流體力學(xué)課件
流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及流體和固體界壁間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)規(guī)律。下面小編給大家?guī)砹黧w力學(xué)課件，歡迎大家閱讀。
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一、流體的基本特征
1.物質(zhì)的三態(tài)
在地球上，物質(zhì)存在的主要形式有：固體、液體和氣體。
流體和固體的區(qū)別:從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對(duì)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(qū)別：氣體易于壓縮;而液體難于壓縮;液體有一定的體積，存在一個(gè)自由液面;氣體能充滿任意形狀的容器，無一定的體積，不存在自由液面。
液體和氣體的共同點(diǎn)：兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。
2. 流體的連續(xù)介質(zhì)模型
微觀：流體是由大量做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子組成的，分子之間存在空隙，但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體中含有3.3×1022個(gè)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(gè)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(dòng)空間和時(shí)間上所采用的一切特征尺度和特征時(shí)間都比分子距離和分子碰撞時(shí)間大得多。
(1) 概念
連續(xù)介質(zhì)(continuum/continuous medium)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)充滿所占空間的流體或固體。
連續(xù)介質(zhì)模型(continuum continuous medium model)：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型：u =u(t,x,y,z)。
(2)優(yōu)點(diǎn)
排除了分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。物理量作為時(shí)空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來研究問題。
3.流體的分類
(1)根據(jù)流體受壓體積縮小的性質(zhì)，流體可分為：
可壓縮流體(compressible flow)：流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的流體。
不可壓縮流體(incompressible flow)：流體密度隨壓強(qiáng)變化很小，流體的密度可視為常數(shù)的'流體。
注：
(a)嚴(yán)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(fā)生水擊時(shí)除外)。
(c)對(duì)于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對(duì)較小時(shí)，可視為不可壓縮流體。
(d)管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體。
(2)根據(jù)流體是否具有粘性，可分為：
實(shí)際流體：指具有粘度的流體，在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有抵抗剪切變形的能力。
理想流體：是指既無粘性又完全不可壓縮流體，在運(yùn)動(dòng)時(shí)也不能抵抗剪切變形。
二、慣性
一切物質(zhì)都具有質(zhì)量，流體也不例外。質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬性之一，是物體慣性大小的量度，質(zhì)量越大，慣性也越大。單位體積流體的質(zhì)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(xiàn)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(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積的相對(duì)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(shù)。
k與K隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微。
說明：a. K越大，越不易被壓縮，當(dāng)K時(shí)，表示該流體絕對(duì)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(qiáng)的變化而變化。
d. 在一定溫度和中等壓強(qiáng)下，水的體積模量變化不大
一般工程設(shè)計(jì)中，水的K=2×109 Pa ，說明Dp =1個(gè)大氣壓時(shí)， 。Dp不大的條件下，水的壓縮性可忽略，相應(yīng)的水的密度可視為常數(shù)。
四、粘度
1.粘性
粘性：即在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì)。
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(dòng)流體的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換所引起的。
(2)分類
動(dòng)力粘度：又稱絕對(duì)粘度、動(dòng)力粘性系數(shù)、粘度，是反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位：N"s/m2。
運(yùn)動(dòng)粘度ν：又稱相對(duì)粘度、運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。
(3)粘度的影響因素
流體粘度的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變化而變化。
1)流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。
2)壓強(qiáng)。對(duì)常見的流體，如水、氣體等，m值隨壓強(qiáng)的變化不大，一般可忽略不計(jì)。
3)溫度。是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。
a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以m值減小。
b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的
結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)量交換頻繁，所以粘度增加。
3.牛頓內(nèi)摩擦定律
a. 牛頓內(nèi)摩擦定律： 液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形的速率成正比。
說明：
1)流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。——區(qū)別于固體的重要特性:固體的切應(yīng)力與角變形的大小成正比。
2)流體的切應(yīng)力與動(dòng)力粘度m成正比。
3)對(duì)于平衡流體du /dy =0，對(duì)于理想流體m=0，所以均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即t =0。
b.牛頓平板實(shí)驗(yàn)與內(nèi)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(diǎn)上的剪應(yīng)力都同剪切變形速率呈線性函數(shù)關(guān)系的流體，即遵循牛頓內(nèi)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
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