流体力学.ppt

流体力学多媒体课件,重庆工程职业技术学院机电工程系机械教研室,绪论,流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象液体和气体。,流体力学发展简史流体力学的研究方法作用在流体上的力流体的主要物理性质流体力学的模型,流体力学发展简史,第一阶段（16世纪以前）流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（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、伯努利第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,第一阶段（16世纪以前）流体力学形成的萌芽阶段,公元前2286年－公元前2278年大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）公元前300多年李冰都江堰深淘滩，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展系统研究古希腊哲学家阿基米德论浮体（公元前250年）奠定了流体静力学的基础,返回,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,1586年斯蒂芬水静力学原理1650年帕斯卡“帕斯卡原理”1612年伽利略物体沉浮的基本原理1686年牛顿牛顿内摩擦定律1738年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程,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）,工程技术快速发展，提出很多经验公式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）,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）,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,流体力学的研究方法,理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论研究方法力学模型→物理基本定律→求解数学方程→分析和揭示本质和规律实验方法相似理论→模型实验装置数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,作用在流体上的力,1.质量力作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比,重力惯性力,单位质量力,重力,,2.表面力外界对所研究流体表面的作用力，作用在外表面，与表面积大小成正比,应力,切线方向切向应力剪切力,内法线方向法向应力压强,,,,,,ΔF,ΔA,ΔFn,ΔFτ,表面力具有传递性,流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力,流体的主要物理性质惯性、粘性、压缩（膨胀）性,1.惯性,密度,常见的密度（在一个标准大气压下）4℃时的水20℃时的空气,容重（重度）,比重,2.粘性在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力,微观机制分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换,牛顿内摩擦定律,切应力,,,,,,z,,,,,,v,vdv,v,x,z,dz,,,,y,,,a.速度梯度的物理意义,角变形速度（剪切变形速度）,,,,,,,,,,,,,,vdt,vdvdt,dvdt,dz,dθ,流体与固体在摩擦规律上完全不同,正比于dv/dz,正比于正压力，与速度无关,b.动力粘度（系数）μ与流体性质有关PaS,运动粘度（系数）m２/s,微观机制,液体吸引力T↑μ↓,气体热运动T↑μ↑,,,,τ,,dv/dz,牛顿流体,o,牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）,c.牛顿流体与非牛顿流体,,,,τ,τ0,,,dv/dz,o,塑性流体,,非牛顿流体,塑性流体克服初始应力τ0后，τ才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）,,,,τ,,dv/dz,o,拟塑性流体,拟塑性流体τ的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）,,,,τ,,dv/dz,o,膨胀型流体,膨胀型流体τ的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）,,,,τ,τ0,,dv/dz,o,,,,膨胀型流体,牛顿流体,拟塑性流体,塑性流体,,,例汽缸内壁的直径D12cm，活塞的直径d11.96cm，活塞长度L14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的μ0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解,注意面积、速度梯度的取法,,,,,,,,,d,D,L,例旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r11.93cm，外筒r22cm，内筒高h7cm，转轴上扭距M0.0045Nm。求该实验液体的粘度。,解,注意1.面积A的取法；2.单位统一,,,,,,,,,,,,h,n,r1,r2,得,3.压缩（膨胀）性,a.压缩系数β,在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比,体积模量（弹性模量）,b.膨胀系数α,在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比,c.气体,理想气体状态方程,R气体常数空气R8.31/0.029287J/kgK,等温过程压缩系数,等压过程膨胀系数,绝热过程压缩系数,低速（标准状态，v68m/s）气流可按不可压缩流体处理,表面张力和毛细现象,1.表面张力σ由分子的内聚力引起单位N/m,发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界,2.毛细现象液固接触,液固间附着力大于液体的内聚力,液固间附着力小于液体的内聚力,凹上升,凸下降,,,,,,,,,,,,,,,,σ,σ,,,,,,σ,σ,,,,,,,,,,,,h,θ,,h,,,,θ,,,,流体力学的模型,连续介质流体微元具有流体宏观特性的最小体积的流体团理想流体不考虑粘性的流体不可压缩性ρc,