流体力学讲义第一讲-1

第一章 数学基础知识§1.1 场论一.物理量场: 充满物理量的空间。

充满流体的空间称为流场。

流体的物理量ρ、v 、p …构成密度、速度、压力场…, 如ρ、p 、浓度c 等构成标量场, 速度V 等构成矢量场，因此流场是复合参数场。

由时间t 、空间点及其对应的物理量确定的函数为场函数。

标量场、矢量场函数: φ＝φ(r ,t)＝φ(x,y,z,t)a ＝a (r ,t)＝a (x,y,z,t) 定常场: 场函数与时间t 无关, 反之为非定常场φ＝φ(r )＝φ(x,y,z) a ＝a (r )＝a (x,y,z) 0=∂∂t φ 0=∂∂ta均匀场: 场函数为常数, 反之为非均匀场。

流体的连续性模型认为，流场中各空间点充满流体，且各点、各物理参数存在连续的各阶导数。

二.Green-Gauss 公式（对于连续场）⎰⎰⎰⎰⎰⋅=∂∂+∂∂+∂∂A zy x dA d za y a x a a n ττ)(二维时 dL dA ya x a L yA x ⎰⎰⎰∙=∂∂+∂∂a n )(推广的Green-Gauss 公式有⎰⎰⎰⎰⎰=∂∂+∂∂+∂∂A dA d zy x φτφφφτn k j i )(⎰⎰⎰⎰⎰⨯=∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂A x y z x y z dA d ya x a x az a z a y a a n k j i ττ)()()(三 梯度、散度与旋度1) 方向导数: 物理量φ场在M 点上沿L 方向的方向导数为L ∂∂φ=')()'(lim 0'MM M M MM φφ-→=)^cos(x L x ∂∂φ+)^cos(y L y ∂∂φ+)^cos(z L z ∂∂φ=(x ∂∂φI +y∂∂φj +z ∂∂φk )·l式中l 为沿L 方向的单位矢量。

2) 标量场的梯度grad φ: 标量场φ的梯度为上式括号中的矢量微分算式，为确定的矢量。

流体力学一、流体静力学基础 包括内容三部分：01流体主要物理特性与牛顿内摩擦定律 02流体静压强 03流体总压力01流体主要物理特性与牛顿内摩擦定律 水银的密度13.6g/cm 3重度γ（也成为容重，N/m3），单位体积流体所具有的能量。

=g γρ流体的压缩系数：1=pa d dV V dp dpρρβ-=-（单位:） ，β值越大，流体的压缩性也越大。

压缩系数的倒数成为流体的弹性模量，用表示，21()dpdV V β=-k=单位:pa=N/m流体的体膨胀系数a ：1=(:)d dVV a T dT dTρρ--=单位质量力：大小与流体的质量成正比（对于均质流体，质量与体积成正比，故又称为体积力）表面力：作用在流体表面的力，大小与面积成正比，它在隔离体表面呈连续分布，可分为垂直于作用面的压力和平行于作用面的切力。

流体的黏性：流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质叫做黏性。

此内摩擦力成为黏制力。

du d T AA dy dtθμμ== 式中：T 流体的内摩擦力μ为流体的动力黏度，单位Pa s •。

A 为流体与管壁的接触面积dudy为速度梯度，表示速度沿垂直于速度y 轴方向的变化率 d dtθ为角变形速度 气体动力黏度随温度的升高而增加。

液体动力黏度随温度的升高而降低，例如：油。

运动黏度v （单位：2/m s ）（相对黏性系数）：v μρ=理想流体：假想的无黏性的流体，即理想流体流过任何管道均不会产生能量损失。

[推导过程]：tan()dudt d d dy θθ≈=，即：d dudt dyθ=。

02流体静压强流体净压强的特性：①流体静压强方向与作用面垂直；②各向等值性：静止或相对静止的流体中，任一点的静压强的大小与作用面方向无关，只于该点的位置有关。

帕斯卡定律：0P P gh ρ=+式中：P 为液体内某点的压强0P 为液面气体压强 h 为某点在液面下的深度等压面：流体中压强相等的点所组成的面成为等压面。

工程流体力学（水力学）第一章 绪论学习重点：流体的粘性及牛顿内摩擦定律。

尤其是牛顿内摩擦定律应熟练掌握。

了解工程的发展及在工程中的应用。

§1—1 工程流体力学简介1． 工程流体力学——是利用实验和理论分析的方法研究流体的平衡和运动规律及其在工程中的应用的一门学科。

2． 自然界中物质的存在形式有：（1）固体 ← 相应的研究学科有材料力学、弹性力学 等。

（2）液体（3）气体← 统称流体 。

相应的研究学科即流体力学。

3．流体与固体的比较：（1）从微观上说，流体分子之间的距离相对较大，分子运动丰富（振动、转动、移动）。

（2）从宏观上说，流体没有固定的形状，易流动、变形，静止的流体不能承受剪力及拉力。

4．发展史（随着生产的发展，继固体力学之后发展起来的一门学科）：论浮体 （建立在实验、直观基础上）古典水力学（纯理论分析、理论模型） 计算流体力学5．意义：流体力学已经发展成一门涉及多专业的基础性学科。

工程流体力学在工程中的应用也越来越广泛。

例如：给排水、农田灌溉、道路、桥涵、港口设计等等。

§1—2 连续介质假设 流体的主要物理性质 一． 连续介质假设1． 流体的组成：由大量不断运动的分子组成，分子之间有间隙，不连续。

2． 假设：假设将流体看作是由无数质点组成的连续的介质。

因为我们研究的是流体的宏观机械运动而不是微观运动，这样的假设可以满足工程需要。

3． 连续介质：假定流体在充满一个体积空间时，不留任何空隙，整个空间均被流体质点所占据。

4． 质点——宏观体积足够小（可以忽略线性尺寸），但又包含大量分子的集合体。

5． 注：流体的分子运动是客观存在的，在一般的工程计算中可以把流体看成连续的介质，但在特殊情况下还是应加以考虑的。

二． 流体的主要物理性质1．易流动性——是指流体在静止时不能承受切力及不能抵抗剪切变形的性质。

一般的，固体可承受一定的拉力、压力及剪力；而静止的流体只能承受一定的压力。

流体⼒学讲义第⼀章绪论第⼀章绪论本章主要阐述了流体⼒学的概念与发展简史；流体⼒学的概述与应⽤；流体⼒学课程的性质、⽬的、基本要求；流体⼒学的研究⽅法及流体的主要物理性质。

流体的连续介质模型是流体⼒学的基础，在此假设的基础上引出了理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、⽜顿流体与⾮⽜顿流体概念。

第⼀节流体⼒学的概念与发展简史⼀、流体⼒学概念流体⼒学是⼒学的⼀个独⽴分⽀，是⼀门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应⽤的技术科学。

流体⼒学所研究的基本规律，有两⼤组成部分。

⼀是关于流体平衡的规律，它研究流体处于静⽌（或相对平衡）状态时，作⽤于流体上的各种⼒之间的关系，这⼀部分称为流体静⼒学；⼆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之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这⼀部分称为流体动⼒学。

流体⼒学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应⽤物理学及理论⼒学中有关物理平衡及运动规律的原理，如⼒系平衡定理、动量定理、动能定理，等等。

因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。

所以物理学和理论⼒学的知识是学习流体⼒学课程必要的基础。

⽬前，根据流体⼒学在各个⼯程领域的应⽤，流体⼒学可分为以下⼏类：能源动⼒类：⽔利类流体⼒学：⾯向⽔⼯、⽔动、海洋等；机械类流体⼒学：⾯向机械、冶⾦、化⼯、⽔机等；⼟⽊类流体⼒学：⾯向市政、⼯民建、道桥、城市防洪等。

⼆、流体⼒学的发展历史流体⼒学的萌芽，是⾃距今约2200年以前，西西⾥岛的希腊学者阿基⽶德写的“论浮体”⼀⽂开始的。

他对静⽌时的液体⼒学性质作了第⼀次科学总结。

流体⼒学的主要发展是从⽜顿时代开始的，1687年⽜顿在名著《⾃然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻⼒、波浪运动，等内容，使流体⼒学开始成为⼒学中的⼀个独⽴分⽀。

此后，流体⼒学的发展主要经历了三个阶段：1.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析⽅法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从⽽在此基础上形成了⼀门属于数学的古典“⽔动⼒学”（或古典“流体⼒学”）。

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。