2023/2/6流體力學泵與風機蔡增基主編中國建筑工業出版社

流體力學2023/2/6第一章緒論

§1.1

流體力學的任務及其發展簡史§1.2

作用在流體上的力§1.3

流體的主要物理力學性質§1.4流體的力學模型2023/2/6目的要求：了解流體力學課程在本專業中的應用，認識到流體力學是建筑環境與設備工程專業主要專業技術基礎課，了解流體力學的研究對象、任務以及流體力學的研究方法；掌握表面力和質量力的區別。掌握流體的連續介質模型、流體的主要物理性質：易流動性、密度與重度、粘性與理想流體模型、壓縮性與不可壓模型、表面張力特性、汽化壓強特性。教學重點：作用在流體上的力：表面力和質量力；流體的連續介質模型、密度與重度、粘性與理想流體模型、牛頓內摩擦定律、壓縮性與不可壓縮性流體模型。教學難點：表面力和質量力的區別，連續介質模型、牛頓內摩擦定律。2023/2/6一、流體力學的研究對象

流體力學是近代力學的一大分支，它是研究流體的平衡和機械運動規律以及流體與周圍物體之間相互作用的科學，主要是確定流體的速度分布，壓強分布與能量損失，以及流體與固體相互間的作用力與作用力矩。流體力學中研究得最多的流體是水和空氣。除水和空氣以外流體還包括作為汽輪機工作介質的水蒸汽、潤滑油、石油、含泥沙的水體、血液、溶化狀態下的金屬和燃燒后產生的成分復雜的氣體，高溫條件下的等離子體等等。§1.1

流體力學的任務及其發展簡史2023/2/6

流體力學是一門即古老又新興的學科，存在著極為廣闊的研究天地。二、流體力學的任務例如：航空、航天、航海、天文氣象、地球物理、水利水電、熱能制冷、土建環保、石油化工、氣液輸送、燃燒爆炸、冶金采礦、生物海洋、軍工核能、機械制造、機械工程等等部門都有許多流體力學問題。2023/2/6三、流體力學的研究方法流體力學有三種研究方法。一種是理論方法，分析問題的主次因素提出適當的假定，抽象出理論模型（如連續介質、理想流體、不可壓縮流體等等），適用數學工具尋求流體運動的普遍解。一種是實驗方法，將實驗流動問題概括為相似的實驗模型，在實驗中觀察現象、測定數據并進而按照一定方法推測實驗結果。再一種是計算方法，根據理論分析與實驗觀測擬訂實驗方案，通過編制程序輸入數據，用計算機算出數值解。這三種研究方法各有所長，也各有所短。需要相輔相成才有利于推進流體力學的發展。現代流體力學已將這三種方法有機地結合起來，推動了流體力學的飛速發展。2023/2/6側重于理論分析的流體力學稱為理論流體力學側重于工程應用的流體力學稱為工程流體力學2023/2/6

古希臘的阿基米德對流體力學學科的形成作出第一貢獻。他建立了包括物理浮力定律和浮力穩定性在內的液體平衡理論。奠定了流體靜力學的基礎。

四、流體力學的發展史流體力學的形成和發展大致分為五個時期：第一時期：公元前二十世紀前。拋射體在流體中的運動問題的提出。第二時期：公元前二十世紀至十七世紀下葉。阿基米德——浮力的定量理論；馬里奧特——測量運動物體阻力的天稱；帕斯卡——流體靜力學的基本關系式；第三時期：十七世紀下葉至二十世紀初葉。牛頓——粘性流體的剪應力公式；2023/2/6伯努力——定常不可壓縮流體的伯努力定理；第四時期：二十世紀初葉至中葉。普朗特——邊界層理論。歐拉——流體運動的描述方法和無粘性流體運動的方程組;拉格朗日——流函數；雷諾——雷諾實驗、雷諾方程式；納維－斯托克斯——粘性流體運動微分方程。第五時期：二十世紀中葉以后。流體力學開始研究氣象、海洋、石油、化工、能源、環保和建筑等領域中的流體力學問題，并與有關鄰近學科相互滲透，形成許多新分支。2023/2/61732年皮托發明了量測流體流速的皮托管2023/2/61738年伯努利給出理想流體運動的能量方程2023/2/61755年歐拉導出理想流體運動微分方程2023/2/61769年謝才建立了計算均勻流的謝才公式2023/2/61856年達西提出了線性滲流的達西定律2023/2/6五、如何學好流體力學

1.掌握從一般到特殊的學習方法從物體機械運動普遍規律出發，掌握一般形式的基本方程組，再根據具體條件分析具體問題，派生方程只是基本方程在不同條件下的簡化應用。

2.在掌握“三基”上下功夫

掌握基本原理、基本概念、基本方法，反復訓練，深刻理解。

3.認真聽課，適當記筆記對自己認為的重點、難點認真聽老師的講解和處理方法，對典型的課堂例題，應記錄分析問題的思路、解題步驟。2023/2/6

4.作好預習，有準備地聽課對較難章節，一定要預習，看不懂的地方重點聽老師講解，要把70％的精力放在看書上，重要的是理解，不要死記硬背。

5.解題規范化，加強基本功訓練作業最好抄題，便于復習時參考。堅持用物理方法解題，要拆題型，認真歸納，明確其中知識點，掌握解題思路和方法步驟，達到解題觸類旁通，舉一反三的目的。

6.重視實驗，親手去做對教學大綱中規定的實驗都親自認真去做，加強對所學知識的理解、應用和升華。培養獨立的動手能力，也為將來進行科學實驗研究奠定基礎。2023/2/6一、質量力

質量力是作用在流體的每一個質點（或微團）上的力，與流體微團質量成正比并且集中作用在微團質量中心上。定義：

§1.2

作用在流體上的力⊿FB⊿m為單位質量的質量力，簡稱單位質量力。其單位為N/kg或m/s2，與加速度的單位因次相同。2023/2/6質量力重力直線運動慣性力離心慣性力

------質量力上式以向量形式表示。2023/2/6二、表面力表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力⊿P⊿T⊿F⊿A2023/2/6作用于單位面積上的切力稱為切應力，以τ表示壓強和切應力的單位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa）作用于單位面積上的壓力稱為壓強，以p表示表面力分為壓力和切力2023/2/6§1.3

流體的主要力學性質一、慣性

慣性是物體保持其原有運動狀態的一種性質。表征某一流體的慣性大小可以用該流體的(1)密度,(2)重度(容重)。對于均質流體的密度：對于非均質流體的密度：(1)密度2023/2/6重度（容重）是單位體積流體的重量，以符號γ表示，單位是N/m3對于均質流體的密度：對于非均質流體的密度：(2)重度（容重）2023/2/6水和空氣的密度（一個標準大氣壓下）溫度T(℃)水ρ（㎏/m3）空氣ρ（㎏/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1471.1282023/2/6

流體具有流動性，流體內部質點間或流層間因相對運動而產生內摩擦力（內力）以反抗相對運動的性質（流體在流動狀態下抵抗減切變形的性質）稱為流體的粘性。

二、粘性2023/2/6牛頓內摩擦定律

2023/2/6流速梯度可以表示為流體的切應變率或角變形率

2023/2/6動力粘度μ的單位為N/m2·s運動粘度ν的單位為m2/s流體的粘度與流體的種類、溫度和壓強有關。但對某種流體而言，粘度值受溫度的影響較大流體的運動粘度和動力粘度2023/2/6水和空氣的物理性質溫度T(℃)水的動力粘度μ（10-3N·s/m2）水的運動粘度ν（10-6m2/s）空氣的動力粘度μ（10-3N·s/m2）空氣的運動粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.62023/2/6凡是滿足牛頓內摩擦定律的流體，稱為牛頓流體；反之為非牛頓流體2023/2/6例題兩平行平板間隙δ=1cm，水溫為20℃，下板固定不動，上板以u=2m/s的速度向右運動。設流速沿間隙δ按線性分布。試求：（1）切應力τ沿間隙的分布（2）薄板的面積為2m2，薄板的拖曳力。2023/2/6解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，

（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N2023/2/6

四、壓縮性和膨脹性

壓縮性體積壓縮系數E的單位為N/m2液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理

β的單位為m2/N流體的彈性模量2023/2/6熱脹性

a單位為T-1氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性當氣體運動速度小于一定的速度，如50m/s，可不考慮其壓縮性體積膨脹系數在供熱通風工程中，所遇到的大多數氣體流動，速度遠小于音速，其密度變化不大（當速度等于68m/s時，密度變化為1%；當速度等于150m/s時，密度的變化也只有10%

），可當作不可壓縮流體看待。2023/2/6

液體表層的分子受到上下兩側分子的引力不同，在合引力的作用下，液體表面仿佛是一張拉緊的彈性膜。從宏觀上看，這種存在于液體表面上的拉力稱為液體的表面張力液體表面張力的大小可用表面張力系數σ表示，σ的單位為N/m五、表面張力特性2023/2/6毛細現象

h由于表面張力的作用，管內的液體表面會高于或低于管外的液面，稱為毛細管現象2023/2/6接觸角PP0R液體氣體接觸角概念：當液體與固體壁面接觸時，在液體與固體壁面接觸處作液體表面的切面，此切面與固體壁面在液體內部所夾部分的角度稱為接觸角，當為銳角時，液體潤濕固體，當為鈍角時，液體不潤濕固體。水與玻璃的=80—900

水銀的=13802023/2/62023/2/6當溫度為20℃時，水在玻璃管中的升高值的計算公式計算公式中的單位以mm計水銀在玻璃管中的降低值的計算公式2023/2/6§1.4流體的力學模型連續介質流體的宏觀特性和微觀運動質點的概念：宏觀看非常小，可視為空間的一個點；微觀看又很大，每個質點包含足夠多的分子并保持著宏觀運動的的一切特性連續介質模型將流體看作由無數沒有微觀運動的質點組成的沒有空隙的連續體，表征流體運動的各物理量在時間和空間上都是連續分布和連續變化的2023/2/6無黏性實際流體總是存在粘性，實際流體稱為粘性流體為簡化研究，忽略流體的粘性，引入理想流體的概念2023/2/6不可壓縮2023/2/6

(1)空氣的體積彈性模數E(a).P(b).T(c).(d).RT思考題(a)2023/2/6

(2)---------是非牛頓流體

(a).水(b).空氣

(c).血液(d).瀝青思考題(C)(D)2023/2/6

(3)流體的粘性與流體的------無關

(a).分子內聚力(b).