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材料加工冶金传输原理课件(吴树森)流体静力学


理想流体(不可压缩、不计粘性
的流体)中能量守恒定律。这个
定理和相应的公式称为伯努利定
理和伯努利公式。
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2. 在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克斯 提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——纳 维-斯托克思方程(N-S方程)。从而为流体力学的长 远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂 性和理想流体模模型的局限性,不能满意地解决工 程问题,故形成了以实验方法来制定经验公式的 “实验流体力学” 。但由于有些经验公式缺乏理 论基础,使其应用范围狭窄,且无法继续发展。
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。
杨浦大桥
总之,没有流体力学的发展, 现代工业和高新技术的发展是不可 能的。
流体力学在推动社会发展方面做 出过很大贡献,今后仍将在科学与 技术各个领域发挥更大的作用。
第一章 绪论
第一节 流体力学的概念与发展简史 第二节 流体的概念及连续介质假设 第三节 流体的主要物理性质 第四节 流体的分类
G V
均质流体内部各点处的容重均相等:
=G/ V =g
水的容重常用值: =9800 N/m3
3、气体的比容 比容:指单位气体质量所具有的体积。
=1/ ( m3/kg)
气体的比容或密度,与气体的工况或过程是密切相关 的,是由状态方程确定,完全气体状态方程 P=P/=RT R为气体常数,空气的R=287N·m/kg·k
2.连续介质假设的意义
排除了分子运动的复杂性。
表征流体性质和运动特性的物理量和力学
量为时间和空间的连续函数,可用数学中连续 函数这一有力手段来分析和解决流体力学问题。
问题:按连续介质的概念,流体质点是指:
A、流体的分子; B、流体内的固体颗粒; C、几何的点; D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含
丹·伯努利简介

丹 · 伯 努 利 ( Dan❖iel
Bernou
任教,他在流体力学、气体动力
学、微分方程和概率论等方面都
有重大贡献,是理论流体力学的
创始人。

伯努利以《流体动力学》
(1738)一书著称于世,书中提
出流体力学的一个定理,反映了
流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于 空气动力学的发展,人类研制出3倍声速的战斗机。
F-15
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。
利用超高速气体动力学,物理化学流体力学和稀薄气体力 学的研究成果,人类制造出航天飞机,建立太空站,实现 了人类登月的梦想。
两者均具有易流动性,即在任何微小切应力作用 下都会发生变形或流动,故二者统称为流体。
二、连续介质假设 1.连续介质假设的提出
微观:流体是由大量做无规则运动的分子组成的,分 子之间存在空隙,但在标准状况下,1cm3液体中含有 3.3×1022个左右的分子,相邻分子间的距离约为 3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右的分 子,相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm
19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传 统观念。
脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反
足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论:
旋转的足球带动空气形成环流,一侧气流加 速,另一侧气流减速,形成压力差,促使足 球拐弯,称为马格努斯效应。
机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生 环流,上部流速加快形成吸力,下部流 速减慢形成压力。
第一节 流体力学的概念与发展简史
一、流体力学的概念
流体力学是力学的一个独立分支,是 一门研究流体静止和运动的力学规律及 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:
1.流体静力学: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。
2.流体动力学: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。
90年代以后,科研人员研制开发了气动性能更优 良的未来型汽车,阻力系数仅为0.137。
90年代以后,科研人员研制开发了气动性能更优良 的未来型汽车,阻力系数仅为0.137。
目前在汽车外形设计中,流体力学性能研究已 占主导地位,合理的外形使汽车具有更好的动 力学性能和更低的耗油率。
机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击着 鸟的翅膀,把鸟托在空中。
一. 流体的概念
在地球上,物质存在的主要形式有:固体、流体。其中流体包括 液体和气体,相对于固体,它在力学上表现出以下特点: 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
液体
固体:既能承受压力,也能承受拉力,抵抗拉伸变 形。 流体:只能承受压力,一般不能承受拉力,抵抗拉 伸变形。
液体和气体的共同点:
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 力学可分为以下四类:
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。
大气类流体力学:飞机、飞行器外行的设计,天气预
报,环境污染预报等。
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。
其他重要的科学家:李冰 达芬奇
李冰简介
李冰(公元前302— 235 ) 是 我 国 科 学 治 水 的 典范,伟大的水利学家。 他领导创建了目前世界上 历史最悠久的水利工程— —都江堰。在水利史上立 下了千古奇功,名扬世界, 造福百姓,功垂千秋,恩 泽万世。
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达·芬奇简介
达 · 芬 奇 ( Leonardo da Vinci ,1452—1519):意大利文艺 复兴时期的美术家、自然科学家、 工程师,是力学理论的奠基者,为 水力学、流体力学古典理论的形成 做出了重要贡献。
宏观:考虑宏观特性,在流动空间和时间上所采用 的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰 撞时间大的多。
连续介质假设:把流体视为没有间隙地充满它所占据的整 个空间的一种连续介质,且其所有的物理量都是空间坐标 和时间的连续函数的一种假设模型:u =u(t,x,y,z)。
流体质点:也称流体微团,是指尺度大小同一切流动空 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。
2. 粘性产生的原因 1)分子不规则运动的动量交换形成的阻力 2)分子间吸引力形成的阻力
不同的流体分子之间的内聚力和分子不规则热运动 的动量交换程度不同。流体表现出的粘性的大小是不相 同的。
3.粘性力(内摩擦力) 由流体的粘性作用而产生的阻滞其流动的作用力,就
称为粘性力(内摩擦力) 。
流体与不同相的表面接触时,粘性表现为流 体分子对表面的附着作用。
若对上板施加力F,并使上板以速度保持匀速直线运动, 则内摩擦力T = F。通过牛顿平板实验得出:
运动的流体所产生的内摩擦力(即粘性力)的大小与 与下列因素有关:
接触面的面积A成正比; 与两平板间的距离h成反比; 与流速U成正比; 与流体的物理性质(黏度)成正比;
T AU
h
在计算时若知道流体运动的速度场就可以计算出速度 梯度,当h及U不太大时,板间沿法线方向的点流速可 看成线性分布,即:
3 . 从19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,同时古典流 体力学和实验流体力学的内容也不断更新变化, 如提出了相似理论和量纲分析,边界层理论和紊 流理论等,在此基础上,最终形成了理论与实践 并重的研究实际流体模型的现代流体力学。在20 世纪60年代以后,由于计算机的发展与普及,流 体力学的应用更是日益广泛。
达·芬奇的力学研究并不只限 于理论上。他还运用力学和机械原 理设计了许多机器和器械,参加了 运河、水利和建筑工程的设计和施 工。他通过对鸟翼运动的研究,于 1493年首次设计出一个飞行器。
他在水力学方面写有许多重要手稿,并在他死后以《水的运 动与测量》为题出版。
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第二节 流体的概念及连续介质假设
测量和计算表明上部吸力的贡献 比下部要大。
NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布
丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律, 有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。
地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、 环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研 究的对象。
航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油、 建筑等部门设备中的工作介质都是流体,改进流程, 提高效率,需要流体力学知识。
4、液体的比重
比重:是指液体密度与标准纯水的密度之比,没有单 位,是无量纲数。
s
G G
标准纯水:
a.物理学上——4℃水为标准, =1000 kg / m3; b.工程上——20℃的蒸馏水为标准, =1000 kg / m3;
二、流体的粘性 1.粘性的定义:流体内部质点之间或流层间因相对运 动而产生内摩擦力(切力)以反抗相对运动的性质。
实际上,汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。
20世纪30年代起,人们开始运用流体力学原理,改 进了汽车的尾部形状,出现了甲壳虫型,阻力系数 下降至0.6。
50~60年代又改进为船型,阻力系数为0.45。
80年代经风洞实验系统研究后,进一步改进为鱼 型,阻力系数为0.3。
后来又出现楔型,阻力系数为0.2。
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