第1章-流体力学绪论-矿山流体机械课件.ppt

1、矿山流体机械矿山流体机械龙岩学院物理与机电工程学院陈虹微n本课程的主要内容分四部分：本课程的主要内容分四部分：n第一篇：流体力学基础第一篇：流体力学基础 n1 1、流体的特征及物理性质、流体的特征及物理性质 n2 2、流体静力学：流体静压强特性；流体静压、流体静力学：流体静压强特性；流体静压强分布规律；强分布规律；作用在平面与曲面上的静水总作用在平面与曲面上的静水总压力。压力。n3 3、流体动力学：流体动力学基本概念；伯努、流体动力学：流体动力学基本概念；伯努利方程；恒定总流的连续性方程及其综合应用。利方程；恒定总流的连续性方程及其综合应用。n4 4、管路中流体的水头损失计算、水力计算。、管路

2、中流体的水头损失计算、水力计算。n第二篇第二篇 矿山排水设备矿山排水设备n 矿山排水的意义、特点、方式，排矿山排水的意义、特点、方式，排水设备类型、结构选型设计计算，矿山水设备类型、结构选型设计计算，矿山排水设备运行的调节原理、方法，排水排水设备运行的调节原理、方法，排水设备的检修检测等。设备的检修检测等。第一篇第一篇 流体力学基础流体力学基础流体力学是研究流体运动和平衡规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象液体和气体。n流体力学的研究内容：流体力学的研究内容：n1 1、关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止、关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作

3、用于流体上的各种力（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系，这一部分称为流体静力学；之间的关系，这一部分称为流体静力学；n2 2、关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态、关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。为流体动力学。n流体力学的应用：流体力学的应用：n 流体是人类生活和生产中经常遇到的物质流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式，因此许多科学技术部门都和流体力学有形式，因此许多科学技术部门都和

4、流体力学有关。例如水利工程、土木建筑、交通运输、机关。例如水利工程、土木建筑、交通运输、机械制造、矿山石油开采、化学工业、生物工程、械制造、矿山石油开采、化学工业、生物工程、环境工程等都有大量的流体问题需要应用流体环境工程等都有大量的流体问题需要应用流体力学的知识来解决。事实上，目前很难找到与力学的知识来解决。事实上，目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。流体力学无关的专业和学科。n目前，根据流体力学在各个工程领域的目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下三类：应用，流体力学可分为以下三类：1)1)水利类流体力学：面向水工、水动、海水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等；洋

5、等；2)2)机械类流体力学：面向机械、机械类流体力学：面向机械、矿山、冶金、化工、水机（水泵和风机）矿山、冶金、化工、水机（水泵和风机）等；等；3)3)土木类流体力学：面向市政、土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。工民建、道桥、城市防洪等。n流体力学在煤矿中的应用流体力学在煤矿中的应用 矿山通风、排水、压气，水力采煤、矿山通风、排水、压气，水力采煤、重力选矿，气力、水力运输，采煤机、重力选矿，气力、水力运输，采煤机、支架、机床设备的液压系统等。支架、机床设备的液压系统等。第第1 1章章 绪论绪论n本章学习目标：本章学习目标：n掌握液体和气体流动性的区别；掌握液体和气体流动性的区

6、别；n掌握流体密度和重度的概念及计算；掌握流体密度和重度的概念及计算；n掌握流体的压缩性和膨胀性特点；掌握流体的压缩性和膨胀性特点；n掌握牛顿黏性定律及黏性的度量方法。掌握牛顿黏性定律及黏性的度量方法。流体力学发展简史流体力学发展简史流体力学的研究方法流体力学的研究方法 流体的主要物理性质流体的主要物理性质第一节第一节 流体力学概述流体力学概述流体力学发展简史流体力学发展简史n第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段n第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段n第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展欧拉、伯努利n第四阶段（19

7、世纪末以来）流体力学飞跃发展第一阶段（第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段阶段n公元前2286年公元前2278年大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）n公元前300多年李冰都江堰深淘滩，低作堰n公元584年公元610年隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展n系统研究古希腊哲学家阿基米德论浮体（公元前250年）奠定了流体静力学的基础返回n李冰（公元前李冰（公元前302302235235）是我国科学治水的典范，伟大的水）是我国科学治水的典范，伟大的水利学家。他领导创建了目前世界上历史最悠久的水利工程利学家。他领导创建了目

8、前世界上历史最悠久的水利工程都江堰。在水利史上立下了千古奇功，名扬世界，造福百都江堰。在水利史上立下了千古奇功，名扬世界，造福百姓，功垂千秋，恩泽万世。姓，功垂千秋，恩泽万世。n 李冰总结了前人治水的经验，在渠首工程的选点上作了深李冰总结了前人治水的经验，在渠首工程的选点上作了深刻的科学研究。精心地选择在成都平原顶点的岷江上游出山刻的科学研究。精心地选择在成都平原顶点的岷江上游出山口处作为工程地点，采用乘势利导、因时制宜的治水方略，口处作为工程地点，采用乘势利导、因时制宜的治水方略，修建了都江堰水利工程：无坝引水的鱼嘴分水堤，泄洪排沙修建了都江堰水利工程：无坝引水的鱼嘴分水堤，泄洪排沙的溢洪道

9、，保证成都平原引足春水和控制洪水的咽喉工程宝的溢洪道，保证成都平原引足春水和控制洪水的咽喉工程宝瓶口。使鱼嘴分水堤、宝瓶口、飞沙堰溢洪道三大主体工程瓶口。使鱼嘴分水堤、宝瓶口、飞沙堰溢洪道三大主体工程各有其独特的功能和作用。它们之间相互依存，相互制约，各有其独特的功能和作用。它们之间相互依存，相互制约，形成布局合理的系统工程，联合发挥分流分沙、泄洪排沙、形成布局合理的系统工程，联合发挥分流分沙、泄洪排沙、引水输沙的重要作用。其科学合理的设计方案，仍令当今科引水输沙的重要作用。其科学合理的设计方案，仍令当今科学界赞叹不已。都江堰保证了流区千万亩农田和城市用水的学界赞叹不已。都江堰保证了流区千万亩

10、农田和城市用水的需要，使其枯水不缺、洪水不淹、泥沙少淤、水旱从人，堪需要，使其枯水不缺、洪水不淹、泥沙少淤、水旱从人，堪称称“天然佳构天然佳构”。第二阶段（第二阶段（16世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段成为一门独立学科的基础阶段n1586年斯蒂芬水静力学原理n1650年帕斯卡“帕斯卡原理”n1612年伽利略物体沉浮的基本原理n1686年牛顿牛顿内摩擦定律，16871687年牛顿的名著年牛顿的名著原理原理讨论讨论流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始变为力学中的一个独流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始变为力学中的一个

11、独立分支。立分支。n1738年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程n1775年欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程第三阶段（第三阶段（18世纪中叶世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着世纪末）流体力学沿着两个方向发展两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验）n工程技术快速发展，提出很多经验公式工程技术快速发展，提出很多经验公式1769年谢才年谢才谢才公式（计算流速、流量）谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁年曼宁曼宁公式（计算谢才系数）曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托年比托比托管（测流速）比托管（测流速）1797年文丘里年文丘里文丘里管（测流量）文丘里管（测

12、流量）n理论理论18231823年纳维，年纳维，18451845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-SN-S方方程）程）为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的法来制定经验公式的“实验流体力学实验流体力学”。但由于有些经验公式缺乏理论基。但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄且缺乏进一步发展的基础。础，使其应用范围狭窄

13、且缺乏进一步发展的基础。第四阶段（第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展n理论分析与试验研究相结合n量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺雷诺实验（判断流态）1903年普朗特边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科n主要的流体力学事件有：主要的流体力学事件有：n17381738年瑞士数学家伯诺里在名著年瑞士数学家伯诺里在名著流体动力学流体动力学中提出了伯诺里方程。中提出了伯诺里方程。n17551755年欧拉在名著年欧拉在名著流体运动的一般原理流体运动的一般原理中

14、中提出理想流体概念，并建立了理想流体基本方提出理想流体概念，并建立了理想流体基本方程和连续方程，从而提出了流体运动的解析方程和连续方程，从而提出了流体运动的解析方法，同时提出了速度势的概念。法，同时提出了速度势的概念。n17811781年拉格朗日首先引进了流函数的概念。年拉格朗日首先引进了流函数的概念。n18261826年法国工程师年法国工程师NavierNavier，18451845年英国数学家、年英国数学家、物理学家物理学家StokesStokes提出了著名的提出了著名的N-SN-S方程方程。n18761876年雷诺发现了流体流动的两种流体：层流和紊流。年雷诺发现了流体流动的两种流体：层流

15、和紊流。n18581858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于质及旋涡运动理论，并于18871887年提出了脱体绕流理论。年提出了脱体绕流理论。n十九世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。十九世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。n19041904年普朗特提出了边界层理论。年普朗特提出了边界层理论。n二十世纪六十年代以后，计算流体力学得到了迅速的二十世纪六十年代以后，计算流体力学得到了迅速的发展，流体力学内涵也不断地得到了充实与提高。发展，流体力学内涵也不断地得到了充实与提高。n我国主要流体力学事件我国主要流体力

16、学事件 n四千多年前的四千多年前的“大禹治水大禹治水”的故事的故事顺水之性，治水须引导顺水之性，治水须引导和疏通。和疏通。n秦朝在公元前秦朝在公元前256256210210年修建了我国历史上的三大水利工程（都年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）江堰、郑国渠、灵渠）明渠水流、堰流。明渠水流、堰流。n古代的计时工具古代的计时工具“铜壶漏滴铜壶漏滴”孔口出流。孔口出流。n清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。乘以断面平均流速的计算方法。n隋朝（公元隋朝（公元587-610587-

17、610年）完成的南北大运河。年）完成的南北大运河。n隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605-617605-617年）的赵州石拱年）的赵州石拱桥桥拱背的拱背的4 4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。n“寸金难买寸光阴寸金难买寸光阴”对我们来说是再熟悉不过对我们来说是再熟悉不过的诗句了，但是其中却揭示了计量时间的方法。的诗句了，但是其中却揭示了计量时间的方法。我国古代计时是用铜壶滴漏，它使水从高度不我国古代计时是用铜壶滴漏，它使水从高度不等的几个容器里依次滴下来，最后滴到最低的等的几个容器里依次滴下来，最后滴到最低的有浮

18、标的容器里，根据浮标上的刻度也就是根有浮标的容器里，根据浮标上的刻度也就是根据最低容器里的水位来读取时间。这样，就是据最低容器里的水位来读取时间。这样，就是无形的时间改换成有形的尺寸了。光阴自然可无形的时间改换成有形的尺寸了。光阴自然可以用寸来计量。以用寸来计量。铜壶漏滴中的最低容器里的水位，是由高铜壶漏滴中的最低容器里的水位，是由高处的水一滴一滴流下来，经过长时间的积累而处的水一滴一滴流下来，经过长时间的积累而形成的，所以铜壶滴漏的计时原理实质上就是形成的，所以铜壶滴漏的计时原理实质上就是水滴总数的自动累计。水滴总数的自动累计。流体力学流体力学的研究方法的研究方法理论分析方法、实验方法、数值

19、方法相互配合，互为补充n理论研究方法力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律n实验方法相似理论模型实验装置n数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一第二节第二节 流体的主要物理性质流体的主要物理性质（流动性、惯性、粘性、压缩（膨胀）性）（流动性、惯性、粘性、压缩（膨胀）性）决定流体运动状态变化的内因决定流体运动状态变化的内因n一、流动性一、流动性n流体与固体的区别：质点內聚力不同，流动性流体与固体的区别：质点內聚力不同，流动性不同不同n流动性流动性n液体和气体的流动性差别液体和气体的流动性差别VmV0limVm3/1000mkg二.惯性密度常见流体的密度（在一个标准

20、大气压下）：4时的水20时的空气容重（重度）比重：物体的密度与4时蒸馏水的密度之比值称为比重。4时，水的比重为1；比重无量纲。gVGv13/2.1mkg三.压缩（膨胀）性1.流体的压缩性T不变，P大而V小的性质。压缩系数在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比dpddpd/1E体积模量（弹性模量）dpVdV/n说明：na.Ea.E越大，越不易被压缩，当越大，越不易被压缩，当E E 时，时，表示该流体绝对不可压缩表示该流体绝对不可压缩 。nb.b.流体的种类不同，其流体的种类不同，其 和和E E值不同。值不同。nc.c.同一种流体的同一种流体的 和和E E值随温度、压强的值随温度、压强的变化

21、而变化，但变化而变化，但 变化甚微。变化甚微。nd.d.在一定温度和中等压强下，水的弹性在一定温度和中等压强下，水的弹性模量变化不大。模量变化不大。dTVdVdTVdV/2.流体的膨胀性P不变，T升高而V变大的性质 膨胀系数在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比dTd/四.黏性：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换牛顿内摩擦定律：切应力：dzdvAF dzdvAFdzdvAFzvv+dvvxzdzya.速度梯度的物理意义角变形速度（剪切变形速度）dzdvdzdvdttgdddtddzdvvdt(v+dv)d

22、tdvdtdzd流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于dv/dz正比于正压力，与速度无关b.动力粘度（系数）：与流体性质有关又称绝对粘度，直接测量困难，方法有转筒式、毛细管式、落球式。PaS运动粘度（系数）：m/s微观机制：液体吸引力T气体热运动T恩氏粘度：200ml被测液体从恩氏粘度计中流出所需时间与200ml的20蒸馏水从该粘度计流出所需时间之比。单位:Edv/dz牛顿流体o 牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）c.牛顿流体与非牛顿流体0dv/dzo塑性流体 非牛顿流体 塑性流体克服初始应力0后，才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）dv/dzo拟

23、塑性流体 拟塑性流体的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）dv/dzo膨胀型流体 膨胀型流体的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）0dv/dzo膨胀型流体牛顿流体拟塑性流体塑性流体例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的=0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：dndvAT2053014011960m.dLAdndvNT5.261051.0053.03注意：面积、速度梯度的取法dDL131052/)1196.012.0(012/)(0sdDv例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒

24、转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。解：dydu602 nM注意：1.面积A的取法；2.单位统一hnr1r21210rrr1Ar0045.0211rhrsPa952.0得补充：表面张力和毛细现象补充：表面张力和毛细现象1.1.表面张力：由分子的内聚力引起表面张力：由分子的内聚力引起.当自由表面收缩时，在收缩的方向上必定当自由表面收缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方向相反的作用力，这种力称为有与收缩方向相反的作用力，这种力称为表面张力。在不相混合的液体间以及液体表面张力。在

25、不相混合的液体间以及液体和固体间的分界面附近的分子都将受到两和固体间的分界面附近的分子都将受到两种介质吸引力的作用，沿着分界面产生表种介质吸引力的作用，沿着分界面产生表面张力，通常称为交界面张力。面张力，通常称为交界面张力。表面张力表面张力的大小以作用在单位长度上的的大小以作用在单位长度上的力表示，单位为力表示，单位为N Nm m。表面张力和毛细现象表面张力和毛细现象ghrr2cos22.毛细现象：是指含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润浸润情况下液体沿缝隙上升上升或渗入、在不浸润不浸润情况下液体沿缝隙下降下降的现象。液固间附着力大于液体的内聚力液固间附着力小于液体的内聚力 grhcos2凹上升凸下降hh本节小结：本节小结：n一、流动性一、流动性n二、密度和重度二、密度和重度n三、压缩性和膨胀性三、压缩性和膨胀性n四、黏性四、黏性n作业：作业：P P7 7 2 2、3 3、4 4、5 5、6 6（补充）（补充）