教 学 内 容 （讲稿）
（包括：教学
手段、时间分配、临时更改等）
第2章 流体静力学
1．研究任务：流体在静止状态下的平衡规律及其应用。
根据平衡条件研究静止状态下压力的分布规律，进而确定静止流体作用在各种表面的总压力大小、方向、作用点。
2．静止：是一个相对的概念，流体质点对建立的坐标系没有相对运动。 ①绝对静止：流体整体相对于地球没有相对运动。
②相对静止：流体整体（如装在容器中）对地球有相对运动，但液体各部分之间没有相对运动。
共同点：不体现粘性，无切应力 3．适用范围：理想流体、实际流体
无论理想流体或实际流体，在静止状态下，流体层与层之间都没有相对运动。实际立
重力 压力
重力 压力
重力 直线惯性力 压力
重力 离心惯性力 压力
质量力
质量力
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有一静止流体微团，用任意平面将其切割为两部分，取阴影部分为隔离体。设切割面上任一点m 处静压强方向不是内法线方向，则它可分解为n p 和切应力
τ。而静止流体既不能承受切应力，也不能承受拉应
力，如果有拉应力或切应力存在，将破坏平衡，这与静止的前提不符。所以静压强p 的方向只能是沿着作用面内法线方向。
2．静止流体中任何一点上各个方向的静压强大小相等，而与作用面的方位无关，即p 只是位置的函数),,(z y x p p =——大小特性。（各向相等） 证明思路：
1、选取研究对象（微元体）
2、受力分析（质量力与表面力）
3、导出关系式 ∑=0F
4、得出结论
1．选取研究对象（微元体）
从静止流体中取出一微小四面体OABC ，其坐标如图，三个垂直边的长度分别为dx 、dy 、dz ，设x p 、y p 、z p 、n p （n
方向是任意的）分别表示作用在△OAC 、△OBC 、△OAB 、△ABC 表面上的静压强，n p 与x 、y 、z 轴的夹角为α、β、γ。 2．受力分析（质量力与表面力）
流体微元所受力分为两类：表面力和质量力。 （1）表面力
表面力与作用面的面积成正比。作用在△OAC 、△OBC 、△OAB 、△ABC 面上的总压力分别为：（特性一：垂直并指向作用面）
dydz p P x x 2
1
=
教学内容（讲稿）
（包括：教学
手段、时间分
配、临时更改
等）
同理：
n
y
p
p=
n
z
p
p=
即：
n
z
y
x
p
p
p
p=
=
=
4．得出结论
因n方向是任意选定的，故上式表明，静止流体中同一点各个方向的静压强均相等。
在连续介质中，p仅是位置坐标的连续函数)
,
,
(z
y
x
p
p=。
同一点受力各向相等，但位置不同，大小不同。呈什么关系？?第二节中讨论
说明：
以上特性不仅适用于流体内部，而且也适用于流体与固体接触的表面。如：
2.2流体平衡微分方程
一、方程式的建立
它是流体在平衡条件下，质量力与表面力所满足的关系式。
●根据流体平衡的充要条件，静止流体受的所有力在各个坐标轴方向的投影和都为
零，可建立方程。∑=0
i
f
●方法：微元分析法。在流场中取微小六面体，其边长为dx、dy、dz，然后进行受
力分析，列平衡方程。
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手段、时间分
配、临时更改
等）
以x轴方向为例，如图所示
1．取研究对象
微元体：无穷小平行六面体，
dx、dy、dz → 0
微元体中心：A(x, y, z)
A1点坐标：A1(x-dx/2，y，z)
A2点坐标：A2(x+dx/2，y，z)
2．受力分析
（1）表面力
设A处压强：p(x，y，z)
因压强分布是坐标的连续函数，则A1点、A2点的压强p1、p2可按泰勒级数展开，
()n
n
n dx
x
p
n
dx
x
p
dx
x
p
z
y
x
p
z
y
dx
x
p?
?
?
?
?
-
?
?
+
+
?
?
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?
-
?
?
+
?
?
?
?
?
-
?
?
+
=
?
?
?
?
?
-
2
!
1
2
2
1
2
,
,
,
,
2
2
2
2
1
略去二阶以上无穷小量，得到A1、A2处的压强分别为：
dx
x
p
p
p
?
?
-
=
2
1
1
dx
x
p
p
p
?
?
+
=
2
1
2
则表面力在x方向的合力为：
()dz
dy
dx
x
p
dz
dy
dx
x
p
p
dx
x
p
p
dz
dy
p
p?
?
?
?
-
=
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
+
-
?
?
?
?
?
?
?
-
=
?
?
-
2
2
2
1
（2）质量力
微元体质量：dxdydz
Mρ
=
设作用在单位质量流体的质量力在x方向上的分量为X。
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手段、时间分配、临时更改等）
在平衡状态下的不可压缩流体中，作用在其边界上的压力，将等值、均匀地传递到流体的所有各点。
三、等压面
1．定义：同种连续静止流体中，静压强相等的点组成的面。（p ＝const ） 2．方程：
由Ⅱ式)(Zdz Ydy Xdx dp ++=ρ 由 p ＝const → dp ＝0 得 0=++Zdz Ydy Xdx
液体的自由表面是最为常见的等压面，等压面上的压力为大气压，即：a p p =。 3．等压面性质
①等压面就是等势面。因为0=++=?=Zdz Ydy Xdx dU dU dp ρ。
②作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面(等压面与质量力正交)。
证明：沿等压面移动无穷小距离dz k dy j dx i L d
++=
则由空间解析几何：单位质量力做的功应为
0),,(),,(=++=?=?Zdz Ydy Xdx dz dy dx Z Y X s d F
所以，质量力与等压面相垂直。 ③等压面不能相交
相交 → 一点有2个压强值：错误 ④同种相连通的绝对静止流体的水平面是等压面
X ＝Y ＝0，Z ＝－g + 性质② ⑤两种互不相混的静止流体的分界面必为等压面
证明：在分界面上任取两点A 、B ，两点间势差为dU ，压差为dp 。因为它们同属于两
流体力学标准化作业（三） ——流体动力学 本次作业知识点总结 1.描述流体运动的两种方法 （1）拉格朗日法；（2）欧拉法。 2.流体流动的加速度、质点导数 流场的速度分布与空间坐标(,,)x y z 和时间t 有关，即 (,,,)u u x y z t = 流体质点的加速度等于速度对时间的变化率，即 Du u u dx u dy u dz a Dt t x dt y dt z dt ????= =+++ ???? 投影式为 x x x x x x y z y y y y y x y z z z z z z x y z u u u u a u u u t x y z u u u u a u u u t x y z u u u u a u u u t x y z ?????=+++?????? ????? =+++???????????=+++?????? 或 ()du u a u u dt t ?==+??? 在欧拉法中质点的加速度du dt 由两部分组成， u t ??为固定空间点，由时间变化 引起的加速度，称为当地加速度或时变加速度，由流场的不恒定性引起。 ()u u ??v v 为同一时刻，由流场的空间位置变化引起的加速度，称为迁移加速度或位变加速度， 由流场的不均匀性引起。 欧拉法描述流体运动，质点的物理量不论矢量还是标量，对时间的变化率称为该物理量的质点导数或随体导数。例如不可压缩流体，密度的随体导数 D D u t t ρρ ρ?=+???（） 3.流体流动的分类
（1）恒定流和非恒定流 （2）一维、二维和三维流动 （3）均匀流和非均匀流 4.流体流动的基本概念 （1）流线和迹线 流线微分方程 x y z dx dy dz u u u == 迹线微分方程 x y z dx dy dz dt u u u === （2）流管、流束与总流 （3）过流断面、流量及断面平均流速 体积流量 3(/)A Q udA m s =? 质量流量 (/)m A Q udA kg s ρ=? 断面平均流速 A udA Q v A A == ? （4）渐变流与急变流 5. 连续性方程 （1）不可压缩流体连续性微分方程 0y x z u u u x y z ???++=??? （2）元流的连续性方程 12 1122 dQ dQ u dA u dA =?? =? （3）总流的连续性方程 1122u dA u dA = 6. 运动微分方程 （1）理想流体的运动微分方程（欧拉运动微分方程）
第三章 流体静力学 【3-2】 图3-35所示为一直煤气管，为求管中静止煤气的密度，在高度差 H =20m 的两个截面装U 形管测压计，内装水。已知管外空气的密度ρa =1.28kg/m3，测压计读数h 1=100mm ，h 2=115mm 。与水相比，U 形管中气柱的影响可以忽略。求管内煤气的密度。 图3-35 习题3-2示意图 【解】 1air 1O H 1gas 2 p gh p +=ρ 2air 2O H 2gas 2 p gh p +=ρ 2gas gas 1gas p gH p +=ρ 2air air 1air p gH p +=ρ 2gas gas 1air 1O H 2 p gH p gh +=+ρρ gH gh p p air 2O H 1air 2gas 2ρρ-=- gH gh gH gh air 2O H gas 1O H 2 2 ρρρρ-+= H H h h gas air 2O H 1O H 2 2 ρρρρ=+- () 3air 21O H gas kg/m 53.028.120 115 .01.010002 =+-?=+-=ρρρH h h 【3-10】 试按复式水银测压计（图3-43）的读数算出锅炉中水面上蒸汽的绝对压强p 。已知：H =3m ，h 1=1.4m ，h 2=2.5m ，h 3=1.2m ，h 4=2.3m ，水银的密度ρHg =13600kg/m 3。
图3-43 习题3-10示意图 【解】 ()p h H g p +-=1O H 12 ρ ()212Hg 1p h h g p +-=ρ ()232O H 32p h h g p +-=ρ ()a 34Hg 3p h h g p +-=ρ ()()212Hg 1O H 2 p h h g p h H g +-=+-ρρ ()()a 34Hg 232O H 2 p h h g p h h g +-=+-ρρ ()()a 3412Hg 321O H 2 p h h h h g p h h h H g +-+-=+-+-ρρ ()()()()() Pa 14.3663101013252.15.24.13807.910004.15.22.13.2807.913600a 321O H 1234Hg 2=+-+-??--+-??=+-+---+-=p h h h H g h h h h g p ρρ ()()()()()Pa 366300.683 1013252.15.24.1380665.910004.15.22.13.280665.913600a 321O H 1234Hg 2=+-+-??--+-??=+-+---+-=p h h h H g h h h h g p ρρ 【3-15】 图3-48所示为一等加速向下运动的盛水容器，水深h =2m ，加速度a =4.9m/s 2。试确定：（1）容器底部的流体绝对静压强；（2）加速度为何值时容器底部所受压强为大气压强？（3）加速度为何值时容器底部的绝对静压强等于零？ 图3-48 习题3-15示意图 【解】 0=x f ，0=y f ，g a f z -=
闻建龙主编的《工程流体力学》习题参考答案 第一章 绪论 1-1 物质是按什么原则分为固体和液体两大类的？ 解：从物质受力和运动的特性将物质分成两大类：不能抵抗切向力，在切向力作用下可以无限的变形（流动），这类物质称为流体。如空气、水等。而在同等条件下，固体则产生有限的变形。 因此，可以说：流体不管是液体还是气体，在无论多么小的剪应力（切向）作用下都能发生连续不断的变形。与此相反，固体的变形与作用的应力成比例，经一段时间变形后将达到平衡，而不会无限增加。 1-2 何谓连续介质假设？引入连续介质模型的目的是什么？在解决流动问题时，应用连续介质模型的条件是什么？ 解：1753年，欧拉首次采用连续介质作为流体宏观流动模型，即不考虑流体分子的存在，把真实的流体看成是由无限多流体质点组成的稠密而无间隙的连续介质，甚至在流体与固体边壁距离接近零的极限情况也认为如此，这个假设叫流体连续介质假设或稠密性假设。 流体连续性假设是流体力学中第一个根本性假设，将真实流体看成为连续介质，意味着流体的一切宏观物理量，如密度、压力、速度等，都可看成时间和空间位置的连续函数，使我们有可能用数学分析来讨论和解决流体力学问题。 在一些特定情况下，连续介质假设是不成立的，例如：航天器在高空稀薄气体中飞行，超声速气流中激波前后，血液在微血管（1μm ）内的流动。 1-3 底面积为2 5.1m 的薄板在液面上水平移动（图1-3），其移动速度为s m 16，液层 厚度为mm 4，当液体分别为C 020的水和C 0 20时密度为3 856m kg 的原油时，移动平板 所需的力各为多大？ 题1-3图 解：20℃ 水：s Pa ??=-3 10 1μ 20℃，3 /856m kg =ρ， 原油：s Pa ??='-3 102.7μ 水： 23 3 /410 416 101m N u =??=? =--δμτ N A F 65.14=?=?=τ
流体力学练习题 第一章 1-1解：设：柴油的密度为ρ，重度为γ；40C 水的密度为ρ0，重度为γ0。则在同一地点的相对密度和比重为： 0ρρ=d ，0 γγ=c 30/830100083.0m kg d =?=?=ρρ 30/81348.9100083.0m N c =??=?=γγ 1-2解：336/1260101026.1m kg =??=-ρ 3/123488.91260m N g =?==ργ 1-3解：269/106.191096.101.0m N E V V V V p p V V p p p ?=??=?-=?-=????-=ββ 1-4解：N m p V V p /105.210 41010002956 --?=?=??-=β 299/104.0105.211m N E p p ?=?==-β 1-5解：1）求体积膨涨量和桶内压强 受温度增加的影响，200升汽油的体积膨涨量为： ()l T V V T T 4.2202000006.00=??=?=?β 由于容器封闭，体积不变，从而因体积膨涨量使容器内压强升高，体积压缩量等于体积膨涨量。故： 26400/1027.16108.9140004 .22004.2m N E V V V V V V p p T T p T T ?=???+=?+?-=?+?-=?β 2）在保证液面压强增量0.18个大气压下，求桶内最大能装的汽油质量。设装的汽油体积为V ，那么：体积膨涨量为： T V V T T ?=?β 体积压缩量为：
()()T V E p V V E p V T p T p p ?+?=?+?=?β1 因此，温度升高和压强升高联合作用的结果，应满足： ()()???? ? ??-?+=?-?+=p T p T E p T V V T V V 1110ββ ()())(63.197108.9140001018.01200006.012001145 0l E p T V V p T =???? ?????-??+=???? ???-?+=β ()kg V m 34.1381063.19710007.03=???==-ρ 1-6解：石油的动力粘度：s pa .028.01.010028=?= μ 石油的运动粘度：s m /1011.39 .01000028.025-?=?==ρμν 1-7解：石油的运动粘度：s m St /1044.0100 4025-?===ν 石油的动力粘度：s pa .0356.010 4100089.05=???==-ρνμ 1-8解：2/1147001 .01147.1m N u =?== δμτ 1-9解：()()2/5.1621196.012.02 15.0065.021m N d D u u =-?=-==μδμτ N L d F 54.85.16214.01196.014.3=???=???=τπ 第二章 2-4解：设：测压管中空气的压强为p 2，水银的密度为1ρ，水的密度为2ρ。在水银面建立等压面1-1，在测压管与容器连接处建立等压面2-2。根据等压面理论，有 21p gh p a +=ρ （1） gz p z H g p 2221)(ρρ+=++（2） 由式（1）解出p 2后代入（2），整理得： gz gh p z H g p a 2121)(ρρρ+-=++
【最新整理，下载后即可编辑】 第一章 1-1 906 10500453.06 =?= =-V m ρkg/m 3 906.01000 906==d 1-2 544.0140027327334.11013252732730=?+?=+=p t ρρkg/m 3 1-3 1 1 21211V V V t t V dV dt V --==α 98.616060)2080(10550)(611122=+?-??=+-=-V V t t V V αm 3/h 1-4 9 3 3 6661121210510 11011099510102111----?=??-?-?-=---=-=V V V p p V dV dp κ1/P a 1-5 47109.26781028.4--?=??==νρμ Pa·s 1-6 63 103.14 .999103.1--?=?= =ρμνm 2/s 1-7 (1) 17.26605000 1.014.360=??==dn u π m/s 521023.510 005.017.260?=?=-=-δu dy du 1/s (2) 222d dy du dL d dy du A d F M μπμ=== 3 5 221033.51023.5108.01.014.35.322-?=?????==du dy L d M πμ Pa·s (3) 3531079.21023.51033.5?=???==-dy du μτPa 1-8 (1)y dy du μμτ2== (2)μμμμτ2122=?===y dy du 1-9 (1) h u bL dy du A F 022μμ== (2) 当2 h y =时，h u dy du 0μμτ== (3)当h y 2 3 =时，0u u = 所以0==dy du μτ 1-10 2903 .03 .0133)(112121=? ?==+=+=μμμμdy du A dy du A F F F N
重 庆 能 源 职 业 学 院 教 案 课程名称：流体力学 授课时间 2013 年 3 月 授课教师： 年 月 日 授课对象 系 别 油气储运系 本次课学时 年级班次 章节题目 第三章 压力管路和孔口、管嘴的水力计算 目的要求（含技能要求） 掌握压力管路的分类、水力计算，掌握薄壁小孔出流的特征 本节重点 压力管路的水力计算及薄壁小孔出流 本节难点 压力管路的水力计算及薄壁小孔出流 教学方法 理论教学与实例举例相结合。 教学用具 PPT 。 问题引入 以实例引入。 如何突出重点 多次重复及字体区别。 难点与重点讲解方法 实例与课程内容相结合，加深印象。 内容与步骤 简单长管的水力计算 复杂长管的水力计算 沿程均匀泄流管路 短管的水力计算 定水头孔口和管嘴泄流 变水头泄流 压力管路中的水击 本次课小 节 课程小结 本章着重讨论运用流体运动的基本规律和水头损失的计算方法对实际工程管路进行水力计算，总结出实用的计算方法。 教后札记 讨论、思考题、 作业（含实训作业） 1、何为管路特性曲线，有何用途？ 2、串并联管路各有何特点？在输油管上有哪些应用？ 3、分支管路应如何进行水力计算？
重庆能源职业学院教案 教学内容 压力管路 介绍压力管路在工程实际中的主要应用。（10分钟） 压力管路的分类（10分钟） 长管的水力计算（20分钟） 复杂管路的水力计算（50分钟） 复杂管路的水力计算（60分钟） 短管的水力计算（30分钟） 孔口出流 介绍孔口出流在工程实际中的主要应用和研究方法。（10分钟） 孔口出流的分类 本节主要讨论孔口出流的一些基本概念：薄壁孔口、厚壁孔口、大孔口、小孔口、自由出流、淹没出流。重点介绍薄壁孔口和厚壁孔口的主要技术特征。（20分钟） 薄壁小孔口自由出流 分析推导薄壁小孔口自由出流时的各个特征参数计算公式。（60分钟） 水击现象 日常生活中，快速开关阀门、停泵或突然断电 一、水击的产生 1、水击现象（水锤） 在有压管路内，由于流速急剧变化，引起管内压强突然变化，并在整个管长范围传播的现象，称水击。 当急剧升降的压力波波阵面通过管路时，产生一种声音，犹如冲击钻工作时产生的声音或用锤子敲击管路时发出的噪音，称之谓水击，亦称水锤。 2、水击压力：突然变化的压力称为水击压力（管路中出现水击现象时所增加或降低的压力 ） 值p 3、发生水击现象的物理原因： （1）外因：管路中流速突然变化 （2）内因：液体具有惯性和压缩性。
第二章流体静力学学时数：6 1. 本章学习目标及基本要求: 掌握流体平衡的规律，静止时流体的应力特征，静力学基本方程，流体与它的边界之间的作用力，非惯性系中流体的相对平衡。理解流体静压强概念及其性质；掌握流体静力学基本方程及压力表达；了解相对平衡的问题；掌握静止流体对平壁和曲壁合力计算。 从工程应用的角度来看，在大多数情况下，忽略地球自转和公转的影响，而把地球作为惯性参照系是足够精确的。当流体相对于惯性坐标系（如地球）没有运动时，我们便说流体处于静止状态或平衡状态。当流体相对于非惯性坐标系没有运动时，我们便说流体处于相对静止状态或相对平衡状态。 无论是静止的流体还是相对静止的流体，流体之间没有相对运动，因而粘性作用表现不出来，故切应力为零。 2. 本章教学内容： §2.1 流体静压强特性 §2.2 流体静力学基本方程 §2.3 静止液体对壁面的作用力 §2.4 液体的相对平衡 小结： 作用于流体的力可以分为两类：质量力和表面力。
质量力是直接作用于流体质量（或体积）上的力，通常是指重力，研究电磁流体力学将会涉及电场力，磁场力。 表面力是通过接触作用于表面上的力，在研究粘性流体的动力学问题时，表面力相当复杂。但在流体静力学中，作用于单位面积上的表面力（即应力）特性简明：只存在法向应力，并且各向同性，这就是我们经常说的压力。当我们将身体潜入水中时，身体 表面承受的静水压力总是垂直于表面的。 流体静止平衡的基本方程就是要建立质量力和表面力之间的关系式。除了用分析流体微元受力的方法建立平衡方程外，我们还可用数学的手段直接导出该方程：对于任意流体团，其受的合力为零。 事实上，当同一种液体在同一容器中静止平衡时，同一水平高度上各点压力相等；此时
3.1一直流场的速度分布为： U=(4x 2+2y+xy)i+(3x-y 3+z)j (1) 求点（2,2,3）的加速度。 (2) 是几维流动？ (3) 是稳定流动还是非稳定流动？ 解：依题意可知， V x =4x 2+2y+xy ,V y =3x-y 3+z ,V z =0 ∴a x = t V x ??+ v x X V x ??+v y Y V x ??+v z Z V x ?? =0+(4x 2+2y+xy)(8x+y)+(3x-y 3+z)(2+x) =32x 3+16xy+8x 2y+4x 2y+2y 2+x y 2+6x-2 y 3+2z+3 x 2-x y 3+xz 同理可求得， a y =12 x 2+6y+3xy-9x y 2+3 y 5-3 y 2z a z =0 代入数据得， a x = 436,a y =60, a z =0 ∴a=436i+60j (2)z 轴方向无分量，所以该速度为二维流动 (3)速度，加速度都与时间变化无关，所以是稳定流动。 3.2 已知流场的速度分布为： k z yj yi x 2223+-=μ （1）求点（3，1，2）的加速度。 （2）是几维流动？ 解：（1）由 z u z y u y x u x t u x x x x x u u u a ????????+++=
z u z y u y x u x t u y y y y y u u u a ????????+++= z u z y u y x u x t u z z z z z u u u a ????????+++= 得： 0202 2 2+?+?+=x y x xy y x a x 0)3(300+-?-+=y a y z z a z 420002?+++= 把点（3,1,2）带入得加速度a （27,9,64） （2）该流动为三维流动。 3-3 已知平面流动的速度分布规律为 ()() j y x x i y x y u 2 22222+Γ++Γ=ππ 解：() () 2 22 22,2y x x u y x y u y x +Γ= +Γ= ππ 流线微分方程：y x u dy u dx = 代入得： ()() 2 22 222y x x dy y x y dx +Γ= +Γππ C y x ydy xdx x dy y dx =-?=-?=220 3.4 截面为300mm ×400mm 的矩形风道，风量为2700m 3／h ，求平均流速。如风道出口截面收缩为150mm ×400mm 求该截面的平均流速。 解：因为v=q A /A 所以v 1=q A /A 1=2700/(300x400x10-6)=22500m/h=6.25m/s V 2=q A /A 2=2700/(150x400x10-6)=45000m/h=12.5m/s 3.5 渐缩喷嘴进口直径为50mm ，出口直径为10mm 。若进口流速为3m/s ，求喷嘴出口流速为多少？
第二章流体静力学学时数: 6 1. 本章学习目标及基本要求: 掌握流体平衡的规律, 静止时流体的应力特征, 静力学基本方程, 流体与它的边界之间的作用力, 非惯性系中流体的相对平衡。理解流体静压强概念及其性质; 掌握流体静力学基本方程及压力表示; 了解相对平衡的问题; 掌握静止流体对平壁和曲壁合力计算。 从工程应用的角度来看, 在大多数情况下, 忽略地球自转和公转的影响, 而把地球作为惯性参照系是足够精确的。当流体相对于惯性坐标系( 如地球) 没有运动时, 我们便说流体处于静止状态或平衡状态。当流体相对于非惯性坐标系没有运动时, 我们便说流体处于相对静止状态或相对平衡状态。 无论是静止的流体还是相对静止的流体, 流体之间没有相对运动, 因而粘性作用表现不出来, 故切应力为零。 2. 本章教学内容: §2.1 流体静压强特性 §2.2 流体静力学基本方程 §2.3 静止液体对壁面的作用力 §2.4 液体的相对平衡 小结: 作用于流体的力能够分为两类: 质量力和表面力。 质量力是直接作用于流体质量( 或体积) 上的力, 一般是指重力, 研究电磁流体力学将会涉及电场力, 磁场力。 表面力是经过接触作用于表面上的力, 在研究粘性流体的动力学问题时, 表面力
相当复杂。但在流体静力学中, 作用于单位面积上的表面力( 即应力) 特性简明: 只存在法向应力, 而且各向同性, 这就是我们经常说的压力。当我们将身体潜入水中时, 身体表面承受的静水压力总是垂直于表面的。 流体静止平衡的基本方程就是要建立质量力和表面力之间的关系式。除了用分析流体微元受力的方法建立平衡方程外, 我们还可用数学的手段直接导出该方程: 对于任意流体团, 其受的合力为零。 事实上, 当同一种液体在同一容器中静止平衡时, 同一水平高度上各点压力相等; 此时容器内两点的压力之差等于两点高度差乘以, 相当于一个高度为ｈ的单位面积上的液柱重量。 这一原理广泛应用于各种Ｕ形压力计。 非惯性坐标系里液体的相对平衡问题, 其质量力除包含重力外, 还应有惯性力。
流体及其主要物理性质 7 相对密度0.89的石油，温度20oC 时的运动粘度为40cSt ，求动力粘度为多少？ 解：89.0== 水 ρρ d ν＝40cSt ＝0.4St ＝0.4×10-4 m 2 /s μ＝νρ＝0.4×10-4 ×890＝3.56×10-2 Pa ·s 8 图示一平板在油面上作水平运动，已知运动速度u=1m/s ，板与固定边界的距离δ=1，油的动力粘度μ＝1.147Pa ·s ，由平板所带动的油层的运动速度呈直线分布，求作用在平板单位面积上的粘性阻力为多少？ 解：233/10147.110 11147.1m N dy du ?=??==-μ τ 9 如图所示活塞油缸，其直径D ＝12cm ，活塞直径d ＝11.96cm ，活塞长度L ＝14cm ，油的μ＝0.65P ，当活塞移动速度为0.5m/s 时，试求拉回活塞所需的力F=？ 解：A ＝πdL , μ＝0.65P ＝0.065 Pa ·s , Δu ＝0.5m/s , Δy=(D-d)/2 ()N dy du A F 55.82 1096.11125 .010141096.1114.3065.0222=?-??????==---μ流体静力学 6油罐内装相对密度0.70的汽油，为测定油面高度，利用连通器原理，把U 形管内装上相对密度为1.26的甘油，一端接通油罐顶部空间，一端接压气管。同时，压气管的另一支 引入油罐底以上0.40m 处，压气后，当液面有气逸出时，根据U 形管内油面高差h ＝0.70m 来推算油罐内的油深H 为多少？ 解：p －γ甘油Δh ＝p －γ汽油（H-0.4） H ＝γ甘油Δh/γ汽油+0.4=1.26×0.7/0.70+0.4=1.66m 7为测定油品重度，用如下装置，经过1管或2管输入气体，直至罐内油面出现气泡为止。用U 形管水银压力计分别量出1管通气时
[陈书3-8] 已知流体运动的速度场为32x v yt at =+，2y v xt =，0z v =，式中a 为常数。试求：1t =时过(0,)b 点的流线方程。 解： 流线满足的微分方程为： x y z dx dy dz v v v == 将32x v yt at =+，2y v xt =，0z v =，代入上式，得： 3 22dx dy yt at xt = +（x-y 平面内的二维运动） 移向得：32(2)xtdx yt at dy =+ 两边同时积分：32(2)xtdx yt at dy =+??（其中t 为参数） 积分结果：223x t y t ayt C =++（此即流线方程，其中C 为积分常数） 将t=1, x=0, y=b 代入上式，得：20b ab C =++ ∴积分常数2C b ab =-- ∴t=1时刻，过(0,b)点的流线方程为：222()x y ay b ab =+-+ 整理得：222()0x y ay b ab --++= 陈书3-10 已知二元不可压缩流体流动的流线方程如下，问哪一个是无旋的？ （1）2Axy C =； （2）Ax By C +=； （3）()2ln A xy C =， 其中A ，B ，C 均为常数。
[解法一] （1）根据流线方程2Axy C =? 220Aydx Axdy += 当0 A ≠时，有 dx dy x y =- 令(),u xf x y =，(),v yf x y =- 根据流体的不可压缩性，从而 '''' 0x y x y u v f xf f yf xf yf x y ??+=+--=-=?? 再把流线方程2Axy C =对x 求导得到 ' ' 220y A y A xy y x +=?=- 所以 '''''' 20x y y y y u v xf yf xf y yf yf x y ??+ =-=-=-=?? y 是任意的，得到'0y f = 2 ' '' 0y x y u v y xf yf x f y x x ????-=+=-= ???? ? 无旋 （2）根据流线方程Ax By C +=? 0Adx Bdy += 令(),u Bf x y =，(),v Af x y =- 根据流体的不可压缩性，从而 ' ' 0x y u v Bf Af x y ??+=-=?? 再把流线方程Ax By C +=对x 求导得到 ' ' 0A A By y B +=?=- 所以' ' ' 20x y y u v Bf Af Af x y ??+ =-=-=?? 当0A =时，0 v =无旋 当0 A ≠时，'0y f = 2 ''' 0y x y u v A Bf Af B f y x B ????-=+=-= ????? 无旋 （3）根据流线方程()2ln A xy C = ?2 22 111220A y dx xydy A dx dy xy xy x y ????+=+= ? ?????
32学时流体力学课复习题 一、填空题 1、流体是一种受任何微小的剪切力作用时都会产生连续变形的物质。 2、牛顿内摩擦定律=μ其中的比例系数称为动力黏性系数(动力粘度) 。 3、作用于流体上的力按其性质可以分为表面力力和质量力 4、水力学中，单位质量力是指作用在单位_质量_ 液体上的质量力。 5、单位质量力的量纲是L/T2。 6、对于不同的流体，体积弹性系数的值不同，弹性模量越大，流体越不易被压缩。 7、某点处的绝对压强等于该处的大气压强减去该处的真空度。 8、某点处的真空等于该处的大气压强减去该处的绝对压强。 9、某点处的相对压强等于该处的绝对压强减去该处的一个大气压。 10、根据粘性的大小，粘性流体的流动状态可分为层流和紊流。 11、根据流体是否有粘性，流体可分为粘性流体和理想流体。 12、根据流动参数随时间的变化，流体流动可分为定常流动和非定常流动。 13、连续性方程是质量守恒定律在流体力学上的数学表达形式。 14、总流伯努利方程是机械能守恒定律在流体力学上的数学表达形式。 15、计算局部阻力的公式为：；计算沿程阻力的公式为：。 16、相似条件包括几何相似、运动相似和动力相似。 17、沿程阻力主要是由于流体内摩擦力引起的，而局部阻力则主要是由于流动边界局部形状急剧变化引起的。 18、连续性方程表示控制体的__质量_____守恒。 19、液体随容器作等角速度旋转时，重力和惯性力的合力总是与液体自由面_垂直。 20、圆管层流中断面平均流速等于管中最大流速的1/2
二、简答题 1、简述液体与气体的粘性随温度的变化规律，并说明为什么？ 答: 温度升高时液体的黏性降低，因为液体的粘性主要是分子间的内聚力引起的，温度升高时，内聚力减弱，故粘性降低，而造成气体粘性的主要原因在于气体分子的热运动，温度越高，热运动越强烈，所以粘性就越大 2、请详细说明作用在流体上的力。 作用在流体上的力按其性质可分为表面力和质量力，表面力是指作用在所研究流体表面上的力，它是由流体的表面与接触的物体的相互作用差生的，质量力是流体质点受某种力场的作用力，它的大小与流体的质量成正比 3、简述连续介质假说。 连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。从而使微观运动的不均匀性、离散性、无规律性与宏观运动的均匀性、连续性、规律性达到了和谐的统一。（宏观无限小微观无限大） 4、何谓不可压缩流体？在什么情况下可以忽略流体的压缩性？ 除某些特殊流动问题，工程实际中将液体看作是密度等于常数的不可压缩流体，当气体的速度小于70m/s 且压力和温度变化不大时也可近似地将气体当作不可压缩流体处理 5、流体静压力有哪两个重要特征？ 特征一：在平衡的流体中，通过任意一点的等压面，必与该点所受的质量力互相垂直。 特征二：当两种互不相混的液体处于平衡时，它们的分界面必为等压面。 6、不同形状的敞开的贮液容器放在桌面上，如果液深相同，容器底部的面积相同，试问作用于容器底部的总压力是否相同？桌面上受到的容器的作用力是否相同？为什么？ 容器底部的总压力=液体压强x面积，而压强由液深决定（同种液体），所以作用于容器底部的总压力相同； 桌面上所受力是整个储有液体容器的重力，桌面上受到的容器的作用力因容器总重量不同而不同。 本题目也有漏洞：不同形状的敞开的贮液容器，体积关系不能确定，其总重量不一定相同或也不一定不同。 7、相对平衡的液体的等压面形状与什么因素有关？ 质量力（在平衡点流体中，通过任意一点的等压面必须与该店所受的质量力互相垂直） 8、静力学的全部内容适用于理想流体还是实际粘性流体？或者两者都可？为什么？ 流体处于静止或相对静止状态时，各流体质点间没有相对运动，速度梯度等于零，切向应力也等于
重庆能源职业学院教案 课程名称：流体力学授课时间2013 年 3 月 日
重 庆 能 源 职 业 学 院 教 案 教学内容 第四章 流动阻力和水头损失 主要内容 阻力产生的原因及分类 两种流态 实际流体运动微分方程式（N －S 方程） 因次分析方法、相似原理 水头损失的计算方法 第一节 流动阻力产生的原因及分类 一、基本概念 1、 湿周：管子断面上流体与固体壁接触的边界周长。以 χ 表示。 单位：米 2、水力半径：断面面积和湿周之比。 χA R = 单位：米 例： 圆管： 44 2 d d d R = =ππ 正方： 442a a a R == 圆环流： 明渠流： ()() ()4 4 2 2 d D d D d D R -= +-= ππ 42212a a a R = =
3、绝对粗糙度：壁面上粗糙突起的高度。 4、平均粗糙度：壁面上粗糙颗粒的平均高度或突起高度的平均值。以Δ表示。 5、相对粗糙度：Δ/D （D——管径）。 二、阻力产生的原因 1、外因： （a）管子的几何形状与几何尺寸。 面积：A1＝a2 A2＝a2 A3＝3a2/4 湿周： a4 1 = χa5 2 = χa4 3 = χ 水力半径：R1＝0.25a > R2＝0.2a > R3＝0.1875a 实验结论：阻力1 < 阻力2 < 阻力3 水力半径R，与阻力成反比。R↑，阻力↓ （b）管壁的粗糙度。Δ↑，阻力↑ （c）管长。与h f 成正比。L↑，阻力↑ 2、内因： 流体在流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象，流体质点由于相互摩擦所表现出的粘性，以及质点撞击引起速度变化所表现出的惯性，才是流动阻力产生的根本原因。 沿程阻力：粘性造成的摩擦阻力和惯性造成的能量消耗。 局部阻力：液流中流速重新分布，旋涡中粘性力做功和质点碰撞产生动量交换。 三、阻力的分类 1、沿程阻力与沿程水头损失 （1）沿程阻力：沿着管路直管段所产生的阻力（管路直径不变，计算公式不变）（2）沿程水头损失：克服沿程阻力所消耗的能量∑h f＝h f1+ h f2+ h f3 2、局部阻力与局部阻力损失 （1）局部阻力：液流流经局部装置时所产生的阻力。 （2）局部水头损失：∑h j＝h j1+ h j2+ h j3 3、总水头损失：h w＝∑h f+∑h j
工程流体力学 习题详解 第一章 流体的物理性质 【1－1】500cm 3的某种液体，在天平上称得其质量为0.453kg ，试求其密度和相对密度。 【解】 3340.4530.90610 kg/m 510 m V ρ-= ==?? 3 3 0.906100.9061.010w ρδρ?===? 【1－2】 体积为5m 3的水，在温度不变的条件下，当压强从98000Pa 增加到4.9×105Pa 时， 体积减少1升。求水的压缩系数和弹性系数。 【解】由压缩系数公式 105 10.001 5.110 1/Pa 5(4.91098000) p dV V dP β-=-==???- 911 1.9610 Pa 5.1 p E β= = =? 【1－3】温度为20℃，流量为60 m 3/h 的水流入加热器，如果水的体积膨胀系数βt =0.00055K -1，问加热到80℃后从加热器中流出时的体积流量变为多少？ 【解】根据膨胀系数 1t dV V dt β= 则 211t Q Q dt Q β=+ 3600.00055(8020)6061.98 m /h =??-+= 【1－4】图中表示浮在油面上的平板，其水平运动速度为u =1m/s ，δ=10mm ，油品的粘度μ=0.9807Pa·s ，求作用在平板单位面积上的阻 力。 【解】根据牛顿内摩擦定律 =du dy τμ 则 21 =0.980798.07N/m 0.01 τ? = 【1－5】已知半径为R 圆管中的流速分布为 r z u 习题1-4图 油 δ u y x
2 2=(1)r u c R - 式中c 为常数。试求管中的切应力τ与r 的关系。 【解】根据牛顿内摩擦定律 =du dy τμ 则 2222=[(1)]d r r c c dr R R τμμ-=- 第二章 流体静力学 【2－1】容器中装有水和空气，求A 、B 、C 和D 各点的表压力？ 【解】 3434222 3232() ()()(2) MA MB MA MC MB MD MC p g h h p p g h h h gh p p gh p p g h h g h h ρρρρρρ=+=-++=-==-=-+=-+ 【2－2】如图所示的U 形管中装有水银与水，试求： (1)A 、C 两点的绝对压力及表压力各为多少？ (2)求A 、B 两点的高度差h ？ 【解】 (1) ()w 0.3a b A a p p g ρ=+? w 0.3MA p g ρ=? ()w H 0.30.1ab C a p p g g ρρ=+?+? w H 0.30.1MC p g g ρρ=?+? (2)选取U 形管中水银的最低液面为等压面，则 w H 0.3g gh ρρ?= 得 w H 0.3 22 cm h ρρ?== 【2－3】 在一密闭容器内装有水及油，密度分别为ρw 及ρo ，油层高度为h 1，容器底部装有水银液柱压力计，读数为R ，水银面与液面的高度差为h 2，试导出容器上方空间的压力p 与读 数R 的关系式。 【解】选取压力计中水银最低液面为等压面，则 1w 21()o H p gh g h R h gR ρρρ+++-= 得 1w 21()H o p gR gh g h R h ρρρ=--+- 题2－1图 ? ?A ?B ?C p a h 1 h 2 h 3 h 4 空气 空气 D 题2－2图 p a C p a 30cm 10cm h A B 水 水银 水 油 ? p h 1 h 2 R 题2－3图
工程流体力学三级项目流体对曲面壁作用力分析 指导老师： 班级： 小组成员： 制作时间：2012/10/12
目录 1.项目目的 (3) 2.项目要求 (3) 3.公式推导计算过程 (4) 4.Matlab软件编程求解过程 (6) 5.分析比较 (9) 6.小组成员感想 (9) 7.参考文献 (11)
一、项目目的 （1）学会流体作用在曲面壁上的力的分析方法 （2）掌握流体作用在曲面壁上的力的推导过程 （3）了解Matlab 软件的简单使用 二、项目要求 一个闸门的横截面如图所示，垂直于直面的深度是6m,外形x=2y+0.5y2 ，此闸门可以绕0点旋转，试以闸门浅的水深度为自变量，推导一下参量的表达式；水平分力；垂直分力；作用在闸门上对原点0的顺时针方 向转矩。
三、公式推导计算过程 流体对曲面壁受力分布图 此曲面在XOZ平面上的投影如图所示，在此截面上取微面积dA，设其形心在水面以下的深度为h，则此微分面积上所承受的压力为： dP=γhdA 此压力垂直于微元面积dA，并指向右下方，与水平面成ɑ角，可将其分解为
水平分力：dPx=dPcosα =γhdAcosɑ 垂直分力：dPz= dPsinɑ =γhdAsinɑ 由图三可知dPcosɑ为dA在垂面yoz上的投影面dAx ，dAsinɑ为dA在水平面xoy上的投影面积dAz因此上式可改写为 dPx=γhdAx dPz=γhdAz 将上式沿曲面ABCD相应的投影面积积分，可得此曲面所受液体的总压力P为 水平分力：Px=∫AxγhdAx 竖直分力：Pz=∫AxγhdAz 式中∫Ax hdAx 为曲面ABCD的垂直投影面积Ax绕y 轴的静力矩可表示为 ∫AxhdAx=h o Ax 式中，ho为投影面积在Ax的形心在水面下的深度，所以总压力的 水平分力： Px=γh0A x =bh2/2 =29400h2
第三章 流体静力学 【3-2】 图3-35所示为一直煤气管，为求管中静止煤气的密度，在高度差H =20m 的两个截面装U 形管测压计，内装水。已知管外空气的密度ρa =1.28kg/m3，测压计读数h 1=100mm ，h 2=115mm 。与水相比，U 形管中气柱的影响可以忽略。求管内煤气的密度。 图3-35 习题3-2示意图 【解】 1air 1O H 1gas 2p gh p +=ρ 2air 2O H 2gas 2p gh p +=ρ 2gas gas 1gas p gH p +=ρ 2air air 1air p gH p +=ρ 2gas gas 1air 1O H 2 p gH p gh +=+ρρ gH gh p p air 2O H 1air 2gas 2ρρ-=- gH gh gH gh air 2O H gas 1O H 2 2 ρρρρ-+= H H h h gas air 2O H 1O H 2 2 ρρρρ=+- () 3air 21O H gas kg/m 53.028.120 115 .01.010002 =+-?=+-=ρρρH h h 【3-10】 试按复式水银测压计（图3-43）的读数算出锅炉中水面上蒸汽的绝对压强p 。已知：H =3m ， h 1=1.4m ，h 2=2.5m ，h 3=1.2m ，h 4=2.3m ，水银的密度ρHg =13600kg/m 3。 图3-43 习题3-10示意图 【解】 ()p h H g p +-=1O H 12ρ ()212Hg 1p h h g p +-=ρ
()232O H 32p h h g p +-=ρ ()a 34Hg 3p h h g p +-=ρ ()()212Hg 1O H 2 p h h g p h H g +-=+-ρρ ()()a 34Hg 232O H 2 p h h g p h h g +-=+-ρρ ()()a 3412Hg 321O H 2 p h h h h g p h h h H g +-+-=+-+-ρρ ()()()()() Pa 14.3663101013252.15.24.13807.910004.15.22.13.2807.913600a 321O H 1234Hg 2=+-+-??--+-??=+-+---+-=p h h h H g h h h h g p ρρ ()()()()()Pa 366300.683 1013252.15.24.1380665.910004.15.22.13.280665.913600a 321O H 1234Hg 2=+-+-??--+-??=+-+---+-=p h h h H g h h h h g p ρρ 【3-15】 图3-48所示为一等加速向下运动的盛水容器，水深h =2m ，加速度a =4.9m/s 2。试确定：（1） 容器底部的流体绝对静压强；（2）加速度为何值时容器底部所受压强为大气压强？（3）加速度为何值时容器底部的绝对静压强等于零？ 图3-48 习题3-15示意图 【解】 0=x f ，0=y f ，g a f z -= 压强差公式 () z f y f x f p z y x d d d d ++=ρ ()()z g a z f y f x f p z y x d d d d d -=++=ρρ ()?? --=h p p z g a p a d d ρ ()()()()??? ? ??-=-=----=-g a gh a g h g a h g a p p a 10ρρρρ ??? ? ??-+=g a gh p p a 1ρ () a g h p p a -=-ρh p p g a a ρ-- = （1） ()()()Pa 111138.39.480665.921000101325=-??+=-+=a g h p p a ρ
杭州电子科技大学 全国硕士研究生招生考试业务课考试大纲 考试科目名称：工程流体力学科目代码：882 第一章绪论 1-1工程流体力学的学科任务 1-2连续介质假设，流体的主要物理性质 1-3作用在流体上的力 1-4工程流体力学的研究方法 第二章流体静力学 2-1流体静压强特性 2-2流体的平衡微分方程及积分式、等压面方程 2-3流体静力学基本方程及物理意义和几何意义，压强的计算单位和表示方法，静压强的分布图、测压计原理 2-4液体的相对平衡 2-5作用在平面上的液体总压力表示方法 2-6作用在曲面上的液体总压力计算，虚、实压力体区别 2-7阿基米德原理，浮力和潜体及浮体的稳定性 第三章流体运动学 3-1描述流体运动的两种方法及其特点，迹线、流线、脉线的表示 3-2描述流体运动的一些基本概念 3-3流体运动的类型 3-4流体运动的连续性方程的表示 3-5流体微元运动的基本形式及与速度变化的关系 3-6无涡流和有涡流，速度势和速度环量 第四章理想流体动力学和平面势流 4-1理想流体的运动微分方程—欧拉运动微分方程，伯努利方程及其条件 4-2理想流体元流的伯努利方程及其物理、几何意义，皮托管原理 4-3恒定平面势流，速度势和流函数的性质及其两者的关系 第五章实际流体动力学基础 5-l实际流体的运动微分方程——纳维一斯托克斯方程，流体质点的应力状态及压应力的特性 5-2实际流体元流的伯努利方程及其物理、几何意义 5-3实际流体总流的伯努利方程及应用条件，文丘里管工作原理，有能量输入和输出的伯努利方程 5-5总流的动量方程及其应用条件和方法 第六章量纲分析和相似原理
6-l量纲分析，量纲和单位，量纲和谐原理种类和区别 6-2流动相似原理 6-3相似准则 6-5模型试验 第七章流动阻力和能量损失 7-1流体的两种流动形态——层流和湍流，流态的判别准则 7-2恒定均匀流基本方程，沿程损失的普遍表示式 7-3层流沿程损失的分析和计算，圆管层流的沿程损失系数 7-4湍流理论基础，湍流的脉动和时均法，湍流附面层分区的判别标准 7-5湍流沿程损失的分析和计算 7-6局部损失的分析和计算 第八章边界层理论基础和绕流运动 8-1边界层的基本概念 8-3边界层的动量积分方程 8-4平板上的边界层 8-5边界层的分离现象和卡门涡街 8-6绕流运动 参考书目：工程流体力学（水力学）（第2版）（上册）,闻德荪，高等学校教材，第三版，2010年。