流体力学 第1章 课程概述和流体的物理性质

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1、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。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

2、常用有无固定的体积？能否形成自由表面？是否容易被压缩？流体气体无否易液体有能不易呈现流动性？流体固体流体最主要的物理特性1.流体在外力作用下，静止与运动的规律；2.流体与边界的相互作用。流体力学（水力学）的主要研究内容固定边界：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。与流体力

3、学相关的工程领域和学科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。数理、力学基础课程水力学专业基础课程水利学科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过水能力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：水力学的研究方法理论分析、实验研究和

4、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。基本假设数学模型解析表达理论分析数值计算实验研究数学模型数值模型数值解模型试验量测数据换算到原型优势局限理论分析对流动机理解析表达，因果关系清晰。受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。实验研究（模型试验）直接测量流动参数，找到经验性规律。成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应。数值计算扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。§1—2流体的物理性质流体几乎不能承受拉力，没有

5、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：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？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

6、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。二.流体质点概念和连续介质假设个分子1mm3空气(1个大气压，00C)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

7、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。流体质点概念以密度为例，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

8、的含义应理解为流体微团趋于流体质点。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