流体力学 第1章 课程概述和流体的物理性质.ppt
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1、v 流流体体(气气体体和和液液体体)区区别别于于固固体体的的主主要要物物理理特性是易于流动。特性是易于流动。v 运运动动流流体体具具有有抵抵抗抗剪剪切切变变形形的的能能力力,这这种种抵抵抗抗体体现现在在限限制制剪剪切切变变形形的的速速率率而而不不是是大大小小上上,这就是粘滞性。这就是粘滞性。第一章第一章 课程概述和流体的物理性质课程概述和流体的物理性质v 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。v 一般情况下流体可看成是连续介质。一般情况下流体可看成是连续介质。v 流体不能承受集中力,只能承受分布力。流体不能承受集中力,只能承受分布力。v 流流体体的的上上述述物物理理力力学
2、学特特性性使使流流体体力力学学(水水力力学)成为宏观力学的一个独特分支。学)成为宏观力学的一个独特分支。11 课程概述 流体力学(水力学)的学科性质流体力学(水力学)的学科性质研究对象研究对象力学问题载体力学问题载体 宏观力学分支宏观力学分支遵循三大守恒原遵循三大守恒原理理 强调水是主要研究对象强调水是主要研究对象比较偏重于工程应用比较偏重于工程应用土建类专业常用土建类专业常用 有无固定的有无固定的体积?体积?能否形成能否形成自由表面?自由表面?是否容易是否容易被压缩?被压缩?流体流体气体气体无无否否易易液体液体有有能能不易不易 流体最主要的物理特性流体最主要的物理特性 1.1.流体在外力作用
3、下,静止与运动的规律;流体在外力作用下,静止与运动的规律;2.2.流体与边界的相互作用。流体与边界的相互作用。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 固定边界:固定边界:水工建筑物、河床、海洋平台等水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界:运动边界:飞机、船只等飞机、船只等 空空气气和和水水是是地地球球上上广广泛泛存存在在的的物物质质,所所以以与与流流体体运运动动关关联联的的力力学学问问题题是是很很普普遍遍的的。流流体体力力学学在在许许多多学学科科和和工工程程领领域域有有着着广广泛泛的的应用,对水利水电建筑工程专业来讲,其重要性不言而喻。应用,对水利水电建筑工程专业来讲
4、,其重要性不言而喻。与流体力学相关的工程领域和学科与流体力学相关的工程领域和学科排球排球足球足球网球网球游泳游泳赛艇赛艇铁饼铁饼高尔夫球高尔夫球赛跑赛跑赛车赛车标枪标枪乒乓球乒乓球羽毛球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关 课程地位课程地位 水水力力学学是是一一门门重重要要的的专专业业基基础础课课程程,它它是是连连接接前前期期基基础础课课程程和和后后续续专专业业课课程程的的桥桥梁梁。课课程程的的学学习习将将有有利利于于数数理理、力力学学基基础础知知识识的的巩巩固固与与提提高高,培培养养分分析析、解解决决实实际际问问题题的的能能力力,为为专专业课程的学习打下坚实基础。业课程的学习打下坚实基础。
5、数理、力学数理、力学 基础课程基础课程水力学水力学专业基础课程专业基础课程水利学科水利学科有关专业课程有关专业课程 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工建筑物及河槽过水能力 水流流动形态水流流动形态 水流能量消耗和利用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: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。相补充和验证,但又不能互相取代的关系。基本假设基本假设数学模型数学模型解析
6、表达解析表达理论分理论分析析数值计算数值计算 实验研究实验研究 数学模型数学模型数值模型数值模型数值解数值解模型试验模型试验量测数据量测数据换算到原型换算到原型 优优 势势局局 限限理论分析对对流流动动机机理理解解析析表表达达,因果关系清晰。因果关系清晰。受受基基本本假假设设局局限限,少少数数情况下才有解析结果。情况下才有解析结果。实验研究(模型试验)直直接接测测量量流流动动参参数数,找到经验性规律。找到经验性规律。成成本本高高,对对量量测测技技术术要要求求高高,不不易易改改变变工工况况,存在比尺效应。存在比尺效应。数值计算扩扩大大理理论论求求解解范范围围,成成本本低低,易易于于改改变变工工况
7、,不受比尺限制。况,不受比尺限制。受受理理论论模模型型和和数数值值模模型型局限,存在计算误差。局限,存在计算误差。12 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。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:一一.流体的基本特性流体的基本特性 流动性流动性什么是剪切力、什么是剪切力、剪切变形和抵剪切变形和抵抗剪切变形的抗剪切变形的能力?能力?流流体体在在静静止止时时不不能能承承受受剪切力,抵抗剪切变形。剪切力,
8、抵抗剪切变形。流流体体只只有有在在运运动动状状态态下下,当当流流体体质质点点之之间间有有相相对对运运动动时时,才才能能抵抵抗抗剪切变形。剪切变形。只只要要有有剪剪切切力力的的作作用用,流流体体就就不不会会静静止止下下来来,发发生生连连续续变形而流动。变形而流动。作作用用在在流流体体上上的的剪剪切切力力不不论论多多么么微微小小,只只要要有有足足够够的的时时间间,便能产生任意大的变形。便能产生任意大的变形。运运动动流流体体抵抵抗抗剪剪切切变变形形的的能能力力(产产生生剪剪切切应应力力的的大大小小)体体现现在在变形的速率上,而不是变形的大小(与弹性体的不同之处)。变形的速率上,而不是变形的大小(与弹
9、性体的不同之处)。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,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。形过程,但所需的时间不同。二二.流体质点概念和连续介质假设流体质点概念和连续介质假设个分子个分子 1mm3空气空气(1个大气压,个大气压,0
10、0C)宏宏观观(流流体体力力学学处处理理问问题题的的尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点足足够够小小,只占据一个空间几何点,体积趋于零。只占据一个空间几何点,体积趋于零。微微观观(分分子子自自由由程程的的尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点是是一一个个足足够够大大的的分分子子团团,包包含含了了足足够够多多的的流流体体分分子子,以以致致于于对对这这些些分分子子行行为为的的统统计计平平均均值值将将是是稳稳定定的的,作作为为表表征征流流体体物物理理特特性性和和运运动动要要素的物理量定义在流体质点上。素的物理量定义在流体质点上。流体质点概念流体质点概念以以密密度度为为例例,考考察察物物理理量量是是怎怎
11、样样定定义义在在流流体体质质点点上上的的。若若流流体体微微团团的的体体积积为为V,质量为质量为m,则流体质点密度为则流体质点密度为连连续续介介质质假假设设将将流流体体区区域域看看成成由由流流体体质质点点连连续续组组成成,占占满满空空间间而而没没有有间间隙隙,其其物物理理特特性性和和运运动动要要素素在在空空间间是是连连续分布的。续分布的。连续介质假设连续介质假设连连续续介介质质假假设设是是近近似似的的、宏宏观观的的假假设设,它它为为数数学学工工具具的的应应用用提提供供了了依依据据,在在其其它它力力学学学学科科也也有有广广泛泛应应用用,使使用用该该假假设设的的力力学学统统称称为为“连连续续介介质质
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