流体力学-第1章_引言和流体性质
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第一章绪论表面力: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μ:反映流体粘滞性大小的系数,单位:N•s/m2运动粘度ν:ν=μ/ρ第二章流体静力学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 PP=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 PvPv=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 ;3、求液位高:h = (p - p0)/γ平面上的净水总压力:潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P,大小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。
第1章流体的力学性质根据现代的科学观点,物质可区分为五种状态:固态、液态、气态、等离子态和凝聚态,其中,固、液、气三态是自然界和工程技术领域中常见的。
从力学的角度看,固态物质与液态和气态物质有很大的不同:固体具有确定的形状,在确定的剪切应力作用下将产生确定的变形,而液体或气体则没有固定的形状,且在剪切应力作用下将产生连续不断的变形——流动,因而液体和气体又通称为流体。
应用物理学基本原理研究流体受力及其运动规律的学科被称为流体力学。
流体力学作为宏观力学的重要分支,与固体力学一样同属于连续介质力学的范畴。
本章将首先阐述流体连续介质模型,在此基础上讨论流体的力学特性。
1.1 流体的连续介质模型1.1.1流体质点的概念流体是由分子构成的,根据热力学理论,这些分子(无论液体或气体)在不断地随机运动和相互碰撞着。
因此,到分子水平这一层,流体之间总是存在着间隙,其质量在空间的分布是不连续的,其运动在时间和空间上都是不连续的。
但是,在流体力学及与之相关的科学领域中,我们感兴趣的往往不是个别分子的运动,而是大量分子的统计平均特性,如密度、压力和温度等,而且,为了准确地描述这些统计特性的空间分布,需要在微分即“质点”的尺度上讨论问题,为此,必须首先建立流体质点的概念。
建立流体质点的概念可借助于物质物理量的分子统计平均方法。
以密度为例,在流体中任取体积为的微元,其质量为,则其平均密度可表示为:(1-1)显然,为了描述流体在“质点”尺度上的平均密度,应该取得尽量地小,但另一方面,的最小值又必须有一定限度,超过这一限度,分子的随机进出将显著影响微元体的质量,使密度成为不确定的随机值。
因此,两者兼顾,我们采用使平均密度为确定值(与分子随机进出无关)的最小微元作为质点尺度的度量,并将该微元定义为流体质点,其平均密度就定义为流体质点的密度:(1-2)推广到一般,所谓流体质点就是使流体统计特性为确定值(与分子随机进出无关)的最小微元,而流体质点的密度、压力和温度等均是指内的分子统计平均值。
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。