流体力学第1章绪论

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1、第一章绪论1-2流体及其物理性质1-1课程简介及教学要求主要内容一、流体运动与流体力学二、流体力学与科学四、流体力学的研究方法三、流体力学与工程技术一、流体的定义和特征二、流体的主要物理性质三、作用在流体上的力液体保持了固体具有一定体积、难以压缩的特点，却在分子运动性方面发生了巨大改变。分子在“球胞”之间聚散无常，并且凭借“空洞”，实现位置迁移。1826年苏格兰植物学家布朗（RobertBrown)发现花粉粒子在水面上作随机运动，就是液体分子迁移的证据。气体无一定形状和体积。就易变形性而言，液体与气体属于同类。流体的一般定义：液体和气体的统称，它们没有一定的形状，容易流动。（现代汉语词

2、典）一、流体的定义和特征1-2流体及其物理性质流体易变形性是流体的决定性宏观力学特性，具体表现为：在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般是微小的(如金属)或有限的(如塑料)，但流体却能产生很大的甚至无限大变形(力作用时间无限长)。流体的力学定义：有质量，有变形，不可抵抗拉力，静止时不能抵抗剪切力。当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复，流体则不作任何恢复。固体内的切应力由剪切变形量（位移）决定，而流体内的切应力与变形量无关，由变形速度（切变率）决定。通过搅拌改变均质流体微团的排列次序，不影响它的宏观物理性质；强行改变固体微粒的排列无疑将它彻底破坏。固体重量引起的压强只沿重力方

3、向传递，垂直于重力方向的压强一般很小或为零；流体平衡时压强可等值地向各个方向传递，压强可垂直作用于任何方位的平面上。固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力与固体表面状况有关；流体与固体壁面可实现分子量级的接触，达到壁面不滑移。流体流动时，内部可形成超乎想象的复杂结构（如湍流）;固体受力时，内部结构变化相对简单。流体：不容易被压缩，可不考虑压缩性。气体：容易被压缩，要考虑压缩性。流体微团（质点）概念由不连续分布的大量分子构成，研究应该从分子开始。为了满足数学分析的需要，引入流体微团（质点）模型•相对于一般问题中的宏观特征尺寸小到可以被看成一个点，但是仍含有足够多个流体分子。连续介质假设•这

4、也是对流体微团的两个要求。流体的微观图景流体的宏观图景连续介质假设•10-10mm3水中，含有大约3.3×109个分子。•流体是由连续分布的微团（质点）组成的介质。组成连续介质的流体质点，指的是微观上无穷大，宏观上充分小的分子团。宏观运动特征尺度L3逻辑抽象的流体质点L2分子间距L1一滴水流体质点L3>>L2>>L1连续介质假设：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。连续介质假设是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学是自然图形的抽象一样。(1)可用连续性函数B(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时间变化；(2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数

5、理论求解方程。•除了稀薄气体、微尺度流动外的绝大多数流动问题，均可用连续介质假设作理论分析。使人们从分子运动的复杂性中解放出来。1.流体粘性的表现1.流体粘性首先表现在相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用。流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687）提出。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中指出：“流体的两部分由于缺乏润滑而引起的阻力（若其他情况一样），同流体两部分彼此分开的速度成正比”;“不过，流体的阻力正比于速度，与其说是物理实际，不如说是数学假设”。A流体的粘性二、流体的主要物理性质牛顿内摩擦假设在过了近一百年后，由库仑（C.A.Coulomb,1784）用实验得到证实

6、。库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了三种圆板的衰减时间。普通板涂腊板细砂板三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。流体摩擦力产生的两种可能来源:流体内部各流体微团之间会产生粘性力(内摩擦力)；流体与它所接触的固体表面之间的粘性力(外摩擦力)三种不同材料圆板的衰减时间均相等实验结果库仑得出结论:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。推论流体内摩擦是两层流体间分子内聚

7、力和分子动量交换的宏观表现。当两层液体作相对运动时，紧靠的两层液体分子的平均距离加大，产生吸引力，这就是分子内聚力。气体分子的随机运动范围大，流层之间的分子交换频繁。相邻两流层之间的分子动量交换表现为力的作用，称为表观切应力。气体内摩擦力即以表观切应力为主。2.壁面不滑移假设由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动或静止。•库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设；•壁面不滑移假设已