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第一章 流体及其物理性质
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 流体的定义和特征 流体力学发展简史 流体的连续介质模型 国际单位制 流体的密度 流体的压缩性和膨胀性 流体的黏性 流体的表面张力
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1.1 流体的定义和特征
• 一、流体的定义
• 流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变 形的物质，只要这种力继续作用，流体就将继 续变形，直到外力停止作用为止。 • 固体受到剪切力作用时，仅产生一定程度的变 形，作用力保持不变，固体变形就不再继续。
p
液体体积压缩系数很小，例如水（表1-7）
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• 气体的体积压缩系数推导
• 二、流体的膨胀性
在一定的压强下，随着温度上升，流体的 体积膨胀，称为流体的膨胀性。可用温度膨胀 系数表示：
V / V T T
水的膨胀系数较小（表1-8） • 气体的温度膨胀系数推导
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• • • •
三、可压缩流体与不可压缩流体 任何实际流体都是可以压缩的。 不可压缩流体是指密度为常数的流体。 液体可作为不可压缩流体。例如：当水压增加 一个大气压，体积仅缩小万分之零点五 • 但是，在水击现象、水下爆炸等问题中，还要 将水当作可压缩流体来处理。
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1.2 流体力学发展简史
• 流体力学的研究可以追溯到很远。远古时代， 箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低 摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。在我国，墨 家经典《墨子》中就有关于浮力规律的探讨， 其他如：北魏贾思勰的《齐名要术》、《淮南 子》、以及后来的《太平寰宇记》、《考工记》 等都有关于流体力学问题的记载。曹冲称象、 怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识的脍炙人 口的故事。而把流体力学真正当作一门学问来 研究则是在西方。
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• 流体力学在工业技术中有着广泛的应用， 热能工程、环境工程、机械工程、水利 工程、造船工业、航空航天、土木建筑、 冶金化工中都离不开流体力学。 • 在热能工程中的许多实际问题，实际上 就是流体力学问题。如锅炉中的汽水循 环，汽轮机的工作原理，水泵、风机的 工作原理等都要用到流体力学的基本原 理，因此学好流体力学就为将来从事热 能工程的技术工作打下坚实的基础。
理想
du dy
牛顿流体 塑性流体 拟塑性流体 胀流型流体
水、多数气体、润滑油 牙膏、凝胶 纸浆、高分子溶液 油漆、油墨
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• 五、黏性流体和理想流体
• 1、实际流体都是有黏性的。 • 2、理想流体是指黏度为零的流体。 • 3、当流场中黏性应力较小时，实际流体可视 为理想流体。 • 例1-3
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1.8 液体的表面张力
长度 质量 时间 米 千克 秒 m kg s
热力学温度
电流 物质的量 发光强度
开尔文
安培 摩尔 坎德拉
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K
A mol cd
1.5 流体的密度
• 一、流体的密度
m lim V 0 V
• 均匀流体的密度
m V
• 常用流体的密度（表1-5、1-6）
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• 二、流体的相对密度
• 气体可作为可压缩流体。 • 当气体流场中各点的密度差较小、流动马赫数 较小时，气体也可视为不可压缩流体。
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1.7 流体的黏性
• 一、流体黏性的例子
当流体层间发生相对 滑移时产生切向阻力 的特性，就是流体的 黏性。
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• 二、牛顿内摩擦定律
y
U
F
u
h
x
y
AU F h F U A h
一、表面张力
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二、毛细现象
1、内聚力与附着力 2、毛细现象
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本章作业
习题一 3、5、7、10、11、12
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• 易流动性是流体的一大特征。
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• 二、液体和气体
• 液体和气体是常见的流体。当液体和气体接触 时，两者之间形成交界面，称为液体的自由表 面。 • 气体的密度大大小于液体。气体分子间的距离 与分子直径相比很大，故分子间的吸引力很小。 故它极易变形和流动，而且总是充满它所能达 到的全部空间。 • 液体分子间的距离较小，分子间的吸引力较大， 故它不能象气体分子那样自由运动，只能在周 围分子作用下作无规则的振动和在分子间的移 动。所以，液体的流动性不如气体。
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边界层理论
冯卡曼涡街 混沌理论
1.3 流体的连续介质模型
• 一、流体质点
一块体积为无穷小的微量流体，但包含为 数众多的流体分子，可反映大量分子运动的统 计平均值。
• 二、连续介质假设
将流体视为由无数连续分布的流体质点组 成的连续介质。
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1.4 国际单位制
International System of Units(SI)
前
言
• 工程流体力学是能源与环境工程专业学 生的主要专业基础课之一。后续的专业 课程，有很多是这门课程的综合和实际 的应用。学好这门课程，对能源、环境、 机械、土木工程专业学生，尤为重要。 • 工程流体力学主要介绍流体的性质及其 运动规律。学习这些知识，可以认识流 体的平衡特性，流体的流动规律，流体 的流动形态，流体流动的阻力特性等。
S w 1000
• 三、流体的比体积
v 1

• 四、混合气体的密度
i i
i 1
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n
1.6 流体的压缩性和膨胀性
• 一、流体的压缩性
流体受到的压强增大，则体积缩小，称为 流体的压缩性。可用体积压缩系数或体积模量 表示：
V / V p p 1 Kp
dy
u du
u x
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du dy
• 三、动力黏度

du dy
• 运动黏度

• • • • •
动力黏度的影响因素 1、压强的影响 2、温度的影响 水和空气的黏度（表1-9） 常见气体、液体的黏度（表1-11、1-12）
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• 四、牛顿流体和非牛顿流体

弹性体
塑性 拟塑性 牛顿流体 胀流型
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1738 1752 1775 1781
伯努利 达朗贝尔 欧拉 拉格朗日、拉普拉斯
伯努利方程 达朗贝尔佯谬 欧拉运动方程 复位势理论 N-S方程 泊肃叶流动 雷诺应力
1823-1845 纳维、斯托克斯 1840 1883 泊肃叶 雷诺
1904-1908 普朗特、布拉修斯
1912 1963 冯卡曼 洛仑兹
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• 希腊数学家阿基米德（公元前287-212年）导 出了浮力定律，正确给出静止的粘性流体问题 的精确解。 • 文艺复兴时期，意大利著名画家、科学家达芬 奇（1452-1519）正确推导了一维不可压流动 的量守恒方程。在他的笔记中还有关于波动、 水跃、自由射流等流体力学问题的精确描述。 • 1687年牛顿（1642-1727）发表的《自然哲学 的数学原理》对几乎所有普通流体的粘性性状 作了如下的简单描述：“流体的两部分（若其 他情形一样）由于缺乏润滑性而引起的阻力， 同流体两部分彼此分开的速度成正比”。今天， 这种符合线性粘度规率的流体被称为“牛顿流 体”。