《工程流體力學》

電子教案上海電力學院能源與環(huán)境工程學院工程熱物理學科第一章 緒論

§1.1

流體的定義和特征§1.2

流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)§1.3

作用在流體上的力表面力質(zhì)量力§1.4

流體的密度§1.5

流體的壓縮性和膨脹性§1.6

流體的粘性§1.7

流體的表面性質(zhì)第一章緒論§1.1流體的定義和特征自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)一、流體的定義流體與固體的區(qū)別

固體的變形與受力的大小成正比；任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。具有流動性的物體（即能夠流動的物體）。流動性：在微小剪切力作用下匯發(fā)生連續(xù)變形的特性。流體包括液體和氣體第一章緒論§1.1流體的定義和特征一、流體的定義液體與氣體的區(qū)別液體的流動性小于氣體；液體具有一定的體積，并取容器的形狀；氣體充滿任何容器，而無一定體積。二、流體的特征流動性第一章緒論§1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運動的分子所組成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子距離大得多。問題的引出：第一章緒論§1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無數(shù)連續(xù)分布的流體微團組成的連續(xù)介質(zhì)。流體微團必須具備的兩個條件必須包含足夠多的分子；體積必須很小。一、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第一章緒論§1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)避免了流體分子運動的復雜性，只需研究流體的宏觀運動。2.

可以利用數(shù)學工具來研究流體的平衡與運動規(guī)律。二、采用流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點第一章緒論§1.3作用在流體表面上的力兩類作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力一、表面力1.應力

單位面積上的表面力。分離體以外的流體通過流體分離體表面作用在流體上的力，其大小與作用面積成比第一章緒論§1.3作用在流體表面上的力一、表面力2.法向應力和切向應力

第一章緒論§1.3作用在流體表面上的力二、質(zhì)量力作用在每個流體微團上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。例如：重力、慣性力、磁力第一章緒論§1.4流體的密度一、流體的密度單位體積流體所具有的質(zhì)量。密度表征物體慣性的物理量。單位：kg/m3

常見流體的密度：水——1000kg/m3

空氣——1.23kg/m3

水銀——136000kg/m3均勻流體：第一章緒論§1.4流體的密度二、流體的相對密度流體的密度與4oC時水的密度的比值。

式中，

f

——流體的密度（kg/m3）

w——4oC時水的密度（kg/m3）第一章緒論§1.4流體的密度三、流體的比容單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位：m3/kg第一章緒論§1.4流體的密度四、混合氣體的密度混合氣體的密度按各組分氣體所占體積百分數(shù)計算。式中：

1，

2，…

n

——各組分氣體的密度

a1，a2，…an——各組分氣體所占的體積百分數(shù)第一章緒論§1.5流體的壓縮性和膨脹性一、流體的壓縮性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。1.壓縮系數(shù)

單位壓力增加所引起的體積相對變化量2.體積模量

第一章緒論§1.5流體的壓縮性和膨脹性二、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。1.體脹系數(shù)

單位溫度增加所引起的體積相對變化量第一章緒論§1.5流體的壓縮性和膨脹性三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體1.可壓縮性流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。2.可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性1.粘性的定義流體內(nèi)部各流體微團之間發(fā)生相對運動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。(1)庫侖實驗(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內(nèi)摩擦。

第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))1.粘性的定義(續(xù))

(2)流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應流體內(nèi)部各流體微團之間會產(chǎn)生粘性力；流體降粘附于它所接觸的固體表面。第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))2.牛頓內(nèi)摩擦定律

(1)牛頓平板實驗當h和u不是很大時，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))2.牛頓內(nèi)摩擦定律(續(xù))

(2)牛頓內(nèi)摩擦定律實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)μ，得：第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))2.牛頓內(nèi)摩擦定律(續(xù))

(2)牛頓內(nèi)摩擦定律(續(xù))⑴粘性切應力與速度梯度成正比；(2)粘性切應力與角變形速率成正比；(3)比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明：CDBAd

badydudt第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))流體粘性大小的度量,由流體流動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。(1)動力粘度(2)運動粘度3.粘度第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))3.粘度（續(xù)）

(3)粘度的影響因素溫度對流體粘度的影響很大溫度壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓氣體：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度↑→分子熱運動↑→動量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑

第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))3.粘度（續(xù)）

(3)粘度的影響因素（續(xù)）壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計當溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增大

液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。

溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓

氣體：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。

溫度↑→分子熱運動↑→動量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑

第一章緒論§1.6流體的粘性一、流體的粘性(續(xù))3.粘度（續(xù)）

(4)粘度的測量管流法落球法旋轉(zhuǎn)法工業(yè)粘度計第一章緒論§1.6流體的粘性二、粘性流體和理想流體1.粘性流體

具有粘性的流體（μ≠0）。2.理想流體

忽略粘性的流體（μ=0）。一種理想的流體模型。第一章緒論§1.6流體的粘性三、牛頓流體和非牛頓流體1.牛頓流體

2.非牛頓流體

符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如水、空氣、汽油和水銀等不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等。第一章緒論§1.7液體的表面性質(zhì)一、表面張力1.表面張力現(xiàn)象

水滴懸在水龍頭出口而不滴落；

細管中的液體自動上升或下降一個高度（毛細管現(xiàn)象）；

鐵針浮在液面上而不下沉。

表面張力1）影響球

液體分子吸引力的作用范圍大約在以3~4倍平均分子距為半徑的球形范圍內(nèi)，該球形范圍稱為“影響球”。

2）表面層厚度小于“影響球”半徑的液面下的薄層稱為表面層。

3）表面張力

表面層中的液體分子都受到指向液體內(nèi)部的拉力作用，單位長度上的這種拉力稱為表面拉力。2.表面張力現(xiàn)象

第一章緒論§1.7液體的表面性質(zhì)一、表面張力（續(xù)）(1)影響球液體分子吸引力的作用范圍大約在以3~4倍平均分子距為半徑的球形范圍內(nèi)，該球形范圍稱為“影響球”。

2.表面張力

(2)表面層厚度小于“影響球”半徑的液面下的薄層稱為表面層。

(3)表面張力σ（N/m)液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)生的拉力,單位長度上的這種拉力稱為表