01 水力学上 第一章 课程概述和流体的物理性质.pptx

第1页：第一章 课程概述和流体的物理性质

流体（气体和液体）区别于固体的主要物理特性是易于流动。

• 运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这种抵抗体现在限制剪切变形的速率而不是大小上，这就是粘滞性。

第一章课程概述和流体的物理性质

第2页：流体能承受压力，抵抗压缩变形

流体能承受压力，抵抗压缩变形。

• 一般情况下流体可看成是连续介质。

• 流体不能承受集中力，只能承受分布力。

• 流体的上述物理力学特性使流体力学（水力学）成为宏观力学的一个独特分支

第3页：§1—1 课程概述

力学§1—1课程概述

• 流体力学（水力学）的学科性质研究对象力学问题载体宏观力学分支遵循三大守恒原理流体力学水力学流体水力学强调水是主要研究对象比较偏重于工程应用土建类专业常用

第4页：气体与液体的性质对比

是否容易被压缩？

能否形成自由表面？

有无固定的体积？

易否无气体流体不易能有液体流体固体

• 流体最主要的物理特性呈现流动性？

第5页：流体力学（水力学）的主要研究内容

流体力学（水力学）的主要研究内容

• 流体在外力作用下，静止与运动的规律；

• 流体与边界的相互作用。

固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等运动边界：飞机、船只等

第6页：与流体力学相关的工程领域和学科

流体力学海洋水利航空航天交通运输环境气象石油化工机械冶金生物空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。

流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用，对水利水电建筑工程专业来讲，其重要性不言而喻。

空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。

• 与流体力学相关的工程领域和学科

第7页：竞技体育项目中的流体力学

排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关

第8页：水力学的课程地位

课程地位水力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。

课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课程的学习打下坚实基础。

水力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。

数理、力学基础课程数理、力学基础课程水力学专业基础课程水力学专业基础课程水利学科有关专业课程

第9页：水工建筑物及河槽所受水力荷载

水工建筑物及河槽所受水力荷载

• 水工建筑物及河槽过水能力

• 水流流动形态

• 水流能量消耗和利用

• 水流流动形态

• 水流能量消耗和利用水利水电建筑工程专业中的水力学问题：水利水电建筑工程专业中的水力学问题：

第10页：水力学的研究方法

水力学的研究方法理论分析、实验研究和数值计算相结合。

三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。

理论分析、实验研究和数值计算相结合。

理论分析数值计算实验研究基本假设数学模型解析表达数学模型数值模型数值解模型试验量测数据换算到原型

第11页：三种研究方法的局限与优势

局限优势受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。

对流动机理解析表达，因果关系清晰。

理论分析成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应。

直接测量流动参数，找到经验性规律。

实验研究（模型试验）受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。

扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。

数值计算

第12页：§1—2 流体的物理性质

§1—2流体的物理性质

• 流体几乎不能承受拉力，没有抵抗拉伸变形的能力。

• 流体能承受压力，具有抵抗压缩变形的能力。

• 关于流体承受剪切力，抵抗剪切变形能力的叙述：

• 关于流体承受剪切力，抵抗剪切变形能力的叙述：一.流体的基本特性—流动性什么是剪切力、剪切变形和抵抗剪切变形的能力？

第13页：静止流体不能承受剪切力

流体在静止时不能承受剪切力，抵抗剪切变形。

流体只有在运动状态下，当流体质点之间有相对运动时，才能抵抗剪切变形。

只要有剪切力的作用，流体就不会静止下来，发生连续变形而流动。

作用在流体上的剪切力不论多么微小，只要有足够的时间，便能产生任意大的变形。

运动流体抵抗剪切变形的能力（产生剪切应力的大小）体现在变形的速率上，而不是变形的大小（与弹性体的不同之处）

第14页：重力作用下的液面变形过程

设想放置在敞口容器中初始表面有隆起或凹陷的液体之运动和变形过程可以帮助理解以上论述。

当液面不水平时，重力起到剪切力的作用，使液体变形，最终当液面绝对水平时，剪切力为零，液体变形也终止。

不同的液体都能完成上述变形过程，但所需的时间不同

第15页：二、流体质点概念和连续介质假设

二.流体质点概念和连续介质假设1mm3空气(1个大气压，00C)

• 流体质点概念

• 宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。

• 微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。

• 7×1016个分子1mm3空气(1个大气压，00C)

第16页：流体质点密度的定义

以密度为例，考察物理量是怎样定义在流体质点上的。

若流体微团的体积为ΔV，质量为Δm，则流体质点密度为若流体微团的体积为度为

• 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。

• 连续介质假设

• 连续介质假设ΔV，质量为Δm，则流体质点密ρ=limΔmΔV→0ΔV

• 连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用该假设的力学统称为“连续介质力学”。

除了个别情形外，在水力学中使用连续介质假设是合理的。

其中ΔV→0的含义应理解为流体微团趋于流体质点

第17页：三、流体的粘滞性

运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性。

值得强调的是，这种抵抗体现在剪切变形的快慢上。

• 在剪切变形中，流体内部出现成对的切应力τ，称为内摩擦力，来抵抗相邻两层流体之间的相对运动。

• 连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础：设在t时刻，有某个流体质点占据了空间点(x,y,z)，将此流体质点所具有的某种物理量（数量或矢量）定义在该时刻和空间点上，根据连续介质假设，就可形成定义在连续时间和空间域上的数量或矢量场。

三.流体的粘滞性

第18页：平面流动中的剪切变形

对于如图的平面流动，流体速度u都沿x方向，且不随x变化，只随y变化。

两层流体之间存在相对运动和剪切（角）变形，同时也出现成对的切应力，流动快的一层要带动流动慢的一层，而流动慢的一层则要阻碍流动快的一层，它起到抵抗剪切变形的作用

第19页：剪切变形速率与牛顿流体

容易解释为什么是剪切（角）变形速率，它表示流体直角减小的速度。

（角）变形速率，它表示流体直角减小的速度。

• 满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。

• 牛顿内摩擦定律告诉我们：切应力τ和剪切（角）变形速率比例系数μ称为动力粘性系数，是粘性流体的物理属性。

• 容易解释为什么du是剪切dyτ=μdudydu之间存在正比例关系

第20页：运动粘性系数与温度的关系

ν空气>ν水形成牛顿内摩擦力物理机理①分子间的吸引力②分子运动引起流体层间的动量交换液体以此为主气体以此为主

• 随着温度升高，液体的粘性系数下降；

气体的粘性系数上升。

今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。

• 运动粘性系数具有运动学量纲。

注意注意μ

• 运动粘性系数ν=ρ

第21页：理想流体假设

理想流体假设

• 理想流体假设是忽略粘性影响的假设，可近似反映粘性作用不大的实际流动，粘性作用不大是相对于其它因素的作用而言的。

而μ是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体。

dyτ=μdudy

• 我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。

• 忽略粘性影响实际上就是忽略切应力，切应力duτ，

第22页：五、流体的压缩性

五.流体的压缩性

• 流体能承受压力，在受外力压缩变形时，产生内力（弹性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢复原形，流体的这种性质称为压缩性。

VV-ΔVpp+Δp

第23页：压缩系数与体积弹性系数

称为压缩系数，其倒数V

• 将相对压缩值−dV与压强增量dp之比值dpdpκ=−dV/V=dρ/ρκdρ/ρdp称为体积弹性系数。

K越大，K=1=

• 液体的K随温度和压强而变，随温度变化不显著。

液体的K值很大，除非压强变化很剧烈、很迅速，一般可不考虑压缩性，作不可压缩流体假设，即认为液体的K值为无穷大，密度为常数。

但若考虑水下爆炸、水击问题时，则必须考虑压缩性。

越不易被压缩

第24页：§1—3 作用在流体上的力

质量力分布在流体质量（体积）上，是一种远程力。

我们定义的质量力为力的质量密度f，即单位质量流体所承受的质量力，是加速度的单位。

§1—3作用在流体上的力流体不能承受集中力，只能承受分布力。

分布力按表现形式又分为

质量力、表面力。

流体不能承受集中力，只能承受分布力。

一.质量力

第25页：二、表面力

的含义，按连续介质假设，即为流体团趋于流体质点。

所以质量力是定义在流体质点上的。

• 设体积为ΔV的流体团，其质量为Δm，所受质量力为ΔF，则

• 设体积为ΔV的流体团，其质量为Δm，所受质量力为ΔF，则f=limΔFΔV→0ΔmΔV→0ΔV→0二.表面力

• 表面力分布在流体面上，是一种接触力。

定义表面力的面积密度，即单位面积上流体所承受的表面力为应力

第26页：表面力与应力的定义

• 设面积为ΔA的流体面元，法向为n，指向表面力受体外侧，所受表面力为ΔP，则应力

• 设面积为ΔA的流体面元，法向为n，指向表n面力受体外侧，所受表面力为ΔP，则应力pΔA→0ΔA=limΔP的含义为面元趋于面元上的某定点，所以应力是定义在流体面上一点处的。

同一点处的应力还与作用面的方位有关，所以须将作用面的法向用脚标指明。

的含义为面元趋于面元上的某定点，所以应力是定义在流体面上一点处的。

ΔA→0ΔA→0

• 应力pn是矢量，可向作用面的法向或切向投影，分解成法应力和切应力

第27页：应力的四个要素

凡谈及应力，应注意明确以下几个要素：①哪一点的应力；

• 哪个方位作用面上的应力；

• 作用面的哪一侧流体是研究对象（表面力的受体），从而决定法线的指向；

• 应力在哪个方向上的分量

第28页：水力学单位制

水力学课程中使用的单位制SI国际单位制（米、公斤、秒制）三个基本单位长度单位：m（米）质量单位：kg（公斤）时间单位：s（秒）

第29页：导出单位

导出单位，如

密度ρ单位：kg/m3力的单位：N（牛顿），1N=1kg

• m/s2应力、压强单位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2动力粘性系数μ单位：N

• s/m2=Pa

• s运动粘性系数ν单位：m2/s体积弹性系数K单位：Pa

第30页：水与空气的物理量数值

水与空气的物理量数值：下表列出相关数据。

与水和空气有关的一些重要物理量的数值33ρ水=1000kg/mρ空气=1.248kg/m

• 1大气压，40C1大气压，100C

• 常压常温下，空气的密度是水的1/8003ρ海水=1020kg/m

• 一般取海水密度为

第31页：密度随温度的变化

密度随温度的变化：下表列出相关数据。

空气的密度随温度变化相当大，温度高，密度低。

• 水的密度随温度变化很小。

• 1大气压，00C1大气压，800C3ρ空气=1.293kg/m3ρ空气=1.000kg/m3ρ水=999.9kg/m3ρ水=971.8kg/m

第32页：大气压与空气密度数值

大气压与空气密度数值：下表列出相关数据。

150C，海平面(标准大气压)32ap=101.33kN/m,ρ=1.225kg/m20C，海拔2km32ap=79.50kN/m,ρ=1.007kg/m工程大气压（相当于10m水柱底部压强）2pa=98.10kN/m

• 空气容易被压缩

第33页：水与空气的粘性系数数值

水与空气的粘性系数数值：下表列出相关数据。

00C1000Cμ水=0.282×10Pa

• s−3μ水=1.781×10Pa

• s−3ν水=0.294×10m/s−62ν水=1.785×10m/s−62

• -40C1000C=2.18×10−5Pa

• sμ空气=1.49×10−5Pa

• sμ空气ν空气=0.98×10m/sν=2.31×10m/s−52−52空气

• 空气的动力粘性系数比水小2个数量级，但空气的运动粘性系数比水大。

• 空气的粘性系数随温度升高而增大，而水的粘性系数随温度升高而减小

第34页：水的体积弹性系数

常温下，水的体积弹性系数9水K≈2.0×10Pa相对压缩（或密度增加）1%，需要增压Δp≈2.0×107Pa约为200个大气压，即2000m水下的压强。

• 一般情况下可以认为水是不可压缩的