第一绪论;1-1流体力学及其任务.docVIP

第一章 绪论 学习要点：熟练掌握流体力学、质点、粘性和单位质量力等基本概念；掌握流体的主要物理力学性质、基本假设、流体力学的研究方法和作用在流体上的力；了解流体力学的主要任务、发展现状和非牛顿流体。 第一节 流体力学及其任务 一、流体力学的研究对象 1.基本概念 流体力学是研究流体的机械运动规律及其应用的科学，是力学的分支学科。它是相对于一般力学和固体力学而言的。流体力学的内容包括三个基本部分：流体静力学、流体运动学和流体动力学，流体静力学是研究流体（以水为代表的液体和以空气为代表的的气体）在静止状态下的力学规律及其应用，它的结论对理想流体和粘性流体均适用。。而流体运动学是一门研究流体的运动规律及其应用的学科。流体动力学是研究流体的运动规律与力学规律及其应用的学科 2.流体力学假设 从物理学中已经知道，一切物质是由分子构成的。物质一般有三态，即固态、液态和气态，流体就包括了物质三态中的液态和气态两态，流体的基本特征是具有流动性。所谓流动性是指流体的在微小剪力作用下连续变形的特性。固体一般情况下没有流动性，在剪力作用下可以维持平衡。所以流动性是区别流体和固体的力学特征。实际上有些固体在特定的条件下也具有流动性，譬如沙在受热或扰动的情况下的流动。本课程仅仅研究流体的有关问题。 固体的分子运动主要是围绕分子的平衡位置振动，而流体分子的运动还有平移和旋转运动。因此，在宏观上，固体有固定形状；而流体则易于流动变形，没有固定的形状，其中，液体一般具有不可压缩的特性，有着固定的容积，一定量的液体不论在容器中(只要容器足够大)或无限空间中，总是占有一定量的容积，不会充满于整个容器或无限空间的。这时的液体总有一部分表面与周围的空气或其他气体介质相接触，我们称之为自由表面。若周围的介质是别的不相混和的液体，则这种表面称为液体分界面或简称分界面。 故在流体力学中我们假设液体是一种容易流动、不易压缩、均质、等向、有粘性的连续介质。在发生水击应考虑其压缩性，而在产生汽蚀水击汽蚀时需考虑其非连续性，此内容详见相关教材或参考书。 气体与液体有所不同，它具有明显的压缩性，无固定容积，充满于容器的整个空间，无自由表面。故在流体力学中我们假设气体是一种容易流动、容易压缩、均质、等向、无粘性的连续介质。 在低速的空气流动中，气体的压缩性并不明显，与液体的流动遵循相同的运动规律，对空气来说，当其速度相当于音速的40％左右时，则气体的压缩性就不能忽略不计了，这时气体的运动规律将由气体动力学来进行研究。 二、流体力学的分类 流体力学是按其研究内容的侧重点不同，分为理论流体力学和工程流体力学，理论流体力学主要运用严密的数学推理方法，力求结果的准确性和严密性；工程流体力学则侧重于解决工程实际中出现的问题，而不去追求数学上的严密性。从历史发展角度分为古典流体力学、试验流体力学和现代流体力学，古典流体力学是在古典力学基础上，运用严密的数学工具，建立有关理想流体及实际流体的基本运动方程，但理论中假设与实际不尽相符。实验流体力学是工程技术人员用实验方法制定一些经验公式，满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础。近来发展成的现代流体力学是由实验方法和理论分析相结合，实践和理论并重的学科。 目前流体力学已经发展出许多分支，如：《环境流体力学》、 《计算流体力学》、 《高等流体力学》、《电磁流体力学》、《化学流体力学》、《生物流体力学》、《高温气体力学》 、《非牛顿流体力学》、《工业流体力学》、《随机水流体力学》、《坡面流体力学》、《高速流体力学》、《流体动力学》、《空气动力学》、《多相流体力学》、《实验流体力学》、《爆破力学》等。在公路与桥梁工程中，在地下建筑、岩土工程、水工建筑、矿井建筑等土木工程等各个分支中，也只有掌握好流体的各种力学性质和运动规律，才能有效地、正确地解决工程实际中所遇到的各种流体力学问题 三、连续介质模型 1.连续介质假设 在流体力学中假设流体是一种由密集质点（大小与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）组成、内部无空隙的连续体。 与一切物体一样。流体是大量由分子所组成，而分子之间由于其相互吸引和排斥的分子力之作用，所有分子都在时刻不停地在运动着。液体和气体的分子运动，比一般固体更为激烈，上面所谓流体的平衡和运动规律，不包括这里所说微观上的分子运动。流体力学所要研究的是流体在宏观上的平衡和运动规律。具体地说就是由外部原因，比如重力、压力差、摩擦力等作用所引起的宏观运动，若把物体的平衡状态，作为运动状态的特例，那么，流体力学的研究任务，就可简单地说成是研究流体的宏观运动规律。 流体力学研究流体宏观机械运动的规律，也就是大量分子随机平均的规律性。1755年瑞士数学家和力学家欧拉（Euler．L．1701—1783）），若作用在上的总表面力为，