第1章流体力学ppt课件.ppt

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1、1.1流体属性1.1.1连续介质的概念1.1.2流体的易流性1.1.3流体的压缩性与弹性、气体的流动性1.1.4流体的粘性1.2作用在流体微团上力的分类1.3理想流体内一点的压强及其各向同性1.4流体静平衡微分方程1.5重力场静止液体中的压强分布规律1.6液体的相对平衡问题1.7标准大气第1章流体属性和流体静力学从微观的角度而言不论液体还是气体其分子与分子之间都是存在间隙的，例如海平面条件下，空气分子的平均自由程为l＝10-8mm，但是这个距离与我们宏观上关心的物体（如飞行器）的任何一个尺寸L相比较都是微乎其微的，l/L<<1流体力学和空气动力学是从

2、宏观上研究流体（空气）的运动规律和作用力（流体内部和流体对物体）的规律的学科，流体力学和空气动力学常用“介质”一词表示它所处理的流体，流体包含液体和气体1.1流体属性1.1.1连续介质的概念当受到物体扰动时，流体或空气所表现出的是大量分子运动体现出的宏观特性变化如压强、密度等，而不是个别分子的行为。一旦满足连续介质假设，就可以把流体的一切物理性质如密度、压强、温度及宏观运动速度等表为空间和时间的连续可微函数，便于用数学分析工具来解决问题。一般用努生数即分子平均自由程与物体特征尺寸之比来判断流体是否满足连续介质假设l/L<<1对于常规尺寸的物体只有到了

3、外层大气中，l/L才可能等于甚至大于1，这时气体分子就会像雨点般稀疏的流向物体如果我们将流体的最小体积单位假设为具有如下特征的流体微团：宏观上充分小，微观上足够大，则可以将流体看成是由连绵一片的、彼此之间没有空隙的流体微团组成的连续介质，这就是连续介质假设1.1.1连续介质的概念下图为时平均密度的变化情况(设p点周围密度较p点为大)：pxyz当微团体积趋于宏观上充分小的某体积时，密度达到稳定值，但当体积继续缩小达到分子平均自由程量级时，其密度就不可能保持为常数。因此流体力学和空气动力学中所说的微团，在数学上可以看成一个点，但在物理上具有宏观上充分小，

4、微观上足够大的特征1.1.1连续介质的概念在连续介质的前提下，流体介质的密度可以表达为平均密度某点P的密度其中为流体空间的体积，为其中所包含的流体质量1.1.1连续介质的概念密度的单位kg/m3流体与固体在力学上最本质的区别在于二者承受剪应力和产生剪切变形能力上的不同，如下图所示，固体能够靠产生一定的剪切角变形量θ来抵抗剪切应力θ＝τ/G其中剪切应力τ=F/A,A为固体与平板相连接的面积，G为剪切弹性模量（上式即固体的剪切虎克定律）然而如果对流体（例如甘油）也作类似实验将发现，流体的角变形量不仅将与剪切应力τ大小有关，而且与剪切应力τ的持续时间长短有

5、关。因此，不论所加剪切应力τ多么小，只要不等于零，流体都将在剪应力作用下持续不断的产生变形运动（流动），这种特性称为流体的易流性。θF固体θ1Fθ2t2t1流体1.1.2流体的易流性流体在受压时其体积发生改变的性质称为流体的压缩性，而流体抵抗压缩变形的能力和特性称为弹性。类似于材料力学，用弹性模量（这里是体积弹性模量）度量流体的弹性。体积弹性模量定义为产生单位相对体积变化所需的压强增高：其中E为体积弹性模量，v为流体体积，负号是因为当受压时dp>0体积减小dv<0，考虑到一定质量的流体m=ρv=常数,其密度与体积成反比:体积弹性模量可写为：(N/m2

6、)当E较大，则流体不容易被压缩，反之当E较小则流体容易被压缩。液体的E一般较大，通常可视为不可压缩流体，气体的E通常较小，且与热力过程有关，故气体具有压缩性。对具体流动问题是否应考虑空气压缩性要看流动产生的压强变化是否引起密度显著变化，一般情况下，当空气流动速度较低时，压强变化引起的密度变化很小，可不考虑空气压缩性对流动特性的影响。1.1.3流体的压缩性与弹性、空气的流动性气体是流体的一种，它具有流动性。气体受到扰动后，扰动的影响将会以波动的形式传播开去，扰动传播的速度即为声速，因此扰动的传播与气体的弹性有关。后面讲到高速流动时会证明，这里的等于声速

7、的平方。所以气体的弹性决定于它的密度和声速。而当飞行速度超过音速之后，扰动传播的速度仍是声速，相对于飞行速度而言，它就慢了，飞机没有飞到跟前，空气微团是没有预感的，只是飞到跟前时才突然地被推开，这时流动性就很差了。对于飞行器而言，单说空气的流动性就不够了，而必须在飞行器的飞行速度和扰动的传播速度的比值之下来谈流动性。当飞行速度远小于音速时（低速飞行）,扰动在空气里传播速度相对于飞行速度而言是很快的，这时流动性很好。飞行速度再大上去，到了高超音速范围，空气简直像没有流动性一样，而像固体的粒子那样向飞行器打来。1.1.3流体的压缩性与弹性、空气的流动性飞

8、行器的飞行速度v和扰动的传播速度a的比值称为马赫数Ma：由于气体的弹性决定于声速，因此马赫数的大小可以看成是