流體力學(xué)課件第一章第1頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體的物理性質(zhì)與流體運(yùn)動(dòng)學(xué)1.流體的物理性質(zhì)1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)2.流體運(yùn)動(dòng)學(xué)2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述2.2跡線、流線和脈線2.3流場(chǎng)中的速度分解2.4作用于流體上的力2.5本構(gòu)關(guān)系第3頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的宏觀形態(tài)(固體、液體、氣體)固體

當(dāng)作用在物體上的力發(fā)生微小變化時(shí)，它的形狀及其組成微元之間相對(duì)位置的變化也是微小的。(不易變形)液體、氣體(流體)

就力學(xué)性質(zhì)而言，這兩種狀態(tài)是基本相同的：沒(méi)有特定的形狀，對(duì)于均質(zhì)的物體而言，其不同微元還可以自由地重新排列而不影響流體的宏觀性質(zhì)。當(dāng)適當(dāng)選取的力作用于物體時(shí)，無(wú)論這個(gè)力多大，流體組成微元間的相對(duì)位置都可以產(chǎn)生不小的變化(易變形)1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的宏觀形態(tài)(固體?液體?氣體)固體和液體間并沒(méi)有明顯的界限

觸變質(zhì)(如膠凍或油漆)：當(dāng)它們被靜放一段時(shí)間后，其性質(zhì)為彈性固體；當(dāng)它們受到搖晃、攪動(dòng)等劇烈變形后，又失去彈性而像液體瀝青：在一般情形下為固體，但如果施加長(zhǎng)時(shí)間的力，它的變形也象流體那樣可以無(wú)限增大濃的高分子溶液，也具有固液兩類(lèi)行為氣體和液體之間的差別不是本質(zhì)的都是穩(wěn)定的相態(tài)，都呈現(xiàn)出流動(dòng)性(或易變形性)區(qū)別：密度，體積彈性(可壓縮性)1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第5頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的微觀性質(zhì)宏觀性質(zhì)的差異直接與“物質(zhì)的分子熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和分子之間的相互作用存在著不同的情形”有關(guān)任何物質(zhì)都不是連續(xù)體，而是由處于分離狀態(tài)的大量粒子所組成，即分子、原子，它們之間存在相互作用力物質(zhì)呈現(xiàn)一定的宏觀狀態(tài)，是由于某種平均能量水平的大量分子，在分子制約下所采用的排列方式和運(yùn)動(dòng)方式的宏觀表現(xiàn)粒子間的作用力粒子電離后形成的庫(kù)侖力(Columb)粒子與粒子間的共價(jià)結(jié)合力粒子極化產(chǎn)生的范德華力(VandeWaals)1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第6頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的微觀性質(zhì)p13分子間作用力與分子間距的關(guān)系對(duì)于簡(jiǎn)單分子組成的物質(zhì)，常溫常壓下，分子間距的量級(jí)氣相分子：液相分子(水):固相分子：~d0

（液體分子間的距離比固體的稍大，1／3左右

）1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第7頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的微觀性質(zhì)氣體分子間距>10d0，分子力為弱相互作用，此時(shí)，只要分子的平均動(dòng)能足夠大，單個(gè)分子就能克服鄰近分子的吸引力而處于一種自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是說(shuō)分子在鄰近分子力場(chǎng)中具有的勢(shì)能遠(yuǎn)小于分子本身具有的動(dòng)能，勢(shì)能可以被忽略在偶爾的場(chǎng)合下，高能量分子也可能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與其他分子十分靠近，出現(xiàn)分子間短暫的強(qiáng)相互作用，通常，這種偶然出現(xiàn)的強(qiáng)相互作用過(guò)程被稱(chēng)為碰撞對(duì)于分子熱運(yùn)動(dòng)平均能量高的物質(zhì)，在分子碰撞以外的絕大部分時(shí)間，分子都處于自由狀態(tài)，大量分子的自由運(yùn)動(dòng)就呈現(xiàn)出高度混亂的情景，這種宏觀狀態(tài)稱(chēng)作氣體1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)?

第8頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的微觀性質(zhì)

固體分子間距~d0，固體分子的熱運(yùn)動(dòng)是處于低能量狀態(tài)，每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)受到分子間作用力的強(qiáng)大束縛，因而只能?chē)@著一個(gè)固定位置振動(dòng)典型的固體是晶體，晶體的分子或原子在相當(dāng)大的范圍內(nèi)(一個(gè)晶粒)作規(guī)則整齊的排列，這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“長(zhǎng)程有序”。由于大量分子整齊排列并處于強(qiáng)相互作用之下，這種結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的保持能力，宏觀上表現(xiàn)出很大的剛度。另一類(lèi)不典型的固體，如玻璃，稱(chēng)為非晶態(tài)固體或無(wú)定形固體，其原子或分子的排列表現(xiàn)為“短程有序”和“長(zhǎng)程無(wú)序”。這類(lèi)物質(zhì)分子的排列方式和液體很接近，不同點(diǎn)只是非晶態(tài)固體在常溫下仍具有阻止物體繼續(xù)變形的極大抗拒力，因而可以看成是粘度極高的“過(guò)冷液體”。(非晶態(tài)固體的粘性系數(shù)值高達(dá)天文數(shù)字，從力學(xué)的角度看，把它們歸為流體很不實(shí)際，故通常仍舊作為固體對(duì)待)1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第9頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的微觀性質(zhì)液體液體分子間距：~d0從簡(jiǎn)單的宏觀測(cè)量來(lái)看，液體分子排列的緊密程度和固體并沒(méi)有多大的差別固體溶化成液體后，密度一般只有百分之幾的變化液體分子之間也有強(qiáng)相互作用。到目前為止，用以揭示液體分子結(jié)構(gòu)的各種物理實(shí)驗(yàn)(如中子衍射，電阻測(cè)量等)，都支持這樣一種觀點(diǎn)：液體分子的排列也是有一定結(jié)構(gòu)的，但在整齊排列的每個(gè)液體分子群中，分子數(shù)要比固體晶粒中的分子數(shù)少得多。這種情況稱(chēng)為“短程有序”。在宏觀行為上，卻像氣體一樣具有易流動(dòng)性，而不能保持固定的形狀→在力學(xué)上，液體和氣體同歸屬于流體的范疇。

1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第10頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的微觀性質(zhì)固、液、氣的微觀性質(zhì)比較1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)第11頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

？→設(shè)想?連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體力學(xué)是研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)的，研究的對(duì)象不直接是這些物質(zhì)粒子本身，而是從這些物質(zhì)抽象出來(lái)的一種模型—連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為(假設(shè))物質(zhì)連續(xù)地?zé)o間隙地分布于物質(zhì)所占有的整個(gè)空間，流體宏觀物理量是空間點(diǎn)及時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。通常所說(shuō)的流體力學(xué)，就是指建立在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)基礎(chǔ)上的流體力學(xué)。?連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的思想：研究對(duì)象是物體的宏觀運(yùn)動(dòng)，即大量分子的平均行為，而不是單個(gè)分子的個(gè)別行為，因而可以不去考慮物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。事實(shí)表明，物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子的熱運(yùn)動(dòng)只對(duì)宏觀運(yùn)動(dòng)存在間接的影響，即只能通過(guò)影響物質(zhì)的熱力學(xué)特性來(lái)影響物體的運(yùn)動(dòng)。因此，類(lèi)似于熱力學(xué)方法，當(dāng)研究物體的變形、流動(dòng)等宏觀運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，就可以將物體作為一種連續(xù)體對(duì)待，而無(wú)須計(jì)及它的微觀分子結(jié)構(gòu)。?新問(wèn)題：怎樣把一個(gè)由分子和原子組成的質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)“等效地”代換為一個(gè)連續(xù)體？即應(yīng)如何正確規(guī)定連續(xù)體的質(zhì)量、動(dòng)量、能量等物理量在空間的分布。第12頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第13頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第14頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)(適用范圍)第15頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)(作業(yè))能把流體看作連續(xù)介質(zhì)的條件是什么？2．設(shè)稀薄氣體的分子自由程是幾米的數(shù)量級(jí)，問(wèn)下列兩種情況連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是否成立?(1)人造衛(wèi)星在飛離大氣層進(jìn)入稀薄氣體層時(shí)

(2)假想地球在這樣的稀薄氣體中運(yùn)動(dòng)．第16頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性第17頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性第18頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性第19頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性在1atm下，溫度從273K變化到373K，水的體積僅增加4.3%P360附錄表D.3,T=273.15,比容vf=1/1000(m3/kg),T=373.15,vf=1.044/1000(m3/kg)

第20頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性（作業(yè)）1.當(dāng)壓強(qiáng)增量為50000Pa時(shí)．某種流體的密度增加了0.02％。試求該流體的體積彈性模量。2.空氣(R0＝287.1N·m／(kg·K))在壓強(qiáng)為p＝105Pa,溫度為T(mén)＝20℃時(shí)，分別求其等溫壓縮系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。()提示：第21頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第22頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第23頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)自由程是指一個(gè)分子與其它分子相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過(guò)的直線路程第24頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第25頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第26頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第27頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第28頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第29頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第30頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第31頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第32頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)更精確計(jì)算對(duì)空氣，溫度為288K時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果第33頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第34頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第35頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第36頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)異性第37頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第38頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)第39頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)（作業(yè)）第40頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體的物理性質(zhì)與流體運(yùn)動(dòng)學(xué)1.流體的物理性質(zhì)1.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性1.4流體的輸運(yùn)性質(zhì)2.流體運(yùn)動(dòng)學(xué)2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述2.2跡線、流線和脈線2.3流場(chǎng)中的速度分解2.4作用于流體上的力2.5本構(gòu)關(guān)系第41頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第42頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第43頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第44頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第45頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述？加速度第46頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第47頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第48頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述第49頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運(yùn)動(dòng)的描述加速度第50頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第51頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第52頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第53頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第54頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第55頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第56頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第57頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第58頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第59頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4流線、跡線和脈線的關(guān)系第60頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4流線、跡線和脈線的關(guān)系第61頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4流線、跡線和脈線的關(guān)系第62頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流線與跡線4流線、跡線和脈線的關(guān)系第63頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第64頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第65頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第66頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第67頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第68頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第69頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第70頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第71頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第72頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第73頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第74頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第75頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第76頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第77頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第78頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第79頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場(chǎng)中的速度分解第80頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年