流体力学第1章讲解.ppt

* 水力学课件 流 体 力 学 授课教师：杨 向 龙 联系方式办公地点：院馆A525 Email: xlyang@szu.edu.cn QQ群：3220 69640 2015年3月 绪 论 主要内容： 作用于流体上的力 流体的连续介质模型 流体力学的研究方法 流体力学的任务与研究对象 流体的主要物理性质 1.1 流体力学的任务与研究对象 流体力学：用实验和理论分析的方法研究流体（以水为代表）的平衡和机械运动的规律及其在实际工程中应用的一门学科。 流体力学的任务，具体地说：是以数学、物理、理论力学为基础，采用理论分析与实验研究相结合的方法，研究流体平衡和机械运动的规律及其实际应用。 流体力学是力学的一个分支，是一门技术科学，是土木工程类专业的一门重要课程。 物质存在的三种形态 固体——分子间距小，内聚力大，能保持固定的形状和体积，能承受拉力、压力和剪切力； 液体——分子间距较大，内聚力很小，不能承受拉力，能保持固定的体积，但不能保持固定的形状；静止的液体不能抵抗剪切力，运动的液体有一定的抵抗剪切力的能力； 气体——分子间距很大，内聚力很小，不能承受拉力，既没有固定的体积，也没有固定的形状。静止的气体不能抵抗剪切力，运动的气体有一定的抵抗剪切力的能力； 物质存在的三种形态 液体和气体均属于流体，分子间距大，内聚力小，能承受压力，但不能承受拉力，在微小剪切力作用下，易产生变形，这种性质称为流体的易流动性。 气体和液体的根本区别在于它们的可压缩程度不同。液体基本上是不可压缩的。当所讨论的气流速度远小于音速时，气体的密度变化很小，气流的运动规律与水流相近，因此水力学的基本原理也适用于低速气体。 流体力学的研究对象以液体（主要是水）为主，但大部分结论对低速气体也适用。 流体在剪切力作用下连续变形的现象称为流动 流体静力学——是关于液体平衡的规律，它研究液体处于静止（或相对静止）状态时，作用于液体上的各种力之间的关系。 流体动力学——是关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素（如速度、加速度等）之间的关系。 土建工程中的水力学计算——如管流，明渠流，堰流，地下水计算等等。 按流体的运动形式，流体力学可分为两部分 静力学 动力学 本课程的主要内容包括三部分： 流体力学的研究内容 实际工程中的流体力学问题 城市生活及工业用水的给排水问题——取水口的布置，管路布置，水管直径和水塔高度计算，水泵功率等一系列水力学问题。 铁路、公路、桥梁、航道及港口建设——桥涵孔径设计，路基排水，隧道通风及排水等水力学问题。 房屋建筑工程——地下水运动，围堰渗流等水力学问题。 风工程——风荷载对构筑物的作用以及风的运动特性等问题。 水对水工建筑物的作用力问题 水工建筑物的渗流问题 河渠水面曲线问题 水工建筑物下游的消能问题 水工建筑物的过水能力问题 航道整治中的水力学问题 1.2 连续介质和理想流体的概念 1.2.1 连续介质概念 连续介质假设：假设流体属连续介质，即认为流体所占据的空间完全由流体质点所充满而毫无空隙，流体质点在时间过程中作连续运动。 流体力学所研究的流体运动是连续介质的连续流动。 根据长期的生产实践和科学实验证明：利用连续介质的假定所得出的有关流体运动规律的基本原理与客观实际是符合的。 意义：使描述流体运动的一切物理量在空间和时间上连续，故可利用连续函数的分析方法来研究流体运动。 1.2 连续介质和理想流体的概念 1.2.2 流体质点的概念 流体质点：是指微观上足够大而宏观上又充分小的流 体分子团。 微观上足够大：流体分子团内应含有足够多的分子， 以保证其运动物理量的统计平均值是一个稳定的常数。 宏观上足够小：流体分子团的宏观尺寸应远远小于所 研究问题的特征尺寸。使得分子团内的物理量可以看 成是均匀分布的，从而可以将它近似地看成是一个几 何上没有维度的点。 1.3 流体的主要物理性质 惯性、质量与密度 粘性与粘度 压缩性与不可压缩模型 表面张力 万有引力特性与重力 1.3.1 惯性、质量与密度 惯性就是物体保持原有运动状态的特性。 由于流体的惯性引起对外界抵抗的反作用力称为惯性力。 质量的单位用kg, 力的单位为N。1N的力定义为：在1N力的作用下，质量为1kg的物体得到1m/s2的加速度。 密度是指单位体积流体所含有的质量，用ρ表示 密度 密度的量纲为[M/L3]，单位为kg/m3 对于均质流体， 流体的密度随温度和压强而变化，但这种变化很小，水力计算中常把水的密度视为常数，采用一个标准大气压、温度为4℃时蒸馏水的密度来计算，即取ρ水=1000 kg/m3 每个物理量都包括有量的数值及量的种类。量的种类即称