水力学可见

'课程介绍水力学（hydraulics）液体，主要是水工程应用流体力学（fluidmechanics）流体，即液体和气体概念、原理和方法本课程的特点：概念、原理和方法（教材第一章到第七章是重点）教材：《流体力学》胡敏良第三版本课程的目标：●清晰的物理概念●流体中力与运动的规律兰世隆（航空科学与工程学院）第1讲1 参考书：《流体力学及其工程应用》Finnemore&Franzini(第10版)机械出版社/清华大学出版社《流体力学》（上、下册）周光坰等高等教育出版社课堂讲授（30学时）+实验（2学时）考核：作业与课堂练习：20%考试：80%第1讲2 第一章流体的物理性质本讲主要内容：1什么是流体2流体的密度及其变化3流体的输运现象4粘性的微观解释第1讲3 第一章流体的物理性质1.什么是流体（fluids）？物质的聚集状态固态液态气态固体液体气体流体把液体和气体统称为流体，为什么？第1讲4 固体：液体和气体：很小的应力，持续变形弹性体：应力导致变形，但变形不能持续塑性体：应力导致变形，变形可以持续，若应力消失，变形即停止。容易持续变形（流动）不易持续变形应变应力固体：流体：应变率应力持续变形的快慢变形的速率流体和固体的本构关系不同变形第1讲5 2.流体的密度及其变化流体的密度：单位体积的质量通常，流体被看为连续的介质。空气中气体粒子的平均自由程1mm3内约有1012个粒子Meanfreepathat150km(loworbit):1000mmat50km(balloons):0.1mmat20km(U2flight):0.001mmat0km(sealevel):0.0001mm第一章流体的物理性质因此，可定义，第1讲6 水的密度：4℃，ρ=1000kg/m390℃,ρ=965kg/m3空气的密度：常温下，ρ=1.2kg/m3流体的重度：单位体积的重量重力加速度第1讲7 定义：等温压缩系数热膨胀系数流体密度的变化（体积的变化）体积是压力和温度的函数体积弹性模量表征了流体在压力作用下体积改变的特性表征了流体在温度作用下体积改变的特性第1讲8 例1常温常压下，水温度不变，增加一个大气压（或帕）例2等温过程中(1~2个大气压)的空气温度不变，增加一个大气压，则空气的可压缩程度约为水的104倍水和空气的等温压缩系数水的可压缩程度约为低碳钢的80倍水的可压缩程度约为水银的12倍则第1讲9 例3水300K,例4常温常压下，空气水和空气的热膨胀系数315K,330K,370K,如果温度改变了100K,如果温度改变了100K,常温常压下，空气的热膨胀比水的高一个量级。第1讲10 在温度不太低（>253K），压强不太高（<20MPa）时，空气满足下面的状态方程：等温过程中，压强P，温度T，质量m，体积V，气体常数R压强不变时，补充：液体的密度几乎不受压强变化的影响，受温度变化的影响也很小。气体的密度受压强及温度变化的影响都较大。小结：第1讲11 取决于β和dp的乘积①液体，β很小，若dp不大，体积改变很小；若dp很大，体积改变就显著（水下爆炸，水击）②气体，β不小，若dp很小，体积改变很小；若dp较大，体积改变就显著在压力作用下，当体积改变很小而且可以忽略时，我们就说流体的体积是常数（或者说密度是常数），这样的流体称为不可压缩流体，否则，称为可压缩流体。不可压缩流体:通常情况下的液体；低速的气体（小于100m/s，压力改变很小）进一步的讨论：在压力作用下流体体积的改变第1讲12 3.流体的输运现象（transportphenomena）如果流体中相邻流体微团的力学、热学特征（浓度、速度和温度）存在不均匀性，即处于不平衡状态，由于分子热运动及分子间碰撞，使相邻流体微团间的力学热学特征发生交换和传递，最终趋于均匀，达到平衡状态。这称为流体的输运现象。流体微团：由许多流体质点组成的微小单元。宏观上无限小：微观上有限大：许多流体质点质量输运------扩散现象（diffusionofmatter）热量输运------传热现象（conductionofheat）动量输运------粘滞现象（viscosity）流体的输运现象第一章流体的物理性质第1讲13 示意图浓度不均或混合不均均匀扩散现象:单一组分浓度不均趋于均匀多组分混合不均趋于均匀①第1讲14 密度扩散系数单位面积质量流量一般说来，气体的扩散系数比液体的大几个量级。单位时间单位面积所输运的质量与密度梯度成正比。（一维）菲克（Fick）第一定律梯度：（三维）第1讲15 传热现象:温度不均趋于均匀，即流体的热能通过分子热运动从较高温度的区域传递到较低温度的区域。单位时间单位面积所输运的热量与温度梯度成正比。（一维）导热系数单位面积热流量一般说来，液体的导热系数比气体的大1～2个量级。温度②傅立叶（Fourier）定律例如，CPU散热，水冷优于风扇。第1讲16 粘滞现象:速度不均趋于均匀，即当各层流体的速度不同时，任意两层流体之间将互相作用以阻碍各层流体之间的相对运动，这种现象称为粘滞现象。流体表现出来的阻碍相对运动的特性，称为粘性。例5搅咖啡例6平板之间的流动③第1讲17 牛顿粘性定律速度粘性系数（N·S/m2或Pa·S）剪切应力单位时间单位面积所输运的动量与速度梯度成正比。单位时间单位面积所输运的动量应力（一维）质量输运------扩散现象------菲克第一定律热量输运------传热现象------傅立叶定律动量输运------粘滞现象------牛顿粘性定律小结：三个物理量的输运机理相同公式形式相同第1讲18 4.粘性的微观解释液体：分子间作用力很强，分子热运动较弱，相对运动使相邻液体分子的平均距离加大，分子间作用力表现为吸引力。无论是分子间吸引力还是分子间动量交换，它都带动速度慢的流体微团，阻碍速度快的流体微团，这种现象称流体具有粘性。u+duutt注意：与摩擦力的区别摩擦力的产生不需要物体有相对运动；接触面法向压力是必需的。气体：分子间作用力很弱，分子热运动占主导，相邻分子动量交换很强。从另一角度看，相邻流体微团有速度差，即有相对运动，这时就存在内摩擦，即剪切应力。牛顿粘性定律也称为牛顿内摩擦定律。第一章流体的物理性质第1讲19 本讲总结：流体应变率应力～容易持续变形密度不可压缩流体和可压缩流体粘滞现象粘性牛顿粘性定律第一章流体的物理性质第1讲20 1.21.41.51.6作业题：第1讲21'