积无限小而又包含大量分子的流体微团 从宏观看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度充 分小，在数学上可以作为一个点来处理
N-S方程
§1.1
流体力学发展简述
19世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论分析和实验研究 逐渐密切结合起来。
O. Reynolds (1842-1912) 1883年用实验验证了粘性 流体的两种流动状态——层流 和紊流的客观存在，找到了实 验研究粘性流体运动规律的相 似准则——雷诺数，以及判别 层流和紊流的临界雷诺数。
§1.1
流体力学发展简述
T. von Karman (1881-1963)
提出了分析带旋涡尾 流及其所产生的阻力的 理论——卡门涡街
提出了计算紊流粗糙 管阻力系数的理论公式
§1.1
流体力学发展简述
周培源 （1902－ 1993)
钱学森 （1911－）
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。
流体力学与热力学教研室
第1章 绪论 第2章 流体静力学
目 录
第3章 流体动力学原理
第4章 管流损失和水力计算
第5章 气体的一维定常流动
第1章 绪论
§1.1 流体力学发展史简述 §1.2 流体力学研究的对象和应用
§1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质 §1.5 作用在流体上的力 返回目录
0 C，1mm3 水含3.4×1019个分子 如此大量的分子， 容易取得它们共同 作用的有代表性的 统计平均值
气体含2.7×1016个分子
§1.3
2. 流体质点
连续介质模型
是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元
是体积无限小而又包含大量分子的流体微团 从宏观看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度充 分小，在数学上可以作为一个点来处理
N-S方程
§1.1
流体力学发展简述
19世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论分析和实验研究 逐渐密切结合起来。
O. Reynolds (1842-1912) 1883年用实验验证了粘性 流体的两种流动状态——层流 和紊流的客观存在，找到了实 验研究粘性流体运动规律的相 似准则——雷诺数，以及判别 层流和紊流的临界雷诺数。
§1.1
流体力学发展简述
T. von Karman (1881-1963)
提出了分析带旋涡尾 流及其所产生的阻力的 理论——卡门涡街
提出了计算紊流粗糙 管阻力系数的理论公式
§1.1
流体力学发展简述
周培源 （1902－ 1993)
钱学森 （1911－）
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。
流体力学基础(绪论) 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 建立连续介质模型的意义
可用连续函数描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力 学的问题。
体的力学模型（连续介质模型）
❖ 注意
稀薄气体动力学问题,连续介质模型不再适用(分子间距大)。
12
第一章 绪论
§1.3 流体的主要物理性质
❖ 惯性
密度
lim m
V 0 V
9
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
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
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） ❖ 侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学 ❖ 侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学
8
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实验 经验公式： 1769年 谢才——谢才公式（计算流速、流量） 1895年 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数） 1732年 比托——比托管（测流速） 1797年 文丘里——文丘里管（测流量） 理论：1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组 （N-S方程）
7
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实 验
工程技术快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实 地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这 些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有皮 托（H.Pitot）、谢才（A.de Chezy）、达西（H.Darcy）等。 提出很多经验公式：
可用连续函数描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力 学的问题。
体的力学模型（连续介质模型）
❖ 注意
稀薄气体动力学问题,连续介质模型不再适用(分子间距大)。
12
第一章 绪论
§1.3 流体的主要物理性质
❖ 惯性
密度
lim m
V 0 V
9
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
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
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） ❖ 侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学 ❖ 侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学
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第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实验 经验公式： 1769年 谢才——谢才公式（计算流速、流量） 1895年 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数） 1732年 比托——比托管（测流速） 1797年 文丘里——文丘里管（测流量） 理论：1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组 （N-S方程）
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第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实 验
工程技术快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实 地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这 些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有皮 托（H.Pitot）、谢才（A.de Chezy）、达西（H.Darcy）等。 提出很多经验公式：
流体力学第1章中文版课件
说明:
本课程主要以SI单位制为主，但为了使同学了解英制单位制，在 例题中，两种单位制都有采用。
2013-11-25
Chapter 1: Basic considerations
9
1.2 量纲、单位及物理量
表： 基本量纲及其单位
物理量 量纲 SI 制 英制
长度 l 质量 m 时间 温度 T 电流 i 物质的量 照度 平面角 立体角
当绝对压强低于大气压强是，表压强是负的，此时可称这 个表压强为真空度。 在本课程中，如果给定的一个压强是绝对压强，则在这个 压强数值的后面一般要标注“绝对” (例如, p = 50 kPa 绝 对)。 而如果一个压强表示为 p = 50 kPa，则一般这个压 强代表表压强。 在工程流体力学中，一般更多的采用的是表压强。
2013-11-25
Chapter 1: Basic considerations
6
1.2 量纲、单位及物理量 1. 量纲 在物理学中，共有九个物理量被定义为“基本量纲”。 所有其他物理量的量纲可以用“基本量纲”进行表示。
基本量纲:
• • • • • 长度 质量 时间 温度 物质的量 • • • • 电流 照度 平面角 立体角
2013-11-25
Chapter 1: Basic considerations
18
1.4 压强和温度的度量
说明:
一般所说的大气压强是指当地大气压强，它是随着时间和 位置变化的。如果当地大气压强没有给定，我们可以通过 教材附录B中的表B.3查到某一特定海拔高度的大气压强作 为当地大气压强。但如果海拔高度也是未知的话，则可以 选定零海拔高度的压强作为当地大气压强。
第一章:
基本概念
流体力学课件-绪论
dLx dFx R (1 cos )
2
F
d
F
g
R
(
s
i
n
s
i
n
c
os)d2
g
R
Lx
x
2
0
0
2
F
y
d
F
R
(
1
c
o
s
)
g
R
(
1
c
o
s
)sind
Lx
Lx
x
0
2R
yLx
3
3
0
3. 流体知识回顾
3.3 浮力
• 浸入液体中的物体都会受到浮力的作用
散化；
➢ 编制程序，选取算例，进行具体计算，并将所得结果绘制成图表；
➢ 将计算结果与其他方法得到的结果进行对比，对流动进行分析
• 优点
➢ 许多用分析法无法求解的问题，或实验无法实现的问题，用此法可
以求得数值解
➢ 在一定程度上，可以节约实验费用
• 缺点
➢ 对于复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力
数值方法 （一些图片)
卡门涡街
生物运动仿真
血管瘤内血流
飞机周围流场
3. 知识回顾
3.1 液体内部的压强
• 液体内部向各个方向都有压强，同一深处的压强相等
3.2 连通器原理
(千斤顶)
P89:例2.3 图示的圆柱形堰，直径2R=3m，长L＝6m．试求两侧静
2
F
d
F
g
R
(
s
i
n
s
i
n
c
os)d2
g
R
Lx
x
2
0
0
2
F
y
d
F
R
(
1
c
o
s
)
g
R
(
1
c
o
s
)sind
Lx
Lx
x
0
2R
yLx
3
3
0
3. 流体知识回顾
3.3 浮力
• 浸入液体中的物体都会受到浮力的作用
散化；
➢ 编制程序，选取算例，进行具体计算，并将所得结果绘制成图表；
➢ 将计算结果与其他方法得到的结果进行对比，对流动进行分析
• 优点
➢ 许多用分析法无法求解的问题，或实验无法实现的问题，用此法可
以求得数值解
➢ 在一定程度上，可以节约实验费用
• 缺点
➢ 对于复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力
数值方法 （一些图片)
卡门涡街
生物运动仿真
血管瘤内血流
飞机周围流场
3. 知识回顾
3.1 液体内部的压强
• 液体内部向各个方向都有压强，同一深处的压强相等
3.2 连通器原理
(千斤顶)
P89:例2.3 图示的圆柱形堰，直径2R=3m，长L＝6m．试求两侧静
流体力学第一章
流体力学第一章第一部分流体力学第一章绪论【目的要求】通过本章课程的学习，掌握流体的主要物理性质，流体的分类及力学模型。
【重点】流体的重度、体积模量、粘滞性及牛顿内摩擦定律，连续介质模型。
【难点】牛顿内摩擦定律的理解和应用。
【本章课程的引入】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。
【本章课程的内容】§1-1 流体力学的任务1.1 流体力学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三类：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1.2物质的三态 ---流体与固体的区别在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。
流体和固体的区别:从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。
固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。
流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。
液体和气体的区别：(1)气体易于压缩；而液体难于压缩；(2)液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。