流体力学的基本概念

第1章 流体力学的基本概念

流体力学是研究流体的运动规律及其与物体相互作用的机理的一门专门学科。本章叙述在以后章节中经常用到的一些基础知识，对于其它基础内容在本科的流体力学或水力学中已作介绍，这里不再叙述。

连续介质与流体物理量

连续介质

流体和任何物质一样，都是由分子组成的，分子与分子之间是不连续而有空隙的。例如，常温下每立方厘米水中约含有3×1022个水分子，相邻分子间距离约为3×10－8厘米。因而，从微观结构上说，流体是有空隙的、不连续的介质。

但是，详细研究分子的微观运动不是流体力学的任务，我们所关心的不是个别分子的微观运动，而是大量分子“集体”所显示的特性，也就是所谓的宏观特性或宏观量，这是因为分子间的孔隙与实际所研究的流体尺度相比是极其微小的。因此，可以设想把所讨论的流体分割成为无数无限小的基元个体，相当于微小的分子集团，称之为流体的“质点”。从而认为，流体就是由这样的一个紧挨着一个的连续的质点所组成的，没有任何空隙的连续体，即所谓的“连续介质”。同时认为，流体的物理力学性质，例如密度、速度、压强和能量等，具有随同位置而连续变化的特性，即视为空间坐标和时间的连续函数。因此，不再从那些永远运动的分子出发，而是在宏观上从质点出发来研究流体的运动规律，从而可以利用连续函数的分析方法。长期的实践和科学实验证明，利用连续介质假定所得出的有关流体运动规律的基本理论与客观实际是符合的。

所谓流体质点，是指微小体积内所有流体分子的总体，而该微小体积是几何尺寸很小（但远大于分子平均自由行程）但包含足够多分子的特征体积，其宏观特性就是大量分子的统计平均特性，且具有确定性。

流体物理量

根据流体连续介质模型，任一时刻流体所在空间的每一点都为相应的流体质点所占据。流体的物理量是指反映流体宏观特性的物理量，如密度、速度、压强、温度和能量等。对于流体物理量，如流体质点的密度，可以地定义为微小特征体积内大量数目分子的统计质量除以该特征体积所得的平均值，即

课程教育研究CourseEducationResearch2021年第6期教改窑教研

一尧绪论

十八大以来提出的我国工程教育培养复合型及多学科

交叉融合的新型工程技术人才改革尧全面推进高校课程思政尤为重要遥但是袁传统的教学方法与新时代的人才发展要求存在

不小偏差遥以航空为特色的滨州学院为例袁在本科专业飞行器设

计尧飞行器制造尧飞行器动力工程等专业的课程体系中袁流

体力学既为专业基础课程袁同时又为一门涉及多专业尧多领

域尧多学科的应用性课程遥课程授课时袁一般结合流体力学发展史尧流体力学基础概念尧流体静力学尧流体动力学尧流体

运动学尧量纲分析和相似原理尧流动阻力和水头损失等章节进行讲授遥流体力学的开设为大二上学期袁在此之前学生必须要先学习如大学物理尧高等数学尧线性代数等课程袁因为

流体力学课程极为抽象尧存在大量繁杂的公式袁要求学生必

须具备较强的逻辑思维袁而传统课堂教学又着力于流体力学公式的理论推导袁教学内容令人感觉枯燥乏味遥通过往年

考试成绩发现袁学生普遍成绩不太理想袁如表1所示遥表12017尧2018两年期中考试成绩

结合上述时代背景和考试不太理想的现象袁本文建议

从学生的学习思维理念下手袁结合概念尧思政元素尧生活中的现象等内容对基础概念进行细致的讲解袁以激发学生对

流体力学课程学习热情和信心袁本文首先对流体力学第一

章流体力学基础概念进行了如下课程改革院二尧将流体力学课程与思政元素的有机结合

众所周知袁科学和文化是一脉相承的袁它们折射了人类

社会物质财富和精神财富的两个侧面袁它们互相紧密依托遥每个炎黄子孙都能信手拈来背诵几首古诗袁这是浸润在每

一个华夏炎黄子血脉里的文化基因袁这些诗词中不乏古人李白尧杜甫尧白居易尧苏轼等文豪对流体力学现象精湛的描

绘遥结合古诗词等文化素材对流体力学基础概念讲授袁希望可以拂去我们记忆上厚重的灰尘袁体会古代文人的浪漫尧豪

放等情怀袁并借助古人的睿智装点我们今后充满希望的美好生活遥倘若能让学生在学习时开动大脑将所储备的中华

表面力：又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用面积成比例。 剪力、拉力、压力

质量力：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。 重力、惯性力

流体的平衡或机械运动取决于：

1.流体本身的物理性质（内因）

2.作用在流体上的力（外因）

流体的主要物理性质：

密度：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3 。

重度：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。

流体的密度、重度均随压力和温度而变化。

流体的流动性：流体具有易流动性，不能维持自身的形状，即流体的形状就是容器的形状。静止流体几乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，仅能抵抗压力。

流体的粘滞性：即在运动的状态下，流体所产生的阻抗剪切变形的能力。流体的流动性是受粘滞性制约的，流体的粘滞性越强，易流动性就越差。任何一种流体都具有粘滞性。

牛顿通过著名的平板实验，说明了流体的粘滞性，提出了牛顿内摩擦定律。

τ=μ(du/dy)

τ只与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。

动力粘度：反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2

运动粘度：ν=μ/ρ

流体静压强具有特性

1.流体静压强既然是一个压应力，它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向，即垂直于作用面，并指向作用面。

2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关，即同一点上各方向的静压强大小均相等。

静力学基本方程: P=Po+pgh

等压面：压强相等的空间点构成的面

绝对压强：以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强 Pabs

相对压强：以当地大气压为基准起算的压强 P

P=Pabs—Pa（当地大气压）

真空度：绝对压强不足当地大气压的差值，即相对压强的负值 Pv

Pv=Pa-Pabs= -P

测压管水头：是单位重量液体具有的总势能

基本问题：

1、求流体内某点的压强值：p = p0 +γh；

2、求压强差：p – p0 = γh ；

流体力学基础知识

第一节 流体的物理性质

一、流体的密度和重度

流体单位体积内所具有的质量称为密度，密度用字母表示，单位为kg/m3。流体单位体积内所具有的重量称为重度，重度用表示，单位为N/m3，两者之间的关系为g，g为重力加速度，通常g＝9．806m/s2

流体的密度和重度不仅随流体种类而异，而且与流体的温度和压力有关。因为当温度和压力不同时，流体的体积要发生变化，所以其密度和重度亦随之变化。对于液体来讲，密度和重度受压力和温度变化的影响不大，可近似认为它们是常数。对于气体来讲，压力和温度对密度和重度的影响就很大。

二、流体的粘滞性

流体粘滞性是指流体运动时，在流体的层间产生内摩擦力的一种性质。

所谓动力粘度系数是指流体单位接触面积上的内摩擦力与垂直于运动方向上的速度变化率的比值，用来表示。

所谓运动粘度是指动力粘度与相应的流体密度之比，用来表示。

运动粘度或动力粘度的大小与流体的种类有关，对于同一流体，其值又随温度而异。气体的粘性系数随温度升高而升高，而液体的粘性系数则随温度的升高而降低。

液体粘滞性随温度升高而降低的特性，对电厂锅炉燃油输送和雾化是有利的，因此锅炉燃用的重油需加热到一定温度后，才用油泵打出。但这个特性对水泵和风机等转动机械则是不利的，因为润滑油温超过60℃时，由于粘滞性下降，而妨碍润滑油膜的形成，造成轴承温度升高，以致发生烧瓦事故。故轴承回油温度一般保持在以60℃下。

第二节 液体静力学知识

一、液体静压力及其特性

液体的静压力是指作用在单位面积上的力，其单位为Pa。

平均静压力是指作用在某个面积上的总压力与该面积之比。点静压力是指在该面积某点附近取一个小面积△F，当△F逐渐趋近于零时作用在△F面积上的平均静压力的极限叫做该面积某点的液体静压力。

平均静压力值可能大于该面积上某些点的液体静压力值，或小于另一些点的液体静压力值，因而它与该面积上某点的实际静压力是不相符的，为了表示