流体力学初步
流体力学基础
基于流体的连续性假设，可以推导出 流体的连续性方程，即单位时间内流 入与流出控制体的质量差等于控制体 内质量的增量。
流体的粘性与压缩性
流体的粘性
流体在运动时，相邻两层流体之间会产生相对运动，从而产生内摩擦力，这种 性质称为流体的粘性。粘性大小用粘度来衡量。
流体的压缩性
流体在外部压力作用下，其体积会发生变化，这种性质称为流体的压缩性。对 于一般液体，其压缩性很小，可忽略不计；但对于气体，其压缩性则必须考虑 。
边界层分离现象及其影响
分离现象
在流体绕过某些物体时，边界层在物体表面发生分离，形成漩涡区，使流体对物体的作 用力减小。
影响
边界层分离会导致流体对物体的阻力增加，同时可能产生噪声和振动，对飞行器和船舶 等运动物体的稳定性和安全性产生影响。
绕流现象及其产生原因
绕流现象
流体绕过物体时，由于物体形状和流动条件 的不同，流体会在物体周围形成不同的流动 状态，如流线型绕流、分离型绕流等。
p=p0+ρgh，其中p为任意点的压力，p0为 基准面上的压力，ρ为流体密度，g为重力加 速度，h为该点在基准面以上的高度。
方程的应用
用于计算静止流体中任意点的压力， 确定等压面等。
方程的物理意义
方程表示了静止流体中任意点的压力 等于基准面上的压力加上从基准面到 该点的单位面积上的液柱重量。
流体静压力的应用
流体力学的研究对象与方法
研究对象
流体力学的研究对象包括各种流体（如空气、水、油等）以及流体中的各种现象（如流动、传热、传 质等）。
研究方法
流体力学的研究方法包括理论分析、实验研究和数值模拟三种。理论分析是通过建立数学模型和求解 方程来研究流体运动规律；实验研究是通过实验手段来观测和测量流体运动现象；数值模拟是通过计 算机模拟来再现和预测流体运动过程。
流体力学
绪 论在学习流体力学这门课程之前，本绪论将主要回答以下几个问题：什么是流体力学？它的主要研究内容是什么？为什么要学习流体力学？流体力学的发展历史、研究方法，以及怎样学好流体力学？使同学们对流体力学有一个大致的了解，帮助学生在以后的学习中掌握流体力学的主要脉络和学习方法。
一、流体力学的概念及其研究内容流体力学(fluid mechanics)是力学的一个独立分支。
它是研究流体的平衡和流体的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。
流体力学的研究对象是流体，包括液体和气体。
在力学研究中，根据研究对象的不同，一般可分为：以受力后不变形的绝对刚体为研究对象的理论力学；以受力后产生微小变形的固体为研究对象的固体力学；以受力后产生较大变形的流体为研究对象的流体力学。
流体是气体和液体的总称。
在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学与人类日常生活和生产事业密切相关。
它是一门应用较广的科学，航空航天、水运工程、流体机械、给水排水、水利工程、化学工程、气象预报以及环境保护等学科均以流体力学为其重要的理论基础。
20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他各种飞行器得到迅速发展。
20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。
航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展紧密相联的。
这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。
石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一——渗流力学研究的主要对象。
渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤，燃烧室的冷却等技术问题。
燃烧离不开气体，燃烧过程中涉及到许多有化学反应和热能变化的流体力学问题是物理―化学流体动力学的内容之一。
爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学，从而形成了爆炸力学。
沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等，都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题，这类问题是多相流体力学研究的范围。
【学习】第一章流体力学基础
主题
西 1.2.2 流体静力学基本方程
安
交 • 讨论
大 （1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；
化 （2）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力 工 处处相等。压力相等的面称为等压面；
原 （3）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力
理 也将发生相应的变化。即压力可传递，这就是巴斯噶定理；
理 力学方程可得：
流向
1
z1
2 z2
电
p 1g z1 R p 3
子
R
3
3
课
p 2g2z 0g R p 3
图 1-7
0
U 形压差计
件
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主题
西 1.2.3 静力学原理在压力和压力差测量
安
上的应用
交 根据而3、3面为等压面 及广义压力的定义
大
化 工
p 1 g 1 z p 2 g 2 z 0 gR
安
上的应用
交
大 思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读
化 数 R反映了什么？
工 原
理 p1p2
p2
p1
z2
电 子
(0)gR(z2z1)g z1
课
R
件
A A’
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主题
西 1.2.3 静力学原理在压力和压力差测量
安 交
大 • 2．压差计
上的应用
化 （2）双液柱压差计
p1
p2
工
又称微差压差计适用于压差较小的场合。
安
交 • 5.流动类型和雷诺数
大
实验研究发现，圆管内流型由层流向湍流的转变不仅与流速u
第一章 流体力学基础课件
2 p1 u12 p2 u2 ′ + z1 + = + z2 + + hw ρg 2 g ρg 2g
2010-9-11 第一章 流体力学基础 19
2 1
2 2
第三节 流体运动学和流体动力学
例1－5推导文丘利流量计的流量公式。
p1 υ p2 υ + = + ρg 2 g ρg 2 g
23
2010-9-11
第一章 流体力学基础
第六节 管道流动
一、流态与雷诺数 （一）层流和紊流 层流和紊流是两种不同性质的 流态。层流时，液体流速较低， 质点受粘性制约，不能随意运 动，粘性力起主导作用；紊流 时，液体流速较高，粘性的制 约作用减弱，惯性力起主导作 用。 （二）雷诺数 液体的流动状态可用雷诺数 来判别。
第一章 流体力学基础 6
第一节 工作介质 一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大， 但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构 时，则必须予以考虑。 石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时， K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5％～25％ 的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系， 当p＞3MPa时，K值基本上不再增大。 由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时， K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内 游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油 K的 取值为（0. 7～1. 4）×103MPa，且应采取措施尽量减少液压系 统工作介质中的游离空气的含量。
第三节 流体运动学和流体动力学
例1-8 图1-20所示为一锥阀，锥阀的锥角为2。 当液体在压力p下以流量q流经锥阀时，液流通过 阀口处的流速为υ2，出口压力为p2= 0。试求作用 在锥阀上的力的大小和方向。 对于图 a)
流体力学基础(绪论)
17
第一章 绪论
§1.3 流体的主要物理性质
粘性
粘度 动力粘度（系数）μ：与流体性质有关 Pa· S
运动粘度（系数）：
m２/s
微观机制 液体 气体 吸引力 热运动 T↑ T↑ μ↓ μ↑
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第一章 绪论
§1.3 流体的主要物理性质
压缩（膨胀）性
⑴ 体积压缩率(压缩系数)
a.体积压缩率(压缩系数)
流体力学基础
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 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 流体的力学模型 流体的主要物理性质 流体的分类 作用在流体上的力
2
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
流体定义
流体力学研究的对象是流体，流体是液体和气体的总称。
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：
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
M=0.0045N· m。求该实验液体的粘度。
n L
h
r1 r2
28
第一章 绪论
例题
例1-2
解： du r1 0 dy r2 r1
2n 60
h r1 0.0045 M Ar1 2r1d
0.952Pa s
L
注意：面积、速度梯度的取法；单位统一
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
工学流体力学基础
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对右图考虑三种情况，将会出现什么现象： 1、出口封住
W F1d1 F2d2
F1=P1S1
P1S1v1t P2S2v2t
v1 t
v2 t
F2 S2 S2’h2
P1V P2V
h1 S1 S1’
据功能原理 W E 可知
P1V
P2V
(1 2
mv22
mgh2 )
(1 2
mv12
mgh1)
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移项可得:
P1V
1 2
mv12
mgh1
c、sv=恒量， sv为体积流量（守恒）；若管中为同
一密度为ρ的流体，则有质量流量守恒，即：
sv 恒量
2、连续性方程的应用：
人体血液平均流动速度 与血管总的截面积的关系 P21
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血液流速
总截面积 大小 毛静 动动 细 脉脉 管脉
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三、理想流体的伯努利方程
设有一段理想流体S1S2经某时间段流到S1’S2’则外力作功:
管中心： r 0, v vmax
管壁处： r R, v 0
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2、泊肃叶定律的推导：
流量：单位时间内流过某横截面的流体的体积。
取与管同轴内半径为r，厚度为dr的管状流层进行分 析，其流层截面积为：
dS 2rdr
其流量为：dQ vdS P1 P2 (R2 r 2 )rdr
PB P0 则D处的液体被吸入B处并被带走
应用
喷雾器（B处为气体时）； 水流抽气机等
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2、流速计（比托管）
水平粗细均匀的流管h和v相同
第一章流体力学
第一章流体力学第一章流体力学第一节概述流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体流体的特征：（1）具有流动性；（2）无固定形状，随容器形状而变化；（3）受外力作用时内部产生相对运动；不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。
本章主要讲述：（1）流体静止时的平衡规律；（2）流体在管内的流动规律；第一节概述流体流动的基本原理及其流动规律主要应用以下几个方面：一、流体的输送二、压力、流速和流量的测量三、为强化设备提供适宜的流动条件第二节流体静力学流体静力学：研究静止流体内部压力变化的规律。
一、流体的主要物理性质1．密度单位体积的流体所具有的质量符号：ρ；单位：kg/m3m—流体的质量，㎏；V—流体的体积，m3。
则：影响ρ的主要因素液体:不可压缩性流体，其密度仅随温度变化（极高压力除外）。
一般可在物理化学手册或有关资料中查得t?;V?;ρ?气体：可压缩性流体，t?;V?;ρ?；p?V?ρ?即：气体的密度和温度成反比，与压力成正比。
气体密度的计算：当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度：理想气体在标况下的密度为：例如：标况下的空气，混合气体：取1m3的气体为基准,各组分在混合前后质量不变，则：?1?2?3……?n—气体混合物中各组分的体积分数。
或Mm=M1y1+M2y2+…+Mnyny1y2y3……yn—气体混合物中各组分的摩尔（体积）分数。
混合物密度的计算：混合液体:取1kg液体为基准，假设各组分在混合前后体积不变，则：w1w2w3……wn—混合液中各纯组分的质量分数；?1?2?3……?n—混合液中各纯组分的密度；相对密度—流体密度与4℃时水的密度之比,习惯称为比重。
符号：d420即：d420=?/?水相对密度是一个比值，没有单位。
因为水在4℃时的密度为1000㎏/m3，所以，即将相对密度值乘以1000即得该液体的密度?，㎏/m3。
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。