第五章流体力学培训讲学

流体力学-笔记参考书籍：《全美经典-流体动力学》《流体力学》张兆顺、崔桂香《流体力学》吴望一《一维不定常流》《流体力学》课件清华大学王亮主讲目录：第一章绪论第二章流体静力学第三章流体运动的数学模型第四章量纲分析和相似性第五章粘性流体和边界层流动第六章不可压缩势流第七章一维可压缩流动第八章二维可压缩流动气体动力学第九章不可压缩湍流流动第十章高超声速边界层流动第十一章磁流体动力学第十二章非牛顿流体第十三章波动和稳定性第一章绪论1、牛顿流体：剪应力和速度梯度之间的关系式称为牛顿关系式，遵守牛顿关系式的流体是牛顿流体。

2、理想流体：无粘流体，流体切应力为零，并且没有湍流？。

此时，流体内部没有内摩擦，也就没有内耗散和损失。

层流：纯粘性流体，流体分层，流速比较小；湍流：随着流速增加，流线摆动，称过渡流，流速再增加，出现漩涡，混合。

因为流速增加导致层流出现不稳定性。

定常流：在空间的任何点，流动中的速度分量和热力学参量都不随时间改变，3、欧拉描述：空间点的坐标；拉格朗日：质点的坐标；4、流体的粘性引起剪切力，进而导致耗散。

5、无黏流体—无摩擦—流动不分离—无尾迹。

流体力学- 16、流体的特性：连续性、易流动性、压缩性D不可压缩流体：0Dtconst是针对流体中的同一质点在不同时刻保持不变，即不可压缩流体的密度在任何时刻都保持不变。

是一个过程方程。

7、流体的几种线流线：是速度场的向量线，是指在欧拉速度场的描述；同一时刻、不同质点连接起来的速度场向量线；dr U x,t dr U 0迹线：流体质点的运动轨迹，是流体质点运动的几何描述；同一质点在不同时刻的位移曲线；涡线：涡量场的向量线，U , dr x,t dr 0涡线的切线和当地的涡量或准刚体角速度重合，所以，涡线是流体微团准刚体转动方向的连线，形象的说：涡线像一根柔性轴把微团穿在一起。

第二章流体静力学1、压强：p limA 0 F dF A dA静止流场中一点的应力状态只有压力。

Copyright © 2000-2010.Huaxia Dadi Distance Learning Services Co.,Ltd. All Rights Reserved华夏大地教育网版权所有1 《流体力学》串讲课程介绍一、课程的设置、性质及特点《流体力学》课程是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的分支学科，是全国高等教育自学考试建筑工程专业必考的一门专业基础课。

本课程的学习目的在于使学生掌握流体运动的基本概念、基本理论和基本计算方法。

促使学生在掌握物理概念的基础上注重理论联系实际，具备对简单系统进行定性分析的能力，学以致用，为认识建筑工程与大气和水环境的关系，从事技术工作的适应能力和创新能力打下基础。

考试中的题型规范有序，试题难度降低，三大守恒定律贯穿考题，学员在学习的过程中要熟练掌握教材中典型的例题。

本课程的性质及特点：1．建筑工程专业的一门专业基础课，为后续专业课学习及实际应用打下了必要的基础；2．本课程的理论基础部分是前四章，分别是绪论、流体静力学、流体动力学基础、流动阻力和水头损失，其余各章是基础理论在各典型流动条件下的应用，分别是孔口、管嘴出流和有压管流、明渠流、堰流、渗流等，三大守恒定律贯穿整个教材。

二、教材的选用本课程所选用教材是全国高等教育自学考试指定教材，该书由刘鹤年教授主编，武汉大学出版社出版（2006版）。

三、章节体系1．本书可以从基础理论知识和各种典型流动条件的实际应用两方面来讲解： （1）基础理论知识介绍：第一章 绪论（流体力学概述、作用在流体上的力及流体的主要物理性质）第二章流体静力学（静压强的特性、静压强的分布规律以及作用在平面上和作用曲面上的静水总压力的计算）第三章流体动力学基础（流体运动的描述、欧拉法的概念以及应用连续性方程、能量方程和动量方程分析计算总流运动）第四章流动阻力和水头损失（粘性流体的两种流态，及各自在管道或渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法）（2）典型流动条件的实际应用：第五章孔口、管嘴出流和有压管流（孔口、管嘴出流和有压管流的水力特点，基本公式及水力计算，有压管流中的水击现象）第六章明渠流动（明渠流动的特点，明渠均匀流的水力计算和棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线分析）第七章堰流（堰流的水力特征，各种堰型的特点及水力计算）第八章渗流（渗流的基本概念及普通井和自流井的水力计算）最后一章是量纲分析和相似原理，要点是量纲和谐原理和量纲分析方法、相似准则及模型试验。

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。

流体力学讲义课程简介：流体力学是动力、能源、航空、环境、暖通、机械、力学等专业的重要基础课。

本课程的任务是系统介绍流体的力学性质、流体力学的基本概念和观点、基础理论和常用分析方法、有关的工程应用知识等；培养学生具有对简单流体力学问题的分析和求解能力，掌握一定的实验技能，为今后学习专业课程，从事相关的工程技术和科学研究工作打下坚实基础。

流体力学学科既是基础学科，又是用途广泛的应用学科；既是古老的学科，又是不断发展、充满活力的学科。

当前，流体力学进入了一个新的发展时期：分析手段更加先进，与各类工程专业结合更为密切，与其他学科的交叉渗透更加广泛深入。

但由于流体力学理论性较强，概念抽象，学生普遍缺乏对流体的感性认识，使流体力学课程历来被认为是教师难教、学生难学的课程之一。

为改进流体力学教学质量，所以，我们采用多媒体教学的方式，尽可能多地给学生提供大量的图片，增加感性认识。

学生在学习的过程中，要特别注意学习目标、学习方法、重点内容、注意事项等问题。

第一章绪论第一节工程流体力学的研究对象、内容和方法一、研究对象和内容研究对象和内容：工程流体力学以流体（包括液体和气体）为研究对象，研究流体宏观的平衡和运动的规律，流体与固体壁面之间的相互作用规律，以及这些规律在工程实际中的应用。

自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，开始利用流动规律改造自然界。

最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。

航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。

流体力学是一门基础性很强和应用性很广的学科，是力学的一个重要分支。

它的研究对象随着生产的需要与科学的发展在不断地更新、深化和扩大。

60年代以前，它主要围绕航空、航天、大气、海洋、航运、水利和各种管路系统等方面，研究流体运动中的动量传递问题，即局限于研究流体的运动规律，和它与固体、液体或大气界面之间的相互作用力问题。

60年代以后，能源、环境保护、化工和石油等领域中的流体力学问题逐渐受到重视，这类问题的特征是：尺寸小、速度低，并在流体运动过程中存在传热、传质现象。

流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。

古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。

流体力学的萌芽：距今约2200年前，希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文，他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。

建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。

此后千余年间，流体力学没有重大发展。

15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。

但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

流体力学的主要发展：17世纪，力学奠基人牛顿（英）在名著《自然哲学的数学原理》（1687年）中讨论了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。

他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。

使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。

但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。

之后，皮托（法）发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔（法）对运动中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利（瑞士）从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。

欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。

流 体 力 学 课 程 辅 导 材 料（电气工程师考前辅导班用）§0. 引言一、物质常见状态：固体、液体和气体。

液体和气体通称为流体。

二、流体——能够流动的物体，即具有流动性的物体。

流动性——在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。

§1. 流体的主要物理性质一、流体惯性：密度ρ——单位体积流体所具有的质量（kg/m 3）。

二、流体压缩性：流体密度（或体积）随着压强、温度的变化而变化的性质。

完全气体状态方程： T R p ρ= 或： VR m Tp =（1-1） 式中：R ——气体常数（N m/ kgK ），p ——流体的绝对压强（Pa 或N/m 2），T ——流体温度（K ），m ——流体质量（kg ），V ——流体体积（m 3）。

三、流体粘性：流体内部各流体微团之间发生相对运动时产生切向阻力（即内摩擦力或粘性力）的性质。

牛顿内摩擦定律： dyduAF μ= 或： dy du μτ= （1-2）式中：F ——切向阻力（N ），μ——流体动力粘度（Pa s ），A ——接触面积（m 2），u ——流体流动速度（m/s ），dydu ——速度梯度（1/s ）。

两块平行平板之间： hUAF μ= 或： h U μτ= （1-3）式中：h ——两板之间距离（m ），U —两板之间相对速度（m/s ）。

流体运动粘度公式： ρμν=（1-4） 式中：ν——流体运动粘度（m 2/s ）。

§2. 流体静力学 一、流体静压强特性：1．流体静压强的方向总是沿着作用面的内法线方向；2．流体静压强的大小与作用点的坐标位置有关，与作用面方位无关。

二、静力学基本方程式： c gpz =+ρ（常数） （2-1） 式中：z ——某点位置的高度（m ），g ——重力加速度（m/s 2）。

另一形式： gh p p ρ+=0 （2-2）式中：0p ——自由面上压强（Pa ），h ——淹深（m ）。

流体力学基础要求：1、掌握流体的密度、相对密度、比容、压强、流量、流速、粘度的概念，表示方法；2、掌握绝对压力、相对压力、真空度的概念及相互关系；3、掌握流体静力学基本方程，稳定流动的连续性方程，伯努力方程，并能结合化工实际进行基本计算；4、了解阻力的概念与计算；5、了解流体流动类型及判断。

第一节基本概念一单位及单位换算1、国际单位：（1）基本单位长度（米）；时间（秒）；质量（千克）；温度（开尔文）；（2）辅助单位；（3）导出单位：力（牛顿）；压强（帕斯卡）；功、能、热（焦耳）；功率（瓦特）。

（4）构成十进倍数和分数单位的词头兆；千；分；厘；毫；微。

2、工程单位温度（摄氏度）；力（千克力）；能，热（千卡）。

3、单位换算20℃＝ K二、流体静力学基本概念1.密度：单位体积流体的质量称为流体的密度。

ρ＝ m / v 单位：kg/m3注意：⑴任何流体的密度都随温度和的压力的变化而变化。

液体的密度受压力的影响较小，可忽略。

温度升高，其密度下降。

气体的密度随温度和压力有很大的变化。

一般温度、压力下可按理想气体处理。

ρ＝ PM/RT⑵在选取密度数值时，一定要注意是哪个温度下的密度。

1．相对密度：流体在某温度ｔ下的密度与水在４℃时的密度之比，称为该流体在某温度ｔ下的相对密度。

d4t =ρt/ρ水4说明：相对密度无单位。

液体和气体的密度及相对密度一般随温度的升高而降低。

在同一温度下，流体的密度与相对密度在数值上的关系为：ρ＝ 1000d3.比容：流体单位质量的体积4．压力（压强）：垂直作用于单位流体面积上的力，称为流体的压力强度或流体静压力，简称压力或压强。

P = F / A单位： Pa＝ N/m21atm ＝ 101.3 kPa＝ 1.033 kgf/cm2＝ 760 mm Hg＝ 10.33 m H2O流体的压力除了可以用不同的单位来计量以外，还可以用不同的压力基准来表示（视基准而定）（1）绝压：以绝对零压作起点计算的压力，称为绝对压力，是流体的真实压力。