《工程流體力學(xué)》PPT課件

p1Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 黃 社 華武 漢 大 學(xué)2011.3 p2Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University v 流 體 （ 氣 體 和 液 體 ） 區(qū) 別 于 固 體 的 主 要 物 理特 性 是 易 于 流 動(dòng) 。v 運(yùn) 動(dòng) 流 體 具 有 抵 抗 剪 切 變 形 的 能 力 ， 這 種 抵抗 體 現(xiàn) 在 限 制 剪 切 變 形 的 速 率 而 不 是 大 小 上 ，這 就 是 粘 滯 性 。 p3Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University v 流 體 能 承 受 壓 力 ， 抵 抗 壓 縮 變 形 。v 流 體 不 能 承 受 集 中 力 ， 只 能 承 受 分 布 力 。v 一 般 情 況 下 流 體 可 看 成 是 連 續(xù) 介 質(zhì) 。v 流 體 的 上 述 物 理 力 學(xué) 特 性 使 流 體 力 學(xué) （ 水 力學(xué) ） 成 為 宏 觀 力 學(xué) 的 一 個(gè) 獨(dú) 特 分 支 。 p4Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 力學(xué) 1 1 課 程 概 述 工 程 流 體 力 學(xué) 的 學(xué) 科 性 質(zhì)研 究 對(duì) 象力 學(xué) 問 題 載 體 宏 觀 力 學(xué) 分 支遵 循 三 大 守 恒 原理 流 體 力 學(xué)水 力 學(xué)流體水力學(xué)強(qiáng) 調(diào) 水 是 主 要 研 究 對(duì) 象偏 重 于 工 程 應(yīng) 用 ， 水 利工 程 、 流 體 動(dòng) 力 工 程 專業(yè) 常 用 p5Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 1. 流 體 在 外 力 作 用 下 ， 靜 止 （ 相 對(duì) 平 衡 ） 與 運(yùn) 動(dòng) 的 規(guī) 律 ； 2. 流 體 與 邊 界 的 相 互 作 用 。 工 程 流 體 力 學(xué) （ 水 力 學(xué) ） 的 主 要 研 究 內(nèi) 容固 定 邊 界 ： 水 工 建 筑 物 、 河 床 、 海 洋 平 臺(tái) 等 運(yùn) 動(dòng) 邊 界 ： 流 體 機(jī) 械 、 飛 機(jī) 、 船 只 等 流 體 靜 力 學(xué) ： 研 究 流 體 處 于 靜 止 （ 或 相 對(duì) 平 衡 ） 狀 態(tài) 時(shí) ，作 用 于 流 體 上 的 各 種 力 之 間 的 關(guān) 系 ； 流 體 動(dòng) 力 學(xué) ： 研 究 流 體 處 于 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 時(shí) ， 作 用 在 流 體 上的 力 與 各 運(yùn) 動(dòng) 要 素 之 間 的 相 互 關(guān) 系 ， 以 及 運(yùn) 動(dòng) 特 性 與 能量 轉(zhuǎn) 換 的 關(guān) 系 等 。 運(yùn) 動(dòng) 要 素 ： 描 述 流 體 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 的 特 性 量 ， 如 速 度 、 加 速 度 、 壓 強(qiáng) 、溫 度 以 及 其 它 物 理 量 如 密 度 、 粘 性 等 。 p6Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 流體力學(xué)動(dòng)力機(jī)械 水利水電 航空航天 交通運(yùn)輸 環(huán)境 氣象 石油化工 鋼鐵冶金 生物 空 氣 和 水 是 地 球 上 廣 泛 存 在 的 物 質(zhì) ， 所 以 與 流 體 運(yùn) 動(dòng) 關(guān) 聯(lián) 的 力學(xué) 問 題 是 很 普 遍 的 。 流 體 力 學(xué) 在 許 多 工 程 領(lǐng) 域 有 著 廣 泛 的 應(yīng) 用 ，對(duì) 水 利 水 電 、 流 體 動(dòng) 力 工 程 專 業(yè) 來 講 ， 其 重 要 性 不 言 而 喻 。 與 流 體 力 學(xué) 相 關(guān) 的 工 程 領(lǐng) 域 和 學(xué) 科 p7Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 排 球 足 球 網(wǎng) 球 游 泳賽 艇 鐵 餅 高 爾 夫 球賽 跑 賽 車標(biāo) 槍乒 乓 球 羽 毛 球大部分競(jìng)技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān) p8Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 課 程 地 位 工 程 流 體 力 學(xué) （ 水 力 學(xué) ） 是 一 門 重 要 的 專 業(yè) 基 礎(chǔ) 課 程 ， 它是 連 接 前 期 基 礎(chǔ) 課 程 和 后 續(xù) 專 業(yè) 課 程 的 橋 梁 。 課 程 的 學(xué) 習(xí) 將 有利 于 數(shù) 理 、 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 知 識(shí) 的 鞏 固 與 提 高 ， 培 養(yǎng) 分 析 、 解 決 實(shí) 際問 題 的 能 力 ， 為 專 業(yè) 課 程 的 學(xué) 習(xí) 打 下 堅(jiān) 實(shí) 基 礎(chǔ) 。數(shù) 理 、 力 學(xué) 基 礎(chǔ) 課 程 工 程 流 體 力 學(xué)（ 水 力 學(xué) ）專 業(yè) 基 礎(chǔ) 課 程 水 利 、 動(dòng) 力 工程 有 關(guān) 專 業(yè) 課程 p9Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 水 工 建 筑 物 及 河 槽 所 受 水 力 荷 載 水 工 建 筑 物 及 河 槽 過 流 能 力 水 流 流 動(dòng) 形 態(tài) 水 電 （ 泵 ） 站 能 量 利 用 和 消 耗水利水電工程中的部分流體力學(xué)問題： p10Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 流 體 力 學(xué) 的 研 究 方 法理 論 分 析 、 實(shí) 驗(yàn) 研 究 和 數(shù) 值 計(jì) 算 相 結(jié) 合 。 三 個(gè) 方 面 是 互相 補(bǔ) 充 和 驗(yàn) 證 ， 但 又 不 能 互 相 取 代 的 關(guān) 系 ?；?本 假 設(shè) 數(shù) 學(xué) 模 型 解 析 表 達(dá) 理 論 分析數(shù) 值 計(jì) 算 實(shí) 驗(yàn) 研 究 數(shù) 學(xué) 模 型 數(shù) 值 模 型 數(shù) 值 解 模 型 試 驗(yàn) 量 測(cè) 數(shù) 據(jù) 換 算 到 原 型 p11Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 優(yōu) 勢(shì) 局 限理 論 分 析 對(duì) 流 動(dòng) 機(jī) 理 解 析 表達(dá) ， 因 果 關(guān) 系 清 晰 。 受 基 本 假 設(shè) 局 限 ， 少 數(shù)情 況 下 才 有 解 析 結(jié) 果 。 實(shí) 驗(yàn) 研 究（ 模 型 試 驗(yàn) ） 直 接 測(cè) 量 流 動(dòng) 參 數(shù) ，找 到 經(jīng) 驗(yàn) 性 規(guī) 律 。 成 本 高 ， 對(duì) 量 測(cè) 技 術(shù) 要求 高 ， 不 易 改 變 工 況 ，存 在 比 尺 效 應(yīng) 。 數(shù) 值 計(jì) 算 擴(kuò) 大 理 論 求 解 范 圍 ，成 本 低 ， 易 于 改 變 工況 ， 不 受 比 尺 限 制 。 受 理 論 模 型 和 數(shù) 值 模 型局 限 ， 存 在 計(jì) 算 誤 差 。 p12Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 有 無(wú) 固 定 的體 積 ？ 能 否 呈 現(xiàn)流 動(dòng) 性 ？ 是 否 容 易被 壓 縮 ？流 體氣體無(wú) 能 易液體有 能 不 易固 體 有 否 不 易呈現(xiàn)流動(dòng)性？ 流體固體 流 體 最 主 要 的 物 理 特 性 12 流 體 的 物 理 性 質(zhì) p13Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 流 體 幾 乎 不 能 承 受 拉 力 ， 沒 有 抵 抗 拉 伸 變 形 的 能 力 。 流 體 能 承 受 壓 力 ， 具 有 抵 抗 壓 縮 變 形 的 能 力 。關(guān) 于 流 體 承 受 剪 切 力 ， 抵 抗 剪 切 變 形 能 力 的 敘 述 ：一 . 流 體 的 基 本 特 性 流 動(dòng) 性什 么 是 剪 切 力 、剪 切 變 形 和 抵抗 剪 切 變 形 的能 力 ？ p14Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 流 體 在 靜 止 時(shí) 不 能 承 受剪 切 力 ， 抵 抗 剪 切 變 形 。 流 體 只 有 在 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài)下 ， 當(dāng) 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 之 間 有相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 才 能 抵 抗剪 切 變 形 。 只 要 有 剪 切 力的 作 用 ， 流 體就 不 會(huì) 靜 止 下來 ， 發(fā) 生 連 續(xù)變 形 而 流 動(dòng) 。 作 用 在 流 體 上 的 剪 切 力 不 論多 么 微 小 ， 只 要 有 足 夠 的 時(shí)間 ， 便 能 產(chǎn) 生 任 意 大 的 變 形 。 運(yùn) 動(dòng) 流 體 抵 抗 剪 切 變 形 的 能 力 （ 產(chǎn) 生 剪 切 應(yīng) 力 的 大 小 ） 體 現(xiàn) 在變 形 的 速 率 上 ， 而 不 是 變 形 的 大 小 （ 與 彈 性 體 的 不 同 之 處 ） 。 p15Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 設(shè) 想 放 置 在 敞 口 容 器 中 初 始 表 面 有 隆 起 或 凹 陷 的 液 體 之 運(yùn) 動(dòng)和 變 形 過 程 可 以 幫 助 理 解 以 上 論 述 。 當(dāng) 液 面 不 水 平 時(shí) ， 重 力起 到 剪 切 力 的 作 用 ， 使 液 體 變 形 ， 最 終 當(dāng) 液 面 絕 對(duì) 水 平 時(shí) ，剪 切 力 為 零 ， 液 體 變 形 也 終 止 。 不 同 的 液 體 都 能 完 成 上 述 變形 過 程 ， 但 所 需 的 時(shí) 間 不 同 。 p16Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 二 . 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 概 念 和 連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè) 個(gè) 分 子 16107.2 1mm3空 氣( 1個(gè) 大 氣 壓 ， 00C)宏 觀 （ 流 體 力 學(xué) 處 理 問 題 的 尺 度 ） 上 看 ， 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 足 夠 小 ，只 占 據(jù) 一 個(gè) 空 間 幾 何 點(diǎn) ， 體 積 趨 于 零 。微 觀 （ 分 子 自 由 程 的 尺 度 ） 上 看 ， 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 是 一 個(gè) 足 夠 大 的分 子 團(tuán) ， 包 含 了 足 夠 多 的 流 體 分 子 ， 以 致 于 對(duì) 這 些 分 子 行 為的 統(tǒng) 計(jì) 平 均 值 將 是 穩(wěn) 定 的 ， 作 為 表 征 流 體 物 理 特 性 和 運(yùn) 動(dòng) 要素 的 物 理 量 定 義 在 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 上 。 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 概 念 p17Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University以 密 度 為 例 ， 考 察 物 理 量 是 怎 樣 定 義 在流 體 質(zhì) 點(diǎn) 上 的 。 若 流 體 微 團(tuán) 的 體 積 為 V，質(zhì) 量 為 m ， 則 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 密 度 為 流 體 區(qū) 域 是 由 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 組 成 的 占 滿 空 間 而 沒 有 間 隙 的 連 續(xù) 體 ，其 物 理 特 性 和 運(yùn) 動(dòng) 要 素 在 空 間 是 連 續(xù) 分 布 的 。 連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè)連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè) 是 近 似 的 、 宏 觀 的 假 設(shè) ， 它 為 數(shù) 學(xué) 工 具 的 應(yīng) 用 提 供 了 依 據(jù) ， 在 其 它 力 學(xué) 學(xué) 科 也 有 廣 泛 應(yīng) 用 ， 使 用 該 假 設(shè) 的 力 學(xué) 統(tǒng) 稱 為 “ 連 續(xù) 介 質(zhì) 力 學(xué) ” 。 除 了 個(gè) 別 情 形 外 ，在 水 力 學(xué) 中 使 用 連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè) 是 合 理 的 。 其 中 V0 的 含 義 應(yīng) 理 解為 流 體 微 團(tuán) 趨于 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 。 p18Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 運(yùn) 動(dòng) 流 體 具 有 抵 抗 剪 切 變 形 的 能 力 ， 這 就 是 粘 滯 性 。 值 得 強(qiáng) 調(diào) 的 是 ， 這 種 抵 抗 體 現(xiàn) 在 剪 切 變 形 的 快 慢 上 。 在 剪 切 變 形 中 ， 流 體 內(nèi) 部 出 現(xiàn) 成 對(duì) 的 切 應(yīng) 力 ， 稱 為 內(nèi) 摩 擦 力 ， 來 抵 抗 相 鄰 兩 層 流 體 之 間 的 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 。 連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè) 為 建 立 流 場(chǎng) 的 概 念 奠 定 了 基 礎(chǔ) ： 設(shè) 在 t 時(shí) 刻 ，有 某 個(gè) 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 占 據(jù) 了 空 間 點(diǎn) (x,y,z)， 將 此 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 所 具 有 的某 種 物 理 量 （ 數(shù) 量 或 矢 量 ） 定 義 在 該 時(shí) 刻 和 空 間 點(diǎn) 上 ， 根 據(jù)連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè) ， 就 可 形 成 定 義 在 連 續(xù) 時(shí) 間 和 空 間 域 上 的 數(shù) 量或 矢 量 場(chǎng) 。三 .流 體 的 粘 滯 性 p19Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 對(duì) 于 如 圖 的 平 面 流 動(dòng) ， 流 體 速 度 u 都 沿 x 方 向 ， 且 不 隨 x 變化 ， 只 隨 y 變 化 。 兩 層 流 體 之 間 存 在 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 和 剪 切 （ 角 ） 變形 ， 同 時(shí) 也 出 現(xiàn) 成 對(duì) 的 切 應(yīng) 力 ， 流 動(dòng) 快 的 一 層 要 帶 動(dòng) 流 動(dòng) 慢 的 一層 ， 而 流 動(dòng) 慢 的 一 層 則 要 阻 礙 流 動(dòng) 快 的 一 層 ， 它 起 到 抵 抗 剪 切 變形 的 作 用 。 p20Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 容 易 解 釋 為 什 么 是 剪 切（ 角 ） 變 形 速 率 ， 它 表 示 流 體 直 角 減 小 的 速 度 。 滿 足 牛 頓 內(nèi) 摩 擦 定 律 的 流 體稱 為 牛 頓 流 體 ， 否 則 稱 為 非牛 頓 流 體 。 本 課 程 主 要 討 論牛 頓 流 體 。 牛 頓 內(nèi) 摩 擦 定 律 告 訴 我 們 ： 切 應(yīng) 力 和 剪 切 （ 角 ） 變 形 速 率 之 間 存 在 正 比 例 關(guān) 系 比 例 系 數(shù) 稱 為 動(dòng) 力 粘 性 系 數(shù) ， 是 粘 性 流 體 的 重 要 物 理 屬 性 。yuddyudd p21Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 形 成 牛 頓內(nèi) 摩 擦 力物 理 機(jī) 理 分 子 間 的 吸 引 力 分 子 運(yùn) 動(dòng) 引 起 流體 層 間 的 動(dòng) 量 交 換 液 體以 此為 主 氣 體以 此為 主 隨 著 溫 度 升 高 ， 液 體 的 粘性 系 數(shù) 下 降 ； 氣 體 的 粘 性 系數(shù) 上 升 。 今 后 在 談 及 粘 性 系 數(shù) 時(shí)一 定 指 明 當(dāng) 時(shí) 的 溫 度 。 運(yùn) 動(dòng) 粘 性 系 數(shù)具 有 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 量 綱 ， m 2/s 注 意 p22Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 四 、 理 想 流 體 假 設(shè) 理 想 流 體 假 設(shè) 是 忽 略 粘 性 影 響 的 假 設(shè) ， 可 近 似 反 映 粘 性 作 用 不大 的 實(shí) 際 流 動(dòng) ， 粘 性 作 用 不 大 是 相 對(duì) 于 其 它 因 素 的 作 用 而 言 的 。而 是 流 體 的 客 觀 屬 性 ， 所 以 往 往 是 在 變 形 速 率 不 大 的 區(qū) 域?qū)?實(shí) 際 流 體 簡(jiǎn) 化 為 理 想 流 體 。 yudd 我 們 將 會(huì) 看 到 ， 是 否 忽 略 粘 性 影 響 將 對(duì) 流 動(dòng) 問 題 的 處 理 帶 來很 大 的 區(qū) 別 ， 理 想 流 體 假 設(shè) 可 以 大 大 簡(jiǎn) 化 理 論 分 析 過 程 。 忽 略 粘 性 影 響 實(shí) 際 上 就 是 忽 略 切 應(yīng) 力 ， 切 應(yīng) 力， p23Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 五 . 流 體 的 壓 縮 性 流 體 能 承 受 壓 力 ， 在 受 外 力 壓 縮 變 形 時(shí) ， 產(chǎn) 生 內(nèi) 力 （ 彈 性力 ） 予 以 抵 抗 ， 并 在 撤 除 外 力 后 恢 復(fù) 原 形 ， 流 體 的 這 種 性 質(zhì) 稱為 壓 縮 性 。 V V-Vp p+p p24Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 將 相 對(duì) 壓 縮 值 與 壓 強(qiáng) 增 量 之 比 值 稱 為 壓 縮 系 數(shù) ， 其 倒 數(shù) 稱 為 體 積 彈 性 系 數(shù) 。 K 越 大 ，越 不 易 被 壓 縮 。 VVd pd pp VV d/dd /d /dd1 pK 液 體 的 K 隨 溫 度 和 壓 強(qiáng) 而 變 ， 隨 溫 度 變 化 不 顯 著 。 液 體 的 K 值 很 大 ， 除 非 壓 強(qiáng) 變 化 很 劇 烈 、 很 迅 速 ， 一 般 可 不 考 慮 壓 縮性 ， 作 不 可 壓 縮 流 體 假 設(shè) ， 即 認(rèn) 為 液 體 的 K 值 為 無(wú) 窮 大 ， 密 度為 常 數(shù) 。 但 若 考 慮 水 下 爆 炸 、 水 擊 問 題 時(shí) ， 則 必 須 考 慮 壓 縮 性 。 p25Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 六 .表 面 張 力 和 毛 細(xì) 現(xiàn) 象表 面 張 力 是 液 體 自 由 表 面 在 分 子 引 力 作 用 下 而 在 沿 表 面 方 向產(chǎn) 生 的 拉 力 ， 用 單 位 自 由 表 面 長(zhǎng) 度 上 所 受 的 橫 向 拉 力 表 示 。量 綱 為 MT 2， 單 位 ： N/m。液 體 的 表 面 張 力 量 級(jí) 一 般 較 小 ， 對(duì) 水 ： 0.074N/m， 對(duì)汞 ： 0.54N/m。 2121 11 RRpp p26Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 1d 2d 1ds R1 R2R1R2 2ds曲 表 面 的 表 面 張 力 和 壓 強(qiáng) 1ds p27Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 毛 細(xì) 管 現(xiàn) 象 ： 當(dāng) 小 內(nèi) 徑 管 （ 毛 細(xì) 管 ） 插 入 液 體 中 時(shí) ， 在 表 面張 力 的 作 用 下 使 管 中 的 液 面 和 與 之 相 連 通 的 容 器 中 的 液 面 不 在同 一 水 平 面 上 。 液 面 高 度 差 與 毛 細(xì) 管 內(nèi) 徑 大 小 及 液 體 性 質(zhì) 有關(guān) 。應(yīng) 用 ： 在 液 流 實(shí) 驗(yàn) 中 使 用 測(cè) 壓 管 時(shí) ， 應(yīng) 注 意 這 種 毛 細(xì) 管 作 用產(chǎn) 生 的 誤 差 。 p28Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University(a) 濕 潤(rùn) 管 的 液 面 上 升液 體 的 毛 細(xì) 管 現(xiàn) 象 p29Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University(6) 非 濕 潤(rùn) 管 的 液 面 下 降液 體 的 毛 細(xì) 管 現(xiàn) 象 p30Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 七 .汽 化 壓 強(qiáng) 汽 化 和 凝 結(jié) ： 液 體 分 子 逸 出 液 面 向 空 間 擴(kuò) 散 的 過 程 稱 為 汽化 ， 液 體 汽 化 為 蒸 汽 。 汽 化 的 逆 過 程 稱 為 凝 結(jié) ， 蒸 汽 凝 結(jié) 為 液體 。 汽 化 壓 強(qiáng) ： 在 液 體 中 汽 化 和 凝 結(jié) 作 用 同 時(shí) 存 在 且 達(dá) 到 平 衡時(shí) ， 宏 觀 汽 化 現(xiàn) 象 停 止 ， 此 時(shí) 液 體 的 壓 強(qiáng) 稱 為 汽 化 壓 強(qiáng) 或 飽 和蒸 汽 壓 強(qiáng) 。 汽 化 壓 強(qiáng) 與 溫 度 有 關(guān) 。當(dāng) 液 體 內(nèi) 部 某 處 的 壓 強(qiáng) 低 于 汽 化 壓 強(qiáng) 時(shí) ， 在 該 處 發(fā) 生 汽 化 ，液 流 連 續(xù) 性 受 到 破 壞 ， 形 成 空 泡 。 當(dāng) 空 泡 移 動(dòng) 到 高 于 汽 化 壓 強(qiáng)區(qū) 時(shí) ， 空 泡 迅 速 潰 滅 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 空 化 。 空 化 作 用 對(duì) 液 體 運(yùn)動(dòng) 和 液 體 與 固 體 接 觸 的 壁 面 產(chǎn) 生 不 良 的 影 響 。 p31Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 質(zhì) 量 力 分 布 在 流 體 質(zhì) 量 （ 體 積 ） 上 ， 是 一 種 遠(yuǎn) 程 力 。 我 們 定 義 的 質(zhì) 量 力 為 力 的 質(zhì) 量 密 度 f ， 即 單 位 質(zhì) 量 流 體 所 承 受 的 質(zhì) 量 力 ， 是 加 速 度 的 單 位 。 13 作 用 在 流 體 上 的 力 流 體 不 能 承 受 集 中 力 ， 只 能 承 受 分 布 力 。 分 布 力 按 表 現(xiàn) 形 式又 分 為 ： 質(zhì) 量 力 、 表 面 力 。一 . 質(zhì) 量 力 p32Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 的 含 義 ， 按 連 續(xù) 介 質(zhì) 假 設(shè) ， 即 為 流 體 團(tuán) 趨 于 流 體 質(zhì)點(diǎn) 。 所 以 質(zhì) 量 力 是 定 義 在 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 上 的 。 設(shè) 體 積 為 V的 流 體 團(tuán) ， 其 質(zhì) 量為 m， 所 受 質(zhì) 量 力 為 F， 則V0二 . 表 面 力 表 面 力 分 布 在 流 體 面 上 ， 是 一 種 接 觸 力 。 定 義 表 面 力 的 面 積 密 度 ， 即 單 位 面 積 上 流 體 所 承 受 的 表 面 力 為 應(yīng) 力 。 p33Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University Pn 設(shè) 面 積 為 A的 流 體 面 元 ， 法 向 為 n ， 指 向 表面 力 受 體 外 側(cè) ， 所 受 表 面 力 為 P ， 則 應(yīng) 力 的 含 義 為 面 元 趨 于 面元 上 的 某 定 點(diǎn) ， 所 以 應(yīng) 力 是定 義 在 流 體 面 上 一 點(diǎn) 處 的 。同 一 點(diǎn) 處 的 應(yīng) 力 還 與 作 用 面的 方 位 有 關(guān) ， 所 以 須 將 作 用面 的 法 向 用 腳 標(biāo) 指 明 。A0 應(yīng) 力 pn 是 矢 量 ， 可 向 作 用 面 的 法 向 或 切 向 投 影 ， 分 解 成 法 應(yīng) 力 和 切 應(yīng) 力 。 p34Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 凡 談 及 應(yīng) 力 ， 應(yīng) 注 意 明 確 以 下 幾 個(gè) 要 素 ： 哪 一 點(diǎn) 的 應(yīng) 力 ； 哪 個(gè) 方 位 作 用 面 上 的 應(yīng) 力 ； 作 用 面 的 哪 一 側(cè) 流 體 是 研 究 對(duì) 象 （ 表 面 力 的 受 體 ） ， 從 而 決 定 法 線 的 指 向 ； 應(yīng) 力 在 哪 個(gè) 方 向 上 的 分 量 。 p35Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 三 個(gè) 基 本 單 位 長(zhǎng) 度 單 位 ： m（ 米 ） 質(zhì) 量 單 位 ： kg（ 公 斤 ） 時(shí) 間 單 位 ： s（ 秒 ） SI 國(guó) 際 單 位 制 （ 米 、 公 斤 、 秒 制 ） p36Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 導(dǎo) 出 單 位 ， 如 ： 密 度 單 位 ： kg/m3 力 的 單 位 ： N（ 牛 頓 ） ， 1 N=1 kgm/s2 應(yīng) 力 、 壓 強(qiáng) 單 位 ： Pa（ 帕 斯 卡 ） ， 1Pa=1N/m2 動(dòng) 力 粘 性 系 數(shù) 單 位 ： Ns/m2 =Pas 運(yùn) 動(dòng) 粘 性 系 數(shù) 單 位 ： m2/s 體 積 彈 性 系 數(shù) K 單 位 ： Pa p37Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 與水和空氣有關(guān)的一些重要物理量的數(shù)值3kg/m1000水 3kg/m248.1空 氣 1大 氣 壓 ， 40C 1大 氣 壓 ， 100Cv 常 壓 常 溫 下 ， 空 氣 的 密 度 是 水 的 1/8003kg/m1020海 水v 一 般 取 海 水 密 度 為 p38Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan Universityv 空 氣 的 密 度 隨 溫 度 變 化 相 當(dāng) 大 ， 溫 度 高 ， 密 度 低 。v 水 的 密 度 隨 溫 度 變 化 很 小 。 1大 氣 壓 ， 00C 1大 氣 壓 ， 800C3kg/m293.1空 氣 3kg/m000.1空 氣3kg/m9.999水 3kg/m8.971水 p39Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 150C， 海 平 面 (標(biāo) 準(zhǔn) 大 氣 壓 ) 32 kg/m225.1,kN/m33.101 ap 20C， 海 拔 2km 32 kg/m007.1,kN/m50.79 ap 工 程 大 氣 壓 （ 相 當(dāng) 于 10m水 柱 底 部 壓 強(qiáng) ）2kN/m10.98apv 空 氣 容 易 被 壓 縮 p40Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 00C 1000C sPa10282.0sPa10781.1 33 水水 /sm10294.0/sm10785.1 2626 水水 -40C 1000C sPa1018.2sPa1049.1 55 空 氣空 氣 /sm1031.2/sm1098.0 2525 空 氣空 氣 v 空 氣 的 動(dòng) 力 粘 性 系 數(shù) 比 水 小 2個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 但 空 氣 的 運(yùn) 動(dòng) 粘 性 系 數(shù) 比 水 大 。v 空 氣 的 粘 性 系 數(shù) 隨 溫 度 升 高 而 增 大 ， 而 水 的 粘 性 系 數(shù) 隨 溫 度 升 高 而 減 小 。 p41Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 常 溫 下 ， 水 的 體 積 彈 性 系 數(shù)Pa100.2 9水K 相 對(duì) 壓 縮 （ 或 密 度 增 加 ） 1%， 需 要 增 壓Pa100.2 7p 約 為 200 個(gè) 大 氣 壓 ， 即 2000m 水 下 的 壓 強(qiáng) 。v 一 般 情 況 下 可 以 認(rèn) 為 水 是 不 可 壓 縮 的 。 p42Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 解 ： 根 據(jù) 牛 頓 內(nèi) 摩 擦 定 律 由 于 兩 平 板 間 隙 很 小 ， 速 度 分 布 可 認(rèn) 為 是 線 性 分 布 ， 可用 增 量 來 表 示 微 分 ：例 題 ： 一 平 板 距 另 一 固 定 平 板 =0.5 mm， 二 板 水 平 放 置 ， 其 間充 滿 流 體 ， 上 板 在 單 位 面 積 上 為 =2 N/m2 的 力 作 用 下 ， 以u(píng)=0.25m/s 的 速 度 移 動(dòng) ， 求 該 流 體 的 運(yùn) 動(dòng) 粘 性 系 數(shù) 。 yudd )/(004.025.0 105.020dd 23 smNuyu p43Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 本 章 習(xí) 題v作 業(yè) ： 習(xí) 題 1 2， 1 4， 1 8。v課 后 復(fù) 習(xí) ： 建 議 對(duì) 照 復(fù) 習(xí) 思 考 題 進(jìn) 行 。 p44Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 自 選 作 業(yè)1. An 18-kg slab slides down a 15o inclined plane on a 3mm thick film of SAE 10 oil at 20oC; the contact area is 0.3 m2. Find the terminal velocity of the slab. Fig. 1 p45Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University 2. If K =2.2 GPa is the bulk modulus of elasticity for water, what pressure is required to reduce a volume by 0.6 percent?