流体力学入门PPT课件.pptx
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1、教材:流体力学(第二版)刘鹤年主编2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础1 1教学基本内容教学基本内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 流体静力学流体静力学第三章第三章 流体运动学流体运动学第四章第四章 流体动力学基础流体动力学基础第六章第六章 流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失第七章第七章 孔口、管嘴和有压流孔口、管嘴和有压流第八章第八章 明渠流动明渠流动第九章第九章 堰流堰流第十章第十章 渗流渗流第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一章第一章绪论水力学基水力学基础2 22025/7/102025/7/10第一第一节工程工程流体力学及任流体力学及任
2、务第二第二节作用在流体上的力作用在流体上的力第三第三节流体的主要物理性流体的主要物理性质第四第四节牛牛顿流体与非牛流体与非牛顿流体流体第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础3 3一、对本课程的认识一、对本课程的认识课程性程性质:是一是一门从力学的从力学的观点出点出发,研究流体平衡和机械运,研究流体平衡和机械运动规律及其律及其实际工程工程应用的科学。是土木、水利用的科学。是土木、水利类专业的一的一门必必修的修的专业基基础课程。程。学学习目的:目的:通通过各教学各教学环节,使学生掌
3、握流体运,使学生掌握流体运动的基本概念的基本概念,基本理,基本理论,基本,基本计算方法,培养分析算方法,培养分析问题的能力和的能力和创新能力,新能力,为学学习专业课程及将来在土木工程各个程及将来在土木工程各个领域从事域从事专业技技术工作打工作打下基下基础。课程程地位:地位:为水文学、土力学、工程地水文学、土力学、工程地质、土木工程施工、建、土木工程施工、建筑筑设备等多等多门基基础课和和专业课程程阐释所涉及的流体力学原理。所涉及的流体力学原理。课程所需基程所需基础知知识:高等数学,大学物理高等数学,大学物理,工程力学,工程力学。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节
4、工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础4 4二、明确研究对象二、明确研究对象物质三态占其二物质三态占其二流体力学的究流体力学的究对象象流体,即液体及气体。流体,即液体及气体。固体固体、流体区、流体区别:从从力学分析的意力学分析的意义上看,在于它上看,在于它们对外力外力抵抵抗抗的能力不同。的能力不同。固体固体流体流体流体的易流流体的易流动性性在切在切应力作用下会力作用下会发生生连续不断的不断的变形。形。工程流体力学:研究工程流体力学:研究对象以水象以水为代表液体;亦适用于低速流代表液体;亦适用于低速流动的的气体气体问题第一章第一章绪论北京工北京工
5、业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础5 5 液体和气体的液体和气体的区区别:1、气体易于、气体易于压缩,而液体,而液体难于于压缩;2、液体有一定的体、液体有一定的体积,能,能够形成自由表面;气体形成自由表面;气体能能充充满任意形状的容器,无一定的形状任意形状的容器,无一定的形状。物物质的形的形态:由分子:由分子间的吸引力(内聚力)的大小所确定。的吸引力(内聚力)的大小所确定。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/
6、7/10水力学基水力学基础6 6三、连续介质(模型)假设三、连续介质(模型)假设微微观:分子分子间存在空隙及作随机存在空隙及作随机热运运动,在,在时间和空和空间上具有上具有不不 均匀均匀性性、随机性、随机性和离散性和离散性;极限体极限体积(limiting volume):微微观上充分大,宏上充分大,宏观上充分小上充分小,10-9mm3。流体流体质点点(fluid particle):又称又称“流体微流体微团”。含有足。含有足够的分子,可作的分子,可作为连续介介质基本基本单元的最小极限流体元的最小极限流体团。连续介介质模型(模型(Continuum Medium Model):):把流体把流体
7、视为没有没有间隙隙的充的充满它所占空它所占空间,且其所有的物理量两都是空,且其所有的物理量两都是空间坐坐标和和时间的的连续函数的函数的一种假一种假设模型,即:模型,即:宏宏观:流体充流体充满所占空所占空间,可在每个流体空,可在每个流体空间点上点上测定确定的流体的物定确定的流体的物理和运理和运动参数。参数。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础7 7四、四、工程流体力学的任务工程流体力学的任务1、工程、工程流体力学的任流体力学的任务研究研究工程技工程技术领域中的流体力学域中的流体
8、力学问题,从理,从理论上揭示流体的上揭示流体的平衡和运平衡和运动规律,并且提出解决工程律,并且提出解决工程问题的方法和理的方法和理论依据。依据。2、流体力学、流体力学的的应用用不不胜枚枚举(1)在)在土建工程中的土建工程中的应用。如路基排水、地下水渗透等。用。如路基排水、地下水渗透等。(2)在)在市政工程中的市政工程中的应用。如用。如桥涵孔径涵孔径设计、给水排水系水排水系统、隧隧 洞通洞通风、排水、排水等。等。(3)城市防洪)城市防洪工程中的工程中的应用。如堤、用。如堤、坝的作用力与渗流的作用力与渗流问题、防防洪洪闸坝的的过流能力等。流能力等。(4)其它)其它应用:气象,航空,用:气象,航空,
9、动力工程,生物医学,体育等等。力工程,生物医学,体育等等。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础8 8五、五、流体力学的研究方法流体力学的研究方法 1、理、理论分析法分析法 2、实验研究法(原型研究法(原型实验与模型与模型试验)3、数、数值计算法算法三三种研究方法的种研究方法的关系:各有长短关系:各有长短,可相互补充。,可相互补充。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水
10、力学基础9 9 理论分析理论分析法法(1)步)步骤1)依据)依据经典力学理典力学理论(质量、量、动量、能量),建立数学模型量、能量),建立数学模型(流体力学基本方程(流体力学基本方程组););2)根据)根据问题特点,提出假特点,提出假设,简化流体力学基本方程和定解化流体力学基本方程和定解(初、(初、边值)条件;)条件;3)针对上述方程上述方程组和定解和定解调件用数学分析方法求出件用数学分析方法求出问题的解的解析解;析解;4)将解析解所得数)将解析解所得数值结果与其它方法所得果与其它方法所得值进行比行比较,以,以验证所做的所做的简化是否合理,化是否合理,该解析解是否适用。解析解是否适用。(2)特
11、点)特点1)能明确)能明确给出各种物理量之出各种物理量之间的的变化关系,普适性化关系,普适性较好;好;2)数学)数学难度很大,能度很大,能获得的解析解的数量有限。得的解析解的数量有限。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础1010实验实验研究法(原型实验与模型试验研究法(原型实验与模型试验)(1)步)步骤1)对给定定问题,选择适当的无量适当的无量纲相似参数,并确定其大小相似参数,并确定其大小范范围;2)依据相似理)依据相似理论,设计实验模型、确定量模型、确定量测仪器和方法;器和
12、方法;3)制定)制定实验方案,方案,进行行实验;4)整理和分析)整理和分析实验结果,并与其它方法所得果,并与其它方法所得结果和其他果和其他实验者的者的结果果进行比行比较。(2)特点)特点1)能直接解决工程和生)能直接解决工程和生产中的复中的复杂问题,能,能发现流流动中的新中的新现象和新原理,象和新原理,验证其他方法;其他方法;2)一般)一般费用用较高、周期高、周期长,所得,所得结果的普适性果的普适性较差。差。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第一第一节工程流体力学及任工程流体力学及任务2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础1111数值计算数值计算法法(1
13、步)步骤1)针对研究研究问题选用流体力学方程用流体力学方程组;2)选用适当的数用适当的数值计算方法,将方程算方法,将方程组、定解条件和、定解条件和计算域离散算域离散化;化;3)编制制计算机程序,算机程序,选取算例取算例进行具体的数行具体的数值计算,将算,将计算算结果果用用图表表示;表表示;4)将)将结果与果与实验或其他方法所得或其他方法所得结果果进行比行比较。(2)特点)特点1)对无法求出解析解的无法求出解析解的许多流体力学多流体力学问题,可通,可通过数数值法求出数法求出数值解;解;2)当模型)当模型验证正确正确时,可,可进行数行数值实验;3)随着)随着计算技算技术的的发展,数展,数值计算法
14、的算法的应用更广泛,用更广泛,费用逐用逐渐降降低;低;4)该方法依然是一种近似方法,方法依然是一种近似方法,对复复杂而又缺乏完善数学模的而又缺乏完善数学模的问题,仍无能,仍无能为力。力。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第二第二节作用在流体上的力作用在流体上的力2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础1212一、表面力一、表面力表面力(表面力(Surface Force):又称面):又称面积力,是毗力,是毗邻流体或其它流体或其它物体物体作用作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用作用面面积成比例。成比
15、例。压强 切切应力力应力:力:单位面位面积上所作用的表面力上所作用的表面力值;单位位:N/m2 或或 Pa;量;量纲:ML-1T-2。常常见的表面力有:拉力、的表面力有:拉力、压力、切力。力、切力。A A P T取自流取自流动流体中的隔离体流体中的隔离体第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第二第二节作用在流体上的力作用在流体上的力2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础1313二、质量力二、质量力质量力(质量力(Mass ForceMass Force):是指作用于隔离体内每一流体:是指作用于隔离体内每一流体质点上点上的的力力,它,它的大小的大小与与质量量成
16、比例。成比例。单位质量力单位质量力:单位位质量流体所受到的量流体所受到的质量力。量力。单位位:N/kg=m/s2,与加速度的,与加速度的单位位相同;相同;最常最常见的的质量力有:重力、量力有:重力、惯性力。性力。量量纲:LT-2 第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第二第二节作用在流体上的力作用在流体上的力2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础1414三、物理量三、物理量的量纲与单位的量纲与单位1、量、量纲(Dimensions):表示物理量的种):表示物理量的种类。基本基本量量纲(Primary Dimensions):):长度度L,质量量M,时间T;温
17、度温度。导出出量量纲(Secondary Dimensions):由基本量):由基本量纲表示的量表示的量纲,如如力、速度等。力、速度等。2、单位位(Unit):):单位是量位是量纲的衡量尺度的衡量尺度。国国际单位制位制(ISInternational System of Unit):):长度度 m;质量量 kg;时间 s;温度;温度 K。第一章第一章绪论北京工北京工业大学市政工程系大学市政工程系第三第三节流体的主要物理性流体的主要物理性质2025/7/102025/7/10水力学基水力学基础15151、密度、密度、容重、容重2、流体的粘滞性流体的粘滞性3、流体的流体的压缩性和性和膨膨胀性性第一
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