上海交通大学：《流体力学》课程PPT教学课件（讲稿）基础篇

基础篇 B1.流体及物理性质 B2.流动分析基础 B3.微分形式的基本方程 B4.积分形式的基本方程 B5.量纲分析与相似原理

基 础 篇 B1. 流体及物理性质 B2. 流动分析基础 B3. 微分形式的基本方程 B4. 积分形式的基本方程 B5. 量纲分析与相似原理

本篇的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识, 包括流体的: 输运特性(如粘性等) 运动学特性(如平移、旋转和变形规律等) 热力学特性(如密度、可压缩性、状态方程等 其他特性(如流态等) 第二个目的是从物理学基本定律出发建立流体运动和 力(能量)的定量关系,这些物理定律包括: 质量守恒定律 °动量守恒定律 °能量守恒定律等

• 本篇的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识， 包括流体的: • 第二个目的是从物理学基本定律出发建立流体运动和 力（能量）的定量关系，这些物理定律包括： •输运特性（如粘性等） •运动学特性（如平移、旋转和变形规律等） •热力学特性（如密度、可压缩性、状态方程等) •其他特性（如流态等） •质量守恒定律 •动量守恒定律 •能量守恒定律等

分析运动与力能量)的定量关系的方法有: 理论分析法 实验方法 °数值方法(不是本教程的重点) 流体、运动和力(能量)是构成流体力学的 三个基本要素,本篇将围绕这三个要素从定性 和定量两个方面介绍流体力学的基本概念、基 本定理和基本方法

流体、运动和力（能量）是构成流体力学的 三个基本要素，本篇将围绕这三个要素从定性 和定量两个方面介绍流体力学的基本概念、基 本定理和基本方法。 分析运动与力(能量)的定量关系的方法有： •理论分析法 •实验方法 •数值方法（不是本教程的重点）

B1.流体及其物理性质 B111流体的微观和宏观特性 流体分子微观运动一自身热运动 流体团宏观运动一外力引起统计平均值 △τ 图B11.1 流体团分子速度的统计平均值曲线

B1.1.1 流体的微观和宏观特性 图B1.1.1 流体团分子速度的统计平均值曲线 B1. 流体及其物理性质 • 流体分子微观运动 自身热运动 • 流体团宏观运动 外力引起 统计平均值

B1.流体及其物理性质 B112流体质点概念 为了符合数学分析的需要,引入流体质点模型 (1)流体质点无线尺度,无热运动,只在外力作用下作宏观平 移运动 (2)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。 ·为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元(流体元)模型: (1)流体元由大量流体质点构成的微小单元(δx,8y,6z); (2)由流体质点相对运动形成流体元的旋转和变形运动

B1.1.2 流体质点概念 • 为了符合数学分析的需要，引入流体质点模型 B1. 流体及其物理性质 • 为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元（流体元）模型： (1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平 移运动; (2) 将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。 (1)流体元由大量流体质点构成的微小单元（δx，δy，δz）； (2) 由流体质点相对运动形成流体元的旋转和变形运动

B1.流体及其物理性质 B113连续介质假设 连续介质假设:假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 (1)可用连续性函数B(xyzt)描述流体质点物理量的空间分布和 时间变化; (2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程,并用连续函 数理论求解方程。 连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象,就象几何学 是自然图形的抽象一样。 除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题,均可用连续介质模型作 理论分析

B1. 流体及其物理性质 B1.1.3 连续介质假设 • 连续介质假设：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 • 连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学 是自然图形的抽象一样。 (1)可用连续性函数B(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和 时间变化； (2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函 数理论求解方程。 • 除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作 理论分析

B1.流体及其物理性质 B12流体的易变形性 流体与固体在宏观力学行为方面的主要差异是流体具有易变形性 流体的力学定义是:流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。 °流体的易变形性表现在: ▲在剪切力持续作用下,流体能产生无限大的变形 ▲在剪切力停止作用时,流体不作任何恢复变形; ▲在流体内部压强可向任何方向传递; ▲任意搅拌的均质流体,不影响其宏观物理性质; ▲粘性流体在固体壁面满足不滑移条件 ▲在一定条件下流体内部可形成超乎想象的复杂结构;

• 流体与固体在宏观力学行为方面的主要差异是流体具有易变形性。 • 流体的易变形性表现在： B1. 流体及其物理性质 B1.2 流体的易变形性 • 流体的力学定义是：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。 ▲ 在剪切力持续作用下，流体能产生无限大的变形； ▲ 在剪切力停止作用时，流体不作任何恢复变形； ▲ 任意搅拌的均质流体，不影响其宏观物理性质； ▲ 在流体内部压强可向任何方向传递； ▲ 粘性流体在固体壁面满足不滑移条件； ▲ 在一定条件下流体内部可形成超乎想象的复杂结构；

B1.流体及其物理性质 B13流体的粘性 B131流体粘性的表现 1.流体内摩擦概念 牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出: 相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用称为粘性力。 库仑实验(1784 库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦

B1. 流体及其物理性质 B1.3 流体的粘性 B1.3.1 流体粘性的表现 1. 流体内摩擦概念 牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出： 相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力。 • 库仑实验(1784) 库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦

流体粘性形成原因: (1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成 (2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成 参

• 流体粘性形成原因: (1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成 (2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成

B1.流体及其物理性质 B13.1流体的粘性(续) 2.壁面不滑移假设 由于流体的易变形性,流体与 固壁可实现分子量级的粘附作 用。通过分子内聚力使粘附在 固壁上的流体质点与固壁一起 运动。 库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设; 壁面不滑移假设已获得大量实验证实,被称为壁面不滑移 条件

B1. 流体及其物理性质 2. 壁面不滑移假设 由于流体的易变形性，流体与 固壁可实现分子量级的粘附作 用。通过分子内聚力使粘附在 固壁上的流体质点与固壁一起 运动。 B1.3.1 流体的粘性(续） • 库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设； • 壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑移 条件