基础篇 流体力学 课件 ppt.pptVIP

* 基 础 篇 B1. 流体及物理性质 B2. 流动分析基础 B3. 微分形式的基本方程 B4. 积分形式的基本方程 B5. 量纲分析与相似原理 本篇的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识，包括流体的: 第二个目的是从物理学基本定律出发建立流体运动和力（能量）的定量关系，这些物理定律包括： 输运特性（如粘性等） 运动学特性（如平移、旋转和变形规律等） 热力学特性（如密度、可压缩性、状态方程等) 其他特性（如流态等） 质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律等 流体、运动和力（能量）是构成流体力学的三个基本要素，本篇将围绕这三个要素从定性和定量两个方面介绍流体力学的基本概念、基本定理和基本方法。 分析运动与力(能量)的定量关系的方法有： 理论分析法 实验方法 数值方法（不是本教程的重点） B1.1.1 流体的微观和宏观特性 图B1.1.1 流体团分子速度的统计平均值曲线 B1. 流体及其物理性质 ? 流体分子微观运动 自身热运动 ? 流体团宏观运动 外力引起 统计平均值 B1.1.2 流体质点概念 为了符合数学分析的需要，引入流体质点模型 B1. 流体及其物理性质 ? 为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元（流体元）模型： (1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平 移运动; (2) 将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。 (1)流体元由大量流体质点构成的微小单元（δx，δy，δz）； (2) 由流体质点相对运动形成流体元的旋转和变形运动。 B1. 流体及其物理性质 B1.1.3 连续介质假设 连续介质假设：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学 是自然图形的抽象一样。 (1)可用连续性函数B(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和 时间变化； (2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函 数理论求解方程。 ? 除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作 理论分析。 流体与固体在宏观力学行为方面的主要差异是流体具有易变形性。 流体的易变形性表现在： B1. 流体及其物理性质 B1.2 流体的易变形性 流体的力学定义是：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。 ▲ 在剪切力持续作用下，流体能产生无限大的变形； ▲ 在剪切力停止作用时，流体不作任何恢复变形； ▲ 任意搅拌的均质流体，不影响其宏观物理性质； ▲ 在流体内部压强可向任何方向传递； ▲ 粘性流体在固体壁面满足不滑移条件； ▲ 在一定条件下流体内部可形成超乎想象的复杂结构； B1. 流体及其物理性质 B1.3 流体的粘性 B1.3.1 流体粘性的表现 1. 流体内摩擦概念 牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出： 相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力。 ? 库仑实验(1784) 库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。 ? 流体粘性形成原因: (1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成 (2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成 B1. 流体及其物理性质 2. 壁面不滑移假设 由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动。 B1.3.1 流体的粘性(续） ? 库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设； ? 壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑移 　条件。 B1. 流体及其物理性质 B1.3.2 牛顿粘性定律 牛顿在《自然哲学的数学原理》中假设：“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力，同这两部分彼此分开的速度成正比”。即在图中，粘性切应力为 上式称为牛顿粘性定律，它表明： ? 牛顿粘性定律已获得大量实验证实。 ⑴粘性切应力与速度梯度成正比； ⑵粘性切应力与角变形速率成正比； ⑶比例系数称动力粘度，简称粘度。 ? 与固体的虎克定律作对比： B1. 流体及其物理性质 B1.3.3 粘度 1.动力粘度 粘度的单位是Pa?s(帕秒）或 kg/m?s 水： 空气： 常温常压下，水和空气的粘度系数分别为 ? 温度对流体粘度的影响很大 B1. 流体及其物理性质 B1.3.3 粘度 2.运动粘度 常温常压下，水和空气的粘度系数分别为 运动粘度的单位是 水： 空气：