流体力学第一章绪论g讲解
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蔡增基《流体力学》考点精讲及复习思路第一章 绪论1 本章考情分析本章主要介绍了流体力学中的最基本概念和流体的主要力学性质,考试中主要在名词解释、简答以及小计算题涉及,相对来说属于基础题,但切不可掉以轻心,本章是理解全书的基础。
在试卷后五道计算大题中,本章的内容虽不会直接予以考察,但对于理解题目、分析和计算中占有举足轻重的地位,所以这一章显得尤为关键。
2.本章框架结构本章首先介绍了流体的概念,然后介绍了流体的主要力学性质,继而按照流体上力的作用方式分析了作用在流体上的力。
最后阐述了力学模型及三大假设。
3.[考点精讲]考点一 流体的概念(1)流体流体指可以流动的物质,包括气体和液体。
特点(与固体比较):流体分子间引力较小,分子运动剧烈,分子排列松散,流体不能保持一定的形状,具有较大的流动性。
(2)气体和液体差别:一是气体具有很大的压缩性,液体压缩性非常小;二是气体将充满整个容器,而液体则有可能存在自由液面。
(3)流体的分类:一、按流体作用力的角度分类:流体静力学、流体运动学、流体动力学二、按力学模型分类:理想流体动力学、粘性流体动力学、非牛顿流体力学、可压缩流体动力学、不可压缩流体动力学(4)牛顿流体与非牛顿流体符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体,牛顿流体受力后极易变形,是切应力与变形率成正比的低粘性流体。
凡不同于牛顿流体的流体都称为非牛顿流体。
常见的牛顿流体:空气,水,酒精,特定温度下的石油等;常见的非牛顿流体:聚合物溶液,原油,血液等。
(5)实际流体和理想流体实际流体:粘度不为0的流体称为实际流体或粘性流体。
理想流体:粘性为0的流体称为理想流体或无粘流体。
(6)不可压缩流体:不可压缩流体是指每个质点在运动全过程中密度不变的流体,对于均值的不可压缩流体,密度是是处处都不变化,即ρ=常数。
液体分子距很难缩小,而可以认为液体具有一定的体积,因此通常称为不可压缩流体考点二 连续介质假设(1)连续介质假设定义这一假设认为流体质点(微观上充分大,宏观上充分小的分子团)连续的充满了流体所在的整个空间,流体所具有的的宏观物理量(如质量、速度、压力、温度等)满足一切应该遵循的物理定律及物理性质,例如质量守恒定律,牛顿运动定律、能量守恒定律、热力学定律以及扩散、粘性及热传导等输运性质。
第一章,绪论1、质量力:质量力是作用在流体的每一个质点上的力。
其单位是牛顿,N。
单位质量力:没在流体中M点附近取质量为d m的微团,其体积为d v,作用于该微团的质量力为dF,则称极限lim(dv→M)dF/dm=f,为作用于M点的单位质量的质量力,简称单位质量力。
其单位是N/kg。
2、表面力:表面力是作用在所考虑的或大或小得流体系统(或称分离体)表面上的力。
3、容重:密度ρ和重力加速度g的乘积ρg称容重,用符号γ表示。
4、动力黏度μ:它表示单位速度梯度作用下的切应力,反映了黏滞性的动力性质。
其单位为N/(㎡·s),以符号Pa·s表示。
运动黏度ν:是单位速度梯度作用下的切应力对单位体积质量作用产生的阻力加速度。
国际单位制单位㎡/s。
动力黏度μ与运动黏度ν的关系:μ=ν·ρ。
5、表面张力:由于分子间的吸引力,在液体的自由表面上能够承受的极其微小的张力称为表面张力。
毛细管现象:由于表面张力的作用,如果把两端开口的玻璃细管竖立在液体中,液体就会在细管中上升或下降h高度的现象称为毛细管现象。
6、流体的三个力学模型:①“连续介质”模型;②无黏性流体模型;③不可压缩流体模型。
(P12,还需看看书,了解什么是以上三种模型!)。
第二章、流体静力学1、流体静压强的两个特性:①其方向必然是沿着作用面的内法线方向;②其大小只与位置有关,与方向无关。
2、a流体静压强的基本方程式:①P=Po+rh,式中P指液体内某点的压强,Pa(N/㎡);Po指液面气体压强,Pa(N/㎡);r指液体的容重,N/m³;h指某点在液面下的深度,m;②Z+P/r=C(常数),式中Z指某点位置相对于基准面的高度,称位置水头;P/r指某点在压强作用下沿测压管所能上升的高度,称压强水头。
两水头中的压强P必须采用相对压强表示。
b流体静压强的分布规律的适用条件:只适用于静止、同种、连续液体。
3、静止均质流体的水平面是等压面;静止非均质流体(各种密度不完全相同的流体——非均质流体)的水平面是等压面,等密度和等温面。
第一章绪论一、学习导引1.主要概念质量力,表面力,粘性,粘滞力,压缩系数,热障系数。
注:(1)绝大多数流动问题中质量力仅是重力。
其单位质量力F在直角坐标系内习惯选取为:F =(0,0,-g)(2)粘性时流动介质自身的物理属性,而粘滞力是流体在产生剪切流动时该属性的表现。
2.主要公式牛顿剪切公式:或二、难点分析1.用欧拉观点描述流体流动,在对控制体内流体进行表面力受力分析时,应包括所有各个可能的表面的受力。
这些表面可能是自由面或与周围流体或面壁的接触面。
2.牛顿剪切公式反映的应力与变形率的关系仅仅在牛顿流体作所谓的纯剪切运动时才成立,对于一般的流动则是广义牛顿公式。
三、习题详解例1-1. 一底面积为40cm×45cm,高1cm的木块,质量为5kg,沿着涂有润滑油的斜面等速向下运动。
已知速度v=1/s,δ=1mm,求润滑油的动力粘滞系数。
解:设木块所受的摩擦力为T。
∵木块均匀下滑,∴T - Gsinα=0T=Gsinα=5×9.8×5/13=18.8N又有牛顿剪切公式得:μ=Tδ/(Av)=18.8×0.001/(0.40×0.45×1)=0.105Pa·S例1-2. 一圆锥体绕其铅直中心轴等速旋转,椎体与固定壁间的距离δ=1mm,全部为润滑油(μ=0.1Pa·S)充满。
当旋角速度ω=16s-1, 椎体底部半径R=0.3m,高H=0.5m时,求作用于圆锥的阻力矩。
解:设圆锥体表面微元圆台表面积为ds,所受切应力为dT,阻力矩为dM。
ds=2πr(H2+R2)1/2dh由牛顿剪切公式:dT=μ×ds×du/dy=μ×ds×ωr/δdM=dT×rr=Rh/H圆锥体所受阻力矩M:M==0.5(πμω/δ) (H2+R2)1/2 R3=0.5π×0.1×16/0.001×(0.52+0.32)1/2×0.33=39.6N·m。
第一章绪论§1—1流体力学及其任务1、流体力学的任务:研究流体的宏观平衡、宏观机械运动规律及其在工程实际中的应用的一门学科。
研究对象:流体,包括液体和气体。
2、流体力学定义:研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用.3、研究对象:流体(包括气体和液体)。
4、特性:•流动(flow)性,流体在一个微小的剪切力作用下能够连续不断地变形,只有在外力停止作用后,变形才能停止。
•液体具有自由(free surface)表面,不能承受拉力承受剪切力( shear stress)。
•气体不能承受拉力,静止时不能承受剪切力,具有明显的压缩性,不具有一定的体积,可充满整个容器。
流体作为物质的一种基本形态,必须遵循自然界一切物质运动的普遍,如牛顿的力学定律、质量守恒定律和能量守恒定律等。
5、易流动性:处于静止状态的流体不能承受剪切力,即使在很小的剪切力的作用下也将发生连续不断的变形,直到剪切力消失为止。
这也是它便于用管道进行输送,适宜于做供热、制冷等工作介质的主要原因.流体也不能承受拉力,它只能承受压力.利用蒸汽压力推动气轮机来发电,利用液压、气压传动各种机械等,都是流体抗压能力和易流动性的应用.没有固定的形状,取决于约束边界形状,不同的边界必将产生不同的流动。
6、流体的连续介质模型流体微团——是使流体具有宏观特性的允许的最小体积。
这样的微团,称为流体质点。
流体微团:宏观上足够大,微观上足够小。
流体的连续介质模型为:流体是由连续分布的流体质点所组成,每一空间点都被确定的流体质点所占据,其中没有间隙,流体的任一物理量可以表达成空间坐标及时间的连续函数,而且是单值连续可微函数。
7流体力学应用:航空、造船、机械、冶金、建筑、水利、化工、石油输送、环境保护、交通运输等等也都遇到不少流体力学问题。
例如,结构工程:钢结构,钢混结构等.船舶结构;梁结构等要考虑风致振动以及水动力问题;海洋工程如石油钻井平台防波堤受到的外力除了风的作用力还有波浪、潮夕的作用力等,高层建筑的设计要考虑抗风能力;船闸的设计直接与水动力有关等等。
西北工大875流体力学讲义第一章绪论(基本概念及参数)第一节流体的连续介质模型流体是由无数分子构成的,实质是不连续的,为了能够应用高等数学连续函数来描述流的运动规律,将本来不连续的流体看成是有没有间隙的流体微团(质点)构成的。
在连续性介质假设之下,流体的各种参数都可以看成空间和时间的单值连续函数:在宏观上,流体微团足够小,以至于其体积可以忽略不计。
在微观上要足够大,使得所包容的流体分子的平均物理属性有意义。
当流体流动所涉及到的物体的尺寸能够和分子的平均自由行程和脂分子间的距离相比拟时,流体的连续介质模型不再适用。
第二节作用在流体的力作用在流体上的力有两类:一类是某重力场作用的结果,称为质量力,也称体积力,其大小流体的质量(体积)成正比。
重力场中的重力是质量力,在用动静法来研究有关问题时虚加在流体质点上的惯性力也是质量力。
单位流体的质量力可表示为:其单位为加速度单位:m/s2。
另一类是表面力,是分离体以外的其他物体通过分离体的表面作用在分离体上的力。
一个是剪切应力,一个是法向应力。
在液体与异相物质接触的自由表面上还有表面张力,它是一种特殊类型的表面力,它不是接触面以外物质的作用结果,而恰恰是由液体内的分子对处于表面层的分子的吸引而产生的。
液体自由表面上单位长度的流体线所受到的拉力称为表面张力系数,记作σ,单位是N/m。
液体与固体壁面接触时,在液体表面与固壁面的交界处作液体表面的切面,此切面与固壁面在液体内部所夹的角度θ称为接触角。
当液体表面发生弯曲时,液体内部的压强p与外部的流体介质的压强p0之差与曲面的两个主曲率半径R1 和R2有关:此式称为拉普拉斯表面张力方程。
第三节流体的粘性流体粘性:流体流动时流体质点发生相对滑移产生摩擦力的性质,称为流体的黏性。
动力粘度:流体的粘性大小可用流体的动力粘度来表示,即牛顿内摩擦定律中的比例系数。
上式即为牛顿内摩擦定律,该式表明,各层流间的切向应力和速度梯度成正比,比例系数为流体的动力粘度。
流体力学知识点总结 第一章 绪论1 液体和气体统称为流体,流体的基本特性是具有流动性,只要剪应力存在流动就持续进行,流体在静止时不能承受剪应力。
2 流体连续介质假设:把流体当做是由密集质点构成的,内部无空隙的连续体来研究。
3 流体力学的研究方法:理论、数值、实验。
4 作用于流体上面的力(1)表面力:通过直接接触,作用于所取流体表面的力。
作用于A 上的平均压应力作用于A 上的平均剪应力应力法向应力 切向应力(2)质量力:作用在所取流体体积内每个质点上的力,力的大小与流体的质量成比例。
(常见的质量力:重力、惯性力、非惯性力、离心力)单位为5 流体的主要物理性质(1) 惯性:物体保持原有运动状态的性质。
质量越大,惯性越大,运动状态越难改变。
常见的密度(在一个标准大气压下): 4℃时的水20℃时的空气(2) 粘性ΔFΔPΔTAΔAVτ法向应力周围流体作用的表面力切向应力A P p ∆∆=A T ∆∆=τAF A ∆∆=→∆lim 0δAPp A A ∆∆=→∆lim 0为A 点压应力,即A 点的压强 ATA ∆∆=→∆lim 0τ 为A 点的剪应力应力的单位是帕斯卡(pa ),1pa=1N/㎡,表面力具有传递性。
B Ff m =2m s 3/1000mkg =ρ3/2.1mkg =ρ牛顿内摩擦定律: 流体运动时,相邻流层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。
即以应力表示τ—粘性切应力,是单位面积上的内摩擦力。
由图可知—— 速度梯度,剪切应变率(剪切变形速度) 粘度μ是比例系数,称为动力黏度,单位“pa ·s ”。
动力黏度是流体黏性大小的度量,μ值越大,流体越粘,流动性越差。
运动粘度 单位:m2/s 同加速度的单位说明:1)气体的粘度不受压强影响,液体的粘度受压强影响也很小。
2)液体 T ↑ μ↓ 气体 T ↑ μ↑ 无黏性流体无粘性流体,是指无粘性即μ=0的液体。
无粘性液体实际上是不存在的,它只是一种对物性简化的力学模型。