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流 体 力 学. Fluid Dynamics. 课程的性质. 课程教学目的. 本课程教学内容和基本要求. 流体的主要力学性质和力学模型. 课程的性质. 《 流体力学 》 是一门横跨各领域，各不同专业的重要技术基础课。 研究 流体 静止（相对静止）和运动的力学规律，并应用到 实际工程领域中。. 建筑设备 环境工程：大气、水 …… 水利工程 航空、航天、航海 汽车 冶金、发电（风力发电） 热能工程 等 ……. 课程教学目的.
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流 体 力 学 Fluid Dynamics
课程的性质 • 课程教学目的 • 本课程教学内容和基本要求 • 流体的主要力学性质和力学模型
课程的性质 《流体力学》是一门横跨各领域，各不同专业的重要技术基础课。研究流体 静止（相对静止）和运动的力学规律，并应用到实际工程领域中。 • 建筑设备 • 环境工程：大气、水…… • 水利工程 • 航空、航天、航海 • 汽车 • 冶金、发电（风力发电） • 热能工程 • 等……
课程教学目的 • 本课程的教学目的是使学生掌；握流体运动的基本概念和基本理论，学会必要的分析计算方法，能够分析流体的运动规律，解决与流体有关的相关问题，为专业课的学习打下必要的基础。
本课程教学内容和基本要求 1．流体的力学性质 • 掌握流体的主要力学性质：易变性（易流动性）与粘性，压缩性，表面张力与毛细现象。 • 建立理想流体和实际流体、可压缩和不可压缩流体的概念和相应的物理模型。 • 理解作用在流体上的力。
2．静止流场的性质 • 理解静止流场中的应力特性，特别是流体静压强的概念与性质。 • 掌握流体平衡微分方程的推导方法及应用，流体平衡时的质量力条件。 • 掌握重力场中静止液体的压力分布特点。 • 掌握重力场中静止液体对固体接触面的作用力计算方法在惯性系与非惯性系中相对静止液体的静力学规律。 • 掌握重力场中静止气体中的压力分布。 • 掌握非惯性坐标系中的静止液体中的压力分布规律。
3．一元流体动力学基础 • 掌握拉格朗日法和欧拉法的基本特点，理解流场的基本概念。理解恒定流动和非恒定流动的概念。 • 掌握流体连续性方程、能量方程和动量方程及其不同的表示形式。 • 掌握恒定总流的伯努利方程、动量方程的物理意义及其应用； • 掌握恒定气流能量方程及其应用。
4. 流动阻力和能量损失 • 掌握流动阻力和能量损失计算 • 掌握流体运动两种形态及其判别； • 理解紊流特征，紊流时均化和普朗特混合长度理论，理解雷诺应力的概念； • 理解沿程能量损失的成因和阻力系数的变化规律，掌握沿程能量损失的计算； • 理解局部阻力产生的原因，掌握几种典型局部构件的局部阻力系数的计算，掌握局部阻力造成能量损失的计算； • 掌握沿程阻力系数和局部阻力系数的测试方法。
5. 孔口管咀和管路流动 • 掌握孔口的分类；掌握孔口管咀的基本公式和出流系数及其应用； • 掌握有压管流的水力计算和伯努利能线的绘制方法； • 掌握管网计算的基本方法 • 理解水击现象产生的原因和危害及其预防措施，掌握直接水击的计算方法。
6. 气体射流 • 理解无限空间紊流淹没射流的结构和特征； • 掌握紊流射流主体段诸参数的计算； • 掌握温差射流与浓差射流的特征和主体段诸参数的计算； • 理解温差射流轨迹弯曲的概念和弯曲轨迹方程的推导步骤。
7. 不可压缩流体动力学基础 • 理解流体的平面运动的意义； • 掌握流函数的定义及其性质，掌握平面无旋流动 Φ和 Ψ 之间的关系， • 掌握平面势流基础——几种简单的平面势流； • 掌握势流叠加的分析步骤；理解、掌握几种常见的势流叠加的物理模型； • 理解镜像法。
8. 附面层理论基础和绕流运动 • 理解边界层概念，理解边界层微分方程式； • 掌握边界层动量积分关系式及其应用，理解平板层流、紊流及混合边界层的近似计算方法； • 理解边界层分离现象，掌握物体饶流运动和悬浮速度的计算。
9. 一元气体动力学基础 • 掌握气体一元流动的基本方程，理解描述可压缩流体运动的三个指标——静态压缩指标，动态压缩指标，总能量指标； • 掌握等熵流动关系式和喷管的流动计算； • 掌握等截面管道实际气体恒定流动及其计算。
10.相似性原理和因次分析 • 了解物理量的基本量纲和导出量纲，量纲性质. • 理解相似原理的三个基本定理的内容和意义，理解力学相似的概念； • 掌握量纲分析方法； • 掌握用力学相似定义推导相似准则； • 掌握用π定理简化函数关系，用π定理导出相似律理解完全相似、近似相似和模型律的应用。
实验研究 理论分析 数值模拟 流体力学研究方法 1）原型观测，即对工程实践中的天然水流直接进行观测； 2）系统实验，即在实验室内对人工水流现象进行系统研究； 3）模型实验，即模拟实际工程的条件，对模型中的水流现象进行研究。 1、实验研究
测试水流运动的技术分为两种类型： 1）使用测量仪器定量的测量速度、压强、力矩等物理量； 2）直接观察或摄影记录流场中的流动情况，即流场显示技术。 壁面显示法 直接注入法 化学反应法 氢气泡法 示踪法 流场显示技术 光学法 2、理论分析 3、数值模拟
参考书目： • 周谟仁.流体力学、泵与风机.中国建筑工业出版社. • 屠大燕.流体力学与流体机械.中国建筑工业出版社. • 段文义、郭仁东、李亚峰.流体力学.东北大学出版社 • 吕文舫等.水力学.同济大学出版社 • 刘鹤年.水力学.武汉大学出版社
流体力学的研究对象 日常流体力学现象 流动的基本规律 流体力学研究依据
（一）流体的定义 流动的物质，液体和气体，统称为流体。 • 水和空气、天然气、煤制气等 • 单相流 • 两相流
表1.1 固体、液体和气体的不同点 注：缩性体在一定力的作用下,将产生永久变形 弹性体的变形可立即消失 在表面张力的作用下,液体有自由表面,具有界面现象
（二）流体的基本特性 • 易流动性—— 流体在静止状态下，一旦受到剪切力或拉力的作用，无论受力多麽小，其静止状态即会发生改变，呈现流动状态。 • 连续性—— 流体可以被无限分割为具有均布质量的宏观微元体。这个微元体在宏观上无限小，微观上无限大，满足数学统计平均量，具有宏观属性。
二、日常流体力学现象： • 1、认识大气压 • 2、表面张力现象 • 3、竹蜻蜓 • 4、千斤顶 • 5、潜水艇 • 6、烟囱 • 7、超音速飞机 • 8、流体输送
三、常用的流体力学模型 • 流体的连续介质模型 • 不可压缩流体力学模型 • 理想流体力学模型
四、常用的流体力学三大方程 • 连续性方程 ——质量守恒定律 • 运动流体的伯努利方程 ——能量守恒定律 • 动量方程 ——牛顿第二运动定律
第一节 作用在流体上的力 • 质量力 • 表面力
ΔFs Z n ΔA ΔV y x ΔFm • 质量力 • 质量力作用在流体的每一个质点(或微团)上，与流体质量成正比。如重力、惯性力。
单位质量流体所受的质量力f 可定义为： 质量力特点：作用在流体体积上，随空间位置和时间变化。 总质量力：
法向力 切向力 • 表面力 • 作用在所考虑的流体(或称分离体)表面上，与接触面积成正比。如粘滞力、压力。
n b c A P B a 静止流体的应力特征 静止流场中表面力就是沿受力面法线方向的正应力。 由于流体质点之间没有相对运动，不存在平行于表面的切应力。
一、惯性 • 质量，m(kg)，是表征惯性的物理量。 • 密度，ρ（kg/m3),是描述流体质量在空间分布程度的物理量 • 均质流体： • 非均质流体：
在计算中常用的流体密度和容重如下： ρ=1000kg/m3 γ=9807N/m3 水的密度和容重: ρHg=13595kg/m3 γHg=133326N/m3 汞的密度和容重: 干空气在温度为290K，压强为760mmHg时的密度和容重： ρa=1.2kg/m3 γa=11.77N/m3
容重（重度)， γ（N/m3) 二、重力特性 • 均质流体: • 非均质流体:
2. 密度和容重 3. 比重，S ——物体的密度ρ与4 ℃时蒸馏水的密度ρw 之比
三、流体的粘滞性 • 流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力(内力)以反抗相对运动的性质，叫做粘滞性。
气体 • 粘滞产生的原因一方面可以归结为分子之间的引力产生─液体 还可以从动量传递角度加以理解:
内摩擦力(或切力)T的大小，经过无数的试验证明：内摩擦力(或切力)T的大小，经过无数的试验证明： • 1．与两流层间的速度差(即相对速度)du成正比，和流层问距离dy成反比； • 2．与流层的接触面积A的大小成正比； • 3．与流体的种类有关； • 4．与流体的压力大小无关。
动力粘滞系数μ • 表征单位速度梯度作用下的切应力，所以它反映了粘滞性的动力性质，因此也称为动力粘滞系数。 • 单位是N/m2·s或Pa·s。
运动粘滞系数ν • 理解为单位速度梯度作用下的切应力对单位体积质量作用产生的阻力加速度。这样，由于在v的因次中没有力的因次，只具有运动学要素，故称v为运动粘滞系数。 • 流体流动性是运动学的概念，所以衡量流体流动性应用运动粘滞系数v而不用μ
