流體力學課件

流體力學課件

　　流體力學是力學的一個分支，主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止狀態和運動狀態以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規律。下面小編給大家帶來流體力學課件，歡迎大家閱讀。

　　流體力學課件

　　一、流體的基本特徵

　　1.物質的三態

　　在地球上，物質存在的主要形式有：固體、液體和氣體。

　　流體和固體的區別:從力學分析的意義上看，在於它們對外力抵抗的能力不同。

　　固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形。

　　流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。

　　液體和氣體的區別：氣體易於壓縮;而液體難於壓縮;液體有一定的體積，存在一個自由液麵;氣體能充滿任意形狀的容器，無一定的體積，不存在自由液麵。

　　液體和氣體的共同點：兩者均具有易流動性，即在任何微小切應力作用下都會發生變形或流動，故二者統稱為流體。

　　2. 流體的連續介質模型

　　微觀：流體是由大量做無規則運動的分子組成的，分子之間存在空隙，但在標準狀況下，1cm3液體中含有3.3×1022個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.1×10-8cm。1cm3氣體中含有2.7×1019個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.2×10-7cm。

　　宏觀：考慮宏觀特性，在流動空間和時間上所採用的一切特徵尺度和特徵時間都比分子距離和分子碰撞時間大得多。

　　(1) 概念

　　連續介質(continuum/continuous medium)：質點連續充滿所佔空間的流體或固體。

　　連續介質模型(continuum continuous medium model)：把流體視為沒有間隙地充滿它所佔據的整個空間的一種連續介質，且其所有的物理量都是空間座標和時間的連續函式的一種假設模型：u =u(t,x,y,z)。

　　(2)優點

　　排除了分子運動的複雜性。物理量作為時空連續函式，則可以利用連續函式這一數學工具來研究問題。

　　3.流體的分類

　　(1)根據流體受壓體積縮小的性質，流體可分為：

　　可壓縮流體(compressible flow)：流體密度隨壓強變化不能忽略的流體。

　　不可壓縮流體(incompressible flow)：流體密度隨壓強變化很小，流體的密度可視為常數的'流體。

　　注：

　　(a)嚴格地說，不存在完全不可壓縮的流體。

　　(b)一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體(發生水擊時除外)。

　　(c)對於氣體，當所受壓強變化相對較小時，可視為不可壓縮流體。

　　(d)管路中壓降較大時，應作為可壓縮流體。

　　(2)根據流體是否具有粘性，可分為：

　　實際流體：指具有粘度的流體，在運動時具有抵抗剪下變形的能力。

　　理想流體：是指既無粘性又完全不可壓縮流體，在運動時也不能抵抗剪下變形。

　　二、慣性

　　一切物質都具有質量，流體也不例外。質量是物質的基本屬性之一，是物體慣性大小的量度，質量越大，慣性也越大。單位體積流體的質量稱為密度(density)，單位：kg/m3。

　　三、壓縮性

　　1.壓縮性

　　流體的可壓縮性(compressibility)：作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現象稱為流體的可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮率k來量度。

　　2.體積壓縮率k

　　體積壓縮率k(coefficient of volume compressibility)：流體體積的相對縮小值與壓強增值之比，即當壓強增大一個單位值時，流體體積的相對減小值。

　　3.體積模量K

　　流體的壓縮性在工程上往往用體積模量來表示。體積模量K(bulk modulus of elasticity)是體積壓縮率的倒數。

　　k與K隨溫度和壓強而變化，但變化甚微。

　　說明：a. K越大，越不易被壓縮，當K時，表示該流體絕對不可壓縮 。

　　b. 流體的種類不同，其k和K值不同。

　　c. 同一種流體的k和K值隨溫度、壓強的變化而變化。

　　d. 在一定溫度和中等壓強下，水的體積模量變化不大

　　一般工程設計中，水的K=2×109 Pa ，說明Dp =1個大氣壓時， 。Dp不大的條件下，水的壓縮性可忽略，相應的水的密度可視為常數。

　　四、粘度

　　1.粘性

　　粘性：即在運動的狀態下，流體所產生的抵抗剪下變形的性質。

　　2.粘度

　　(1)定義

　　流體的粘度：粘性大小由粘度來量度。流體的粘度是由流動流體的內聚力和分子的動量交換所引起的。

　　(2)分類

　　動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性係數、粘度，是反映流體粘滯性大小的係數，單位：N"s/m2。

　　運動粘度ν：又稱相對粘度、運動粘性係數。

　　(3)粘度的影響因素

　　流體粘度的數值隨流體種類不同而不同，並隨壓強、溫度變化而變化。

　　1)流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大於氣體的粘度。

　　2)壓強。對常見的流體，如水、氣體等，m值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計。

　　3)溫度。是影響粘度的主要因素。當溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。

　　a.液體：內聚力是產生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪下變形速度所產生的切應力減小，所以m值減小。

　　b.氣體：氣體分子間距離大，內聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運動動量交換的

　　結果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以粘度增加。

　　3.牛頓內摩擦定律

　　a. 牛頓內摩擦定律： 液體運動時，相鄰液層間所產生的切應力與剪下變形的速率成正比。

　　說明：

　　1)流體的切應力與剪下變形速率，或角變形率成正比。——區別於固體的重要特性:固體的切應力與角變形的大小成正比。

　　2)流體的切應力與動力粘度m成正比。

　　3)對於平衡流體du /dy =0，對於理想流體m=0，所以均不產生切應力，即t =0。

　　b.牛頓平板實驗與內摩擦定律

　　2.牛頓流體、非牛頓流體

　　牛頓流體(newtonian fluids)：是指任一點上的剪應力都同剪下變形速率呈線性函式關係的流體，即遵循牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓流體。

　　非牛頓流體：不符合上述條件的均稱為非牛頓流體