1、1第一章流体及其物理性质1.流体的概念流体的概念流动性、连续介质。流动性、连续介质。2.流体的物理性质流体的物理性质密度、压缩性、膨胀性、粘性。密度、压缩性、膨胀性、粘性。3kg/m1000水v 1大气压，大气压，40C 1大气压，大气压，200C3/20.1mkg空气v 一般取汞密度为水密度的一般取汞密度为水密度的13.6倍倍xduFUAhdy2补充例题1图示油缸尺寸为图示油缸尺寸为 d=12 cm，l14 cm，=0.02 cm，所充油的所充油的=0.65 10-1Pas。试求当活塞以速度。试求当活塞以速度 v=0.5 m/s 运动时所需拉力运动时所需拉力 F为多少？为多少？解解:由牛顿内
2、摩擦定律知由牛顿内摩擦定律知VAF 式中式中dlA由此得由此得NVAF57.83第二章流体静力学1.作用在流体上的力作用在流体上的力2.流体的静压强及其特性流体的静压强及其特性3.流体的平衡微分方程式流体的平衡微分方程式4.重力场中流体静力学基本方程重力场中流体静力学基本方程5.流体静力学基本方程的意义流体静力学基本方程的意义6.压力的单位和压力的测量方法压力的单位和压力的测量方法7.流体的相对平衡流体的相对平衡8.静止流体作用力静止流体作用力4作用在流体上的力 作用于流体上的力按作用方式可分为作用于流体上的力按作用方式可分为表面力表面力和和质质量力量力两类。两类。kZjYiXkmFjmFim
3、FmFfzyx5流体的静压强及其特性 特性一：静止流体的应力只有法向分量（流体质特性一：静止流体的应力只有法向分量（流体质点之间没有相对运动不存在切应力），且沿内法线方点之间没有相对运动不存在切应力），且沿内法线方向。向。特性二：在静止流体中任意一点静压强的大小与特性二：在静止流体中任意一点静压强的大小与作用的方位无关，其值均相等。作用的方位无关，其值均相等。6流体的平衡微分方程式01ypY01zpZ01xpXZdzYdyXdxdp确定等压面的原则：确定等压面的原则：在在重力场中，静止、同种、连在在重力场中，静止、同种、连续的流体中，水平面是等压面。续的流体中，水平面是等压面。7重力场中流体静
4、力学基本方程重力场中流体静力学基本方程 cpzpz2211hpp0112112hpzzpp8补充例题一：画出图示固体壁面补充例题一：画出图示固体壁面AB、BC、CD所受流所受流体静压强分布图。体静压强分布图。第四节第四节 重力场中流体静力学基本方程重力场中流体静力学基本方程 hpp00pABCDBCCCB9流体静力学基本方程的意义 在静力学基本方程式在静力学基本方程式 中，各项都为长度量纲，称中，各项都为长度量纲，称为水头（液柱高）。为水头（液柱高）。Cpz一、几何意义一、几何意义 位置水头位置水头，以任取水平面为基准面，以任取水平面为基准面 z=0，铅垂向，铅垂向 上为正。上为正。z 压强水
5、头压强水头，以大气压为基准，用相对压强代入计，以大气压为基准，用相对压强代入计 算。算。p 测压管水头测压管水头。pz 在重力场中，平衡流体内各点的测压管水头在重力场中，平衡流体内各点的测压管水头 相等，测压管水头线是一条水平线相等，测压管水头线是一条水平线。Cpz10 压强势能压强势能AlAlp 总势能总势能 位置势能与压强势能可以互相转换，但它们之位置势能与压强势能可以互相转换，但它们之和和 总势能是保持不变的，并可以相互转化。总势能是保持不变的，并可以相互转化。二、能量意义流体静力学基本方程的意义 位置势能位置势能，（从基准面（从基准面 z=0 算算起铅垂向上为正。起铅垂向上为正。）mg
6、mgz z 11BA绝对压强基准绝对压强基准A点绝点绝对压强对压强B点真空压强点真空压强A点相点相对压强对压强B点绝对压强点绝对压强相对压强基准相对压强基准O当地大气当地大气压强压强 paO压强压强压力的单位和压力的测量方法压力的单位和压力的测量方法 p=pg+pa pv=pa-p12压力的单位和压力的测量方法压力的单位和压力的测量方法p1=p2=p3+gh1 pA=p1+hApB=p3+hB1hhhppgBABAhhhhhhhhppggBAgBA111113 ApPCAdDAC PyCyhDyhChyx静止流体作用力静止流体作用力-作用在平面上的总压力作用在平面上的总压力 h=ysindPA
7、yIyyCCCD14第三章第三章 流体运动学流体运动学 1.研究流体运动的两种方法研究流体运动的两种方法 2.基本概念基本概念3.连续性方程连续性方程4.流体微团的运动分解流体微团的运动分解5.势函数和流函数势函数和流函数6.平面势流及叠加平面势流及叠加15着眼于流体质点，跟踪着眼于流体质点，跟踪质点描述其运动历程质点描述其运动历程着眼于空间点，研究着眼于空间点，研究质点流经空间各固定质点流经空间各固定点的运动特性点的运动特性研究流体运动的两种方法研究流体运动的两种方法 16基基 本本 概概 念念一、一、定常流动和非定常流动定常流动和非定常流动 17基基 本本 概概 念念二、二、迹线与流线迹线
8、与流线 x=x(a，b，c，t)y=y(a，b，c，t)z=z(a，b，c，t)18 2.流线流线 流线是同一时刻流场中连流线是同一时刻流场中连续各点的速度方向线。续各点的速度方向线。基基 本本 概概 念念t 是参数是参数19 2.流线流线流线具有以下两个特点：流线具有以下两个特点：非定常流动时，流线的形状非定常流动时，流线的形状随时间改变；定常流动时，其形状随时间改变；定常流动时，其形状不随时间改变。此时，流线与迹线不随时间改变。此时，流线与迹线重合，流体质点沿流线运动。重合，流体质点沿流线运动。流线是一条光滑曲线。流线之间不能相交。如果流线是一条光滑曲线。流线之间不能相交。如果相交，交点的
9、速度必为零。否则，同一时刻在交点上将相交，交点的速度必为零。否则，同一时刻在交点上将出现两个速度，这显然是不可能的。出现两个速度，这显然是不可能的。基基 本本 概概 念念20基基 本本 概概 念念三、三、流管、流束及总流流管、流束及总流流线流线L流管流管21基基 本本 概概 念念1.过流断面过流断面 与总流或流束中的流线与总流或流束中的流线处处垂直的断面称为过流断处处垂直的断面称为过流断面面(或过流截面或过流截面)。2.湿周、水力半径、水力直径湿周、水力半径、水力直径 总流的过流断面上，流体与固体接触的长度称为总流的过流断面上，流体与固体接触的长度称为湿周湿周，用，用表示。表示。总流过流断面的
10、面积总流过流断面的面积A与湿周与湿周之比称为之比称为水力半径水力半径R，水力，水力半径的半径的4倍称为倍称为水力直径。水力直径。di=4A/=4R 22基基 本本 概概 念念 总流过流断面上的流速总流过流断面上的流速与法向一致，所以穿过与法向一致，所以穿过过流断面过流断面 A 的流量大小的流量大小为为 ，其中，其中 u 为流速的大小。为流速的大小。AAuQd 定义体积流量与断面面积定义体积流量与断面面积之比之比 为为断面平均流速，它是过水断面上不均匀流速它是过水断面上不均匀流速u 的一个平均值，假设过水的一个平均值，假设过水断面上各点流速大小均等于断面上各点流速大小均等于v，方向与实际流动方向
11、相，方向与实际流动方向相同，则通过的流量与实际流同，则通过的流量与实际流量相等。量相等。AQv 23基基 本本 概概 念念众多流体质点的集合称为系统。系统一经确定，它众多流体质点的集合称为系统。系统一经确定，它所包含的流体质点都将确定。系统的大小、位置和形状所包含的流体质点都将确定。系统的大小、位置和形状是可以变化的。是可以变化的。系统系统控制体是指流场中某一确定控制体是指流场中某一确定的空间。这一空间的边界称的空间。这一空间的边界称为控制面。控制体一经选定，为控制面。控制体一经选定，它在某坐标系中的大小、位它在某坐标系中的大小、位置和形状都不再变化。置和形状都不再变化。控制体控制体24连续性
12、方程连续性方程 连续性方程的物理学本质：质量不灭定律在流体力学中的反映。25流体微团的运动分析)d,d,d(zzyyxxC1u),(zyxAudr角变形线变形旋转变形旋转uuuuuuuu126流体微团的运动分析平动、转动、线变形、角变形 唯一的标准是看流速场是否满足唯一的标准是看流速场是否满足 ，写成分，写成分量形式为：量形式为：判别：判别：yuxuxuzuzuyuxyzxyz,0 有旋流动和无旋流动有旋流动和无旋流动 无旋流动无旋流动有旋流动有旋流动?0这个分类是这个分类是 很重要的很重要的27第四章第四章 流体动力学基础流体动力学基础第一节理想流体运动微分方程第一节理想流体运动微分方程第二
13、节粘性流体运动微分方程第二节粘性流体运动微分方程第三节理想流体的伯努里方程第三节理想流体的伯努里方程第四节伯努里方程的能量意义和几何意义第四节伯努里方程的能量意义和几何意义第六节总流伯努里方程第六节总流伯努里方程第七节伯努里方程的应用第七节伯努里方程的应用第八节动量方程第八节动量方程28第一节第一节 理想流体的运动方程式理想流体的运动方程式 zuuyuuxuutuxpXxzxyxxx1zuuyuuxuutuypYyzyyyxy1zuuyuuxuutuzpZzzzyzxz1表面力表面力质量力质量力位变加速度位变加速度时变加速度时变加速度29第二节第二节 粘性流体的运动方程式粘性流体的运动方程式理
14、想流体理想流体+粘性粘性流体粘性粘性流体研究对象：理想流体的六研究对象：理想流体的六面体，边长为面体，边长为dx、dy、dz。原理：原理：dtudmFFFnm。，粘性流体理想流体00FFzuyuxuuzyx30第三节第三节 理想流体的伯诺里方程理想流体的伯诺里方程cgupz22gupzgupz2222222111沿流线取两点220022ppuzzgg在同一点处不同流速时202upp全压全压静压静压动压动压31 将各项水头沿程变化的情况用几何的方法表示出将各项水头沿程变化的情况用几何的方法表示出来。来。水头线水头线测压管水头线测压管水头线总水头线总水头线位置水头线位置水头线zpgu22oo水平基
15、准线水平基准线H理想流理想流体恒定体恒定元流的元流的总水头总水头线是水线是水平的。平的。第四节第四节 伯诺里方程的能量意义和几何意义伯诺里方程的能量意义和几何意义 32第四节第四节 伯诺里方程的能量意义和几何意义伯诺里方程的能量意义和几何意义补充例题一补充例题一测量流速的皮托管如图所示，设被测流测量流速的皮托管如图所示，设被测流体密度为体密度为1，测压管内液体密度为，测压管内液体密度为2，测压管中液面高，测压管中液面高差为差为h。试证明所测流速。试证明所测流速/21ghv证明证明:p1z2z1p2p11gzppghhzgpp122)(gvgpzgvgpz222222211133第六节第六节 总
16、流伯诺里方程总流伯诺里方程whgvpzHgvpz2222222111whgvpzgvpz2222222111 waghvpgzzvp222212211122wpvpvp222221112234第六节第六节 总流伯诺里方程总流伯诺里方程补充例题五补充例题五用文丘里流量计测量水的流量，已知用文丘里流量计测量水的流量，已知D=0.2m，d75mm，l=0.5m，并与水平面成，并与水平面成300角放置。压差计读数角放置。压差计读数 h0.6m,不计任何损失不计任何损失,求流量求流量qv。1=1000kg/m3，2=13600kg/m3。解：解：AI-II-I截面是缓变流截面，所截面是缓变流截面，所以有
17、以有且且A A点既可看成在管路中，点既可看成在管路中，又可看成在测压管中，所又可看成在测压管中，所以在图示路径上静力学基以在图示路径上静力学基本方程仍然适用。本方程仍然适用。1AAzpgC1p111ppgz同理同理2pghhzgpp2212)(2 hgpzgpz11212211135第六节第六节 总流伯诺里方程总流伯诺里方程补充例题五补充例题五用文丘里流量计测量水的流量，已知用文丘里流量计测量水的流量，已知D=0.2m，d75mm，l=0.5m，并与水平面成，并与水平面成300角放置。压差计读数角放置。压差计读数 h0.6m,不计任何损失不计任何损失,求流量求流量qv。1=1000kg/m3，
18、2=13600kg/m3。解：解：2hgpzgpz112122111根据连续方程根据连续方程221244vdvDgvgpzgvgpz222212221111根据能量方程根据能量方程36第六节第六节 总流伯诺里方程总流伯诺里方程补充例题五补充例题五用文丘里流量计测量水的流量，已知用文丘里流量计测量水的流量，已知D=0.2m，d75mm，l=0.5m，并与水平面成，并与水平面成300角放置。压差计读数角放置。压差计读数 h0.6m,不计任何损失不计任何损失,求流量求流量qv。1=1000kg/m3，2=13600kg/m3。解：解：21124121dDghv11244412212dDghDvDQh
19、KQ 11244122dDgDK37第八节第八节 动动 量量 方方 程程 t时间内流入控制时间内流入控制体流体的动量体流体的动量iMt时间内流出控制时间内流出控制体流体的动量体流体的动量oMxy1vxv1yv12vxv2yv2yyyxxxvvQFvvQFvvQF11221122112238第五章第五章 粘性流体流动及阻力粘性流体流动及阻力 任务：任务：1.流动阻力产生的原因，流动阻力产生的原因，2.流动状态，流动状态，3.层流和紊流，层流和紊流，4.绕流阻力问题。绕流阻力问题。内容：内容：第一节流动阻力的分类第一节流动阻力的分类第二节粘性流体的两种流动状态第二节粘性流体的两种流动状态第三节附面
20、层和管流起始段的概念第三节附面层和管流起始段的概念第四节圆管中的层流运动第四节圆管中的层流运动第五节缝隙流第五节缝隙流第六节圆管中的紊流运动第六节圆管中的紊流运动第七节不可压缩流体绕流物体的运动第七节不可压缩流体绕流物体的运动39水平基准线水平基准线位置水头线位置水头线粘性流体总水头线粘性流体总水头线oo理想流体总水头线理想流体总水头线第一节 流动阻力的分类hfhjhw=hf+hjhw=hf+hj40第二节第二节 粘性流体的两种流动状态粘性流体的两种流动状态 hf=kvm 层流，层流，m=1。紊流，紊流，m=1.752。层流层流紊流紊流过渡区过渡区41流态判别准则流态判别准则雷诺数雷诺数 vd
21、vdRe时，紊流时，层流ccvdRe2320ReRe时，紊流时，层流20002000Reivd时，紊流时，层流12001200Reivd一切有压流一切有压流一切无压流一切无压流42第三节第三节 附面层的概念附面层的概念 沿壁面的法线方向一个速度逐渐增加的区域，这沿壁面的法线方向一个速度逐渐增加的区域，这就是附面层。就是附面层。速度从壁面处的零增加到速度从壁面处的零增加到0.99u时的法线方向的时的法线方向的距离，定义为附面层厚度，用距离，定义为附面层厚度，用表示。表示。Rex=ux/43五、圆管层流和紊流的比较 层流层流 紊流紊流流动特点流动特点分层分层 脉动脉动沿程损失沿程损失hfv hfv
22、1.752速度分布速度分布二次抛物线二次抛物线 对数或指数曲线对数或指数曲线应力应力线性线性 1 线性线性 1+2动能系数动能系数 21动量系数动量系数 4/3 1沿程阻力系数沿程阻力系数 Re/64 (Re，/d)平均速度与最平均速度与最大速度之比大速度之比0.5 0.790.8744第六章能量损失及管路计算第六章能量损失及管路计算 任务：任务：首先讨论沿程阻力系数首先讨论沿程阻力系数和局部阻力系数和局部阻力系数的确的确定方法，然后着重讨论总流伯诺里方程和能量定方法，然后着重讨论总流伯诺里方程和能量损失方程在管路计算中的应用。最后简单介绍损失方程在管路计算中的应用。最后简单介绍明渠流的计算。
23、明渠流的计算。内容：内容：第一节沿程阻力系数第一节沿程阻力系数第二节局部阻力系数第二节局部阻力系数第三节管路计算第三节管路计算第四节有压管路中的水击第四节有压管路中的水击45能量损失及管路计算能量损失及管路计算eRlg层流区层流区第一第一过渡过渡区区第二过渡区第二过渡区水力光滑区水力光滑区)100lg(15/r6.3060126507252水力粗糙区水力粗糙区紊流区紊流区46能量损失及管路计算能量损失及管路计算47第六章能量损失及管路计算第六章能量损失及管路计算简单管路：简单管路：管径沿程不变且没有分支的管路。管径沿程不变且没有分支的管路。248ldRgdQ0HQ0p48第三节管路计算第三节管
24、路计算串联管路将直径不同的简单管路首尾相接便构成串联管路。将直径不同的简单管路首尾相接便构成串联管路。nwnwwwnRRRRhhhhQQQQ212121nnnRRRRQRQRQRRQ2122222112所以，串联管路的特点是：所以，串联管路的特点是：各条管路中的流量相等，各条管路中的流量相等，等于总流量；各管的水头损失之和等于管路的总损失，等于总流量；各管的水头损失之和等于管路的总损失，即即49例例 6-5矿井排水管路系统，排水管出口到吸水井液面的高差矿井排水管路系统，排水管出口到吸水井液面的高差(称为测称为测地高度地高度)为为 Hc=530m，吸水管直径，吸水管直径d1=0.25m，水力长度
25、，水力长度L1=40m，1=0.025。排水管直径。排水管直径d2=0.2m，水力长度，水力长度L2=580m，2=0.028。不。不计空气造成的压力差。当流量计空气造成的压力差。当流量Q=270m3/h时，求水泵所需的扬程时，求水泵所需的扬程(即水泵给单位重量流体所提供的能量即水泵给单位重量流体所提供的能量)H。解：解：6.8425.0806.9025.0408852512111gdLR41952.0806.9028.058088525221222gdLR(s2/m5)(s2/m5)wacahgvpHHp2002221221222211QRRHQRQRHhHHccwc OmHH221.554
26、360027041956.8453050第三节管路计算第三节管路计算并联管路并联管路51第三节管路计算第三节管路计算 如图所示，两水库高程差如图所示，两水库高程差H不变，管阻为常数，不变，管阻为常数，当增加了管路当增加了管路3后，管路后，管路2的流量的流量q2如何变化（增大、如何变化（增大、不变、减小）？为什么？不变、减小）？为什么？52第七章相似原理和量纲分析第七章相似原理和量纲分析 第一节相似原理第一节相似原理一、流动现象相似的概念一、流动现象相似的概念 在相似的空间中，表述流动现象的各物理量的场在相似的空间中，表述流动现象的各物理量的场相似。相似。1.如何建立模型；如何建立模型；2.试验
27、中测量参数，如何整理试验数据；试验中测量参数，如何整理试验数据；3.试验结果如何推广应用。试验结果如何推广应用。53第一节相似原理1.粘性力相似准则雷诺数2.重力相似准则弗鲁德数3.压力相似准则欧拉数相似准则有决定性和非决定性相似准则，除欧拉准则外，其他准则都是决定性相似准则。两流动现象相似的充要条件是：在几何相似的前提下，各决定性相似准则分别对应相等。luRe uglFr 2upEu54第二节量纲分析第二节量纲分析 定理定理通过量纲分析来确定影响某流动的相似准则间定性关系的通过量纲分析来确定影响某流动的相似准则间定性关系的方法，就称为方法，就称为 定理定理(亦称相似第三定理亦称相似第三定理)。其具体内容是：。其具体内容是：影响某流动现象的影响某流动现象的n个物理量之间的关系可用物理方程个物理量之间的关系可用物理方程 f(x1，x2，xn)=0来描写。若来描写。若n个物理量个物理量x1，x2，xn中所包含的基本量纲的数中所包含的基本量纲的数目为目为r，则上式可简化为只有，则上式可简化为只有(n-r)个无量纲数为变量的无量纲方个无量纲数为变量的无量纲方程，即程，即二、量纲分析二、量纲分析 定理定理
