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工工 程程 流流 体体 力力 学学Engineering Fluid MechanicsEngineering Fluid Mechanics课 程程 简 介介n课程性质：课程性质：本课程是安全工程专业的一门专业基础必修本课程是安全工程专业的一门专业基础必修课，先修课程为高等数学、工程力学等。要求掌握流体课，先修课程为高等数学、工程力学等。要求掌握流体力学的基本概念、基本理论和基本方法，能应用所学知力学的基本概念、基本理论和基本方法，能应用所学知识解决工程实际中的流体力学问题，并为后续课程的学识解决工程实际中的流体力学问题，并为后续课程的学习打下基础。习打下基础。n学时：学时：课堂教学课堂教学42学时，实验学时，实验6学时（大概安排在第学时（大概安排在第1516周），暂定为集中考试课。周），暂定为集中考试课。n教学参考书教学参考书 1 沈小雄主编沈小雄主编.工程流体力学工程流体力学.2 赵存友主编赵存友主编.工程流体力学工程流体力学.课程简介内容与要求课程简介内容与要求n课程内容：课程内容：包括绪论、流体静力学、流体动力学基包括绪论、流体静力学、流体动力学基础、黏性流体运动及其阻力计算、有压管流与孔口、础、黏性流体运动及其阻力计算、有压管流与孔口、管嘴出流、气体的一元流动、相似原理与量纲分析、管嘴出流、气体的一元流动、相似原理与量纲分析、流体机械（泵与风机）等流体机械（泵与风机）等。n学习基本要求：学习基本要求：1）上课认真听讲）上课认真听讲；2）上课上课积极思积极思考并回答提问；考并回答提问；3）认真完成作业）认真完成作业；4）预习并做好）预习并做好实验，完成实验报告。实验，完成实验报告。n课程考核：课程考核：综合考虑考试成绩、实验课成绩和平时综合考虑考试成绩、实验课成绩和平时成绩。成绩。按时上课按时上课，缺课三次以上（含三次）将不能，缺课三次以上（含三次）将不能参加考试。参加考试。第第1章章 绪绪 论论1.2 流体质点与连续介质的概念流体质点与连续介质的概念1.1 1.1 流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体力学的研究对象、发展概况和研究方法 1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1.1.1 流体力学的研究对象流体力学的研究对象流体流体Fluid 什么是流体什么是流体?1.1 1.1 流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体力学的研究对象、发展概况和研究方法流体的定流体的定义在在静静力力平平衡衡时时，不不能能承承受受拉拉力力或或剪剪力力的的物质就是流体。物质就是流体。1.1.1 流体力学的研究对象流体力学的研究对象对流体定义的理解：对流体定义的理解：1）不不能能承承受受拉拉力力，因因而而流流体体内内部部永永远远不不存存在在抵抵抗拉伸变形的拉应力；抗拉伸变形的拉应力；2）不不能能承承受受剪剪力力，即即任任何何微微小小的的剪剪切切力力都都会会导导致流体连续变形、平衡破坏，产生流动。致流体连续变形、平衡破坏，产生流动。例如：铆接金属板。例如：铆接金属板。1.1.1 流体力学的研究对象流体力学的研究对象1.1.1 流体力学的研究对象流体力学的研究对象流体的分类流体的分类固体：属于非流体，有一定的形状和一定的体积；固体：属于非流体，有一定的形状和一定的体积；液体：属于流体液体：属于流体，有一定的体积，无一定的形状；，有一定的体积，无一定的形状；气体：属于流体气体：属于流体，既无一定的形状，也无一定的体积。，既无一定的形状，也无一定的体积。固体固体液体液体气体气体物质种类物质种类SolidLiquidGas1.1.1 流体力学的研究对象流体力学的研究对象 1）液液体体：液液体体的的体体积积与与盛盛装装液液体体的的容容器器大大小小无无关关，有有自自由由面面。分分子子间间的的空空隙隙大大约约等等于于其其分分子子的的平平均均直径直径。2）气气体体：充充满满所所占占的的空空间间，气气体体的的形形状状和和体体积积与与空空间间有有关关。气气体体的的显显著著特特点点是是其其分分子子间间距距大大，因因而而密密度度较较低低。分分子子的的平平均均间间距距约约为为分分子子平平均均直直径径的的10倍倍。注注意意：1）各各种种状状态态之之间间的的转转化化；2）气气体体与与蒸蒸汽汽(如水蒸气、氨等如水蒸气、氨等)不同。不同。液体和气体的特征液体和气体的特征1.1.2 流体力学的发展概况流体力学的发展概况流体力学流体力学(Fluid Mechanics)的任的任务是研究是研究流体的流体的平衡和机械运平衡和机械运动的的规律，以及律，以及这些些规律在律在工程工程实际中中的的应用，它属于力学的一个分支。用，它属于力学的一个分支。流体力学的研究和其他自然科学研究一流体力学的研究和其他自然科学研究一样，是随，是随着着生生产的的发展需要展需要而而发展起来的。展起来的。流体力学的两条发展途径流体力学的两条发展途径1）古古典典流流体体力力学学（理理论论流流体体力力学学Theoretical）：是是连连续续介介质质力力学学的的一一个个组组成成部部分分，属属基基础础科科学学，如如化化学学流流体体力力学学、电电磁磁流流体体力力学学等等。奠奠基基人人是是伯伯努努利利和和欧欧拉拉，还还有有拉拉格格朗朗日日、纳纳维维尔尔、斯斯托托克克斯斯和和雷诺等人。由于各种困难，很难解决实际问题。雷诺等人。由于各种困难，很难解决实际问题。2）水水力力学学（工工程程流流体体力力学学Engineering）：是是工工程程力力学学的的一一个个组组成成部部分分，属属应应用用科科学学，如如空空气气动动力力学学、渗渗透透力力学学、环环境境流流体体力力学学、生生物物流流体体力力学学等等。卓卓越越成成就就的的工工程程师师包包括括毕毕托托、蔡蔡西西、文文丘丘里里、达达西西等等人人。应应用用上上有有一一定定的的局局限限性性，难难以以解解决决复复杂杂的的工程问题。工程问题。1.1.2 流体力学的发展概况流体力学的发展概况随随着着各各种种新新技技术术和和计计算算机机技技术术的的发发展展，两两者者之之间间的的差差异异逐逐步步消消失失。流流体体力力学学既既是是一一门门基基础础科科学学，又又是是一一门门应应用用科科学学。工工程程流流体体力力学学偏偏重重于于工工程程应应用。用。流流体体力力学学的的应应用用：在在航航空空航航天天工工业业、水水利利工工程程、土土木木工工程程、机机械械工工业业、环环境境保保护护、采采矿矿工工业业、造造船船工工业业、电电力力工工业业、水水资资源源利利用用、冶冶金金工工业业、化化学学工工业业、石石油油工工业业、交交通通运运输输、生生物物医医学学等等广广泛泛领域，都应用到现代流体力学的有关知识。领域，都应用到现代流体力学的有关知识。流体是许多工科专业的一门基础课程。流体是许多工科专业的一门基础课程。流体力学是众多流体力学是众多应用科学和工程技用科学和工程技术的基的基础由于空气由于空气动力学的力学的发展，人展，人类研制出研制出3倍声速的倍声速的战斗机。斗机。F-16、22，歼，歼20、31使重量超使重量超过3百吨，面百吨，面积达半个足球达半个足球场的大型民航客机，靠的大型民航客机，靠空气的支托象空气的支托象鸟一一样飞行成行成为可能，可能，创造了人造了人类技技术史上史上的奇迹。的奇迹。空客空客A380人人类制造出航天制造出航天飞机，机，实现了登月的梦想。了登月的梦想。神神9、10，嫦娥，嫦娥2、3设计并制造出并制造出单价超价超过10亿美元，能抵御大美元，能抵御大风浪的浪的海上采油平台；海上采油平台；排水量达排水量达50万吨以上的超大型运万吨以上的超大型运输船；船；航速达航速达30节，深潜达数百米的核，深潜达数百米的核动力潜艇；力潜艇；2012年年6月月27日，中国载人深潜器日，中国载人深潜器“蛟龙蛟龙”号号7000米级海试最大下潜深度达米级海试最大下潜深度达7062米，再创深潜记录。米，再创深潜记录。时速达速达200公里的新型地效艇等，它公里的新型地效艇等，它们的的设计都建立在都建立在水水动力学、船舶流体力学的基力学、船舶流体力学的基础之上。之上。用翼用翼栅及高温、化学、多相流及高温、化学、多相流动理理论设计制造成功大型气制造成功大型气轮机、机、水水轮机、机、涡喷发动机等机等动力机械，力机械，为人人类提供提供单机达百万千瓦机达百万千瓦的的强大大动力。力。汽汽轮机叶片机叶片大型水利枢大型水利枢纽工程、超高工程、超高层建筑、大跨度建筑、大跨度桥梁等的梁等的设计和建和建造离不开水力学和造离不开水力学和风工程。工程。大型水利枢大型水利枢纽工程、超高工程、超高层建筑、大跨度建筑、大跨度桥梁等的梁等的设计和建和建造离不开水力学和造离不开水力学和风工程。工程。21世世纪人人类面面临许多重大多重大问题的解决，的解决，需要流体力学的需要流体力学的进一一步步发展，它展，它们涉及人涉及人类的生存和生活的生存和生活质量的提高。量的提高。全球气象全球气象预报（卫星云星云图）台台风“山神山神”飓风“桑迪桑迪”环境境污染与生染与生态控制（生控制（生态文明）文明）灾害灾害预报与控制与控制火山与地震火山与地震预报发展更快更安全更舒适的交通工具展更快更安全更舒适的交通工具各种工各种工业装置的装置的优化化设计，降低能耗，减少，降低能耗，减少污染等等。染等等。流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、生命科学等，在学科交叉中开拓新理学、材料科学、生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建域，建立新理立新理论，创造新方法。造新方法。星云星云流体力学需要与其他学科交叉。流体力学需要与其他学科交叉。毛毛细血管流血管流动工程学、材料学、气象学工程学、材料学、气象学流体力学需要与其他学科交叉。流体力学需要与其他学科交叉。流体力学流体力学发展展总结n没有流体力学的发展，现代工业和高新技没有流体力学的发展，现代工业和高新技术的发展是不可能的。术的发展是不可能的。n流体力学在推动社会发展方面作出过重大流体力学在推动社会发展方面作出过重大贡献，今后仍将在科学与技术各个领域发贡献，今后仍将在科学与技术各个领域发挥更大的作用。挥更大的作用。1.1.3 流体力学的流体力学的工程应用工程应用l在安全工程中的应用：在安全工程中的应用：1）在在通通风风除除尘尘（矿矿井井通通风风、防防尘尘）及及空空调调工工程程中中，风风流流在在管管道道及及有有限限空空间间中中的的流流动动规规律律、风风量量的的确确定定、通通风风阻阻力的计算、风机的选择、除尘器的效率分析等。力的计算、风机的选择、除尘器的效率分析等。2）有毒、有害气体有毒、有害气体的输送、泄露、扩散、处理等。的输送、泄露、扩散、处理等。3）在在防防排排水水工工程程（溃溃坝坝、透透水水事事故故）中中，液液体体对对固固体体的的作作用用力力、液液体体的的运运动动规规律律、流流量量的的确确定定、管管路路的的水水力力计计算、水泵的选择等。算、水泵的选择等。4）火灾与爆炸；）火灾与爆炸；5）流体机械。）流体机械。例例如如：三三峡峡工工程程。1992年年4月月3日日，第第七七届届全全国国人人民民代代表表大大会会第第五五次次会会议议以以压压倒倒优优势势通通过过了了关关于于兴兴建建长长江江三三峡峡工程的决议。工程的决议。三峡工程的受益：三峡工程的受益：1）在在防防洪洪方方面面，三三峡峡工工程程控控制制流流域域面面积积100万万km2，能能直直接接控控制制荆荆江江河河段段洪洪水水来来量量95%以以上上，武武汉汉以以上上洪洪水水来来量量的的2/3。2）在在发发电电方方面面，装装机机1768万万千千瓦瓦，年年发发电电来来量量840亿亿千千瓦瓦小时。小时。3）在在航航运运方方面面，宜宜昌昌至至重重庆庆河河段段的的航航运运条条件件可可得得到到根根本本改改善，万吨级船队可全年直达重庆。善，万吨级船队可全年直达重庆。1.1.3 流体力学的流体力学的工程应用工程应用这一宏一宏伟的工程涉及的工程涉及许多复多复杂的流体力学的流体力学问题。例例如如，蓄蓄水水后后通通过过溢溢流流坝坝下下泄泄的的最最大大流流量量高高达达每每秒秒10万万m3，水水头头高高达达100m，最最大大流流速速高高达达每每秒秒45m（比比百百米米短短跑跑世世界界速速度度博博尔尔特特9秒秒72还还要要快快45倍倍）。这这样样巨巨大大的的能能量量产产生生巨巨大大的的破破坏坏力力，引引起起堤堤坝坝冲冲刷刷、空空蚀蚀、振振动动。这这就就需需要要在在水水工工水水力力学学设设计计方面采取许多措施。方面采取许多措施。再再如如，在在决决策策兴兴建建三三峡峡工工程程之之前前，许许多多人人担担心心一一旦旦发发生生战战争争，溃溃坝坝是是否否是是否否会会给给下下游游带带来来毁毁灭灭性性的的灾灾难？难？1.1.3 流体力学的流体力学的工程应用工程应用流流体体力力学学专专家家参参与与的的溃溃坝坝模模型型实实验验表表明明，由由于于三三峡峡水水库库的的水水体体分分布布在在一一条条580多多km长长的的条条带带上上，溃溃坝坝时时水水库库水水体体不不可可能能全全部部一一涌涌而而出出。特特别别是是三三峡峡坝坝下下40km左左右右峡峡谷谷河河段段的的约约束束作作用用，使使水水流流与与弯弯曲曲河河道道两两岸岸的的山山体体相相撞撞击击，生生产产反反方方向向的的巨巨浪浪，使使得得下下泄泄水水体体的的流流速速逐逐渐渐变变缓缓。再再加加上上主主动动分分洪洪泄泄洪洪等等措措施施，三三峡峡万万一一溃溃坝坝所所造造成成的的洪洪水水灾灾害害再再大大也也大大不不过过一一场场天天然然大大洪洪水水。但但是是要要不不修修三三峡峡工工程程，人人们们却却经经常常要要遭遭受受这这种种天天然然大大洪洪水水的的威威胁胁。两两相相权权衡衡，究究竟竟该该作作何何选选择择不不就就很很清清楚楚了吗？了吗？此此外外，有有关关通通航航、泥泥沙沙淤淤积积、高高围围堰堰与与渗渗流流等等许许多多问问题，都离不开流体力学专家参与研讨。题，都离不开流体力学专家参与研讨。1.1.3 流体力学的流体力学的工程应用工程应用 1.1.4 流体力学的研究方法流体力学的研究方法理理论方法方法实验方法方法计算方法算方法Theoretical methodsExperimental methodsCalculated methods 1.1.4 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 1）理理论论方方法法：通通过过分分析析、观观察察提提出出适适当当的的假假定定，抽抽象象出出理理论论模模型型，建建立立方方程程组组，运运用用数数学学工工具具寻寻求求流流体体运运动动的普遍解。的普遍解。2）实实验验方方法法：它它将将实实际际流流动动问问题题概概括括为为相相似似的的实实验验模模型型，利利用用风风洞洞、水水池池、水水洞洞等等实实验验装装置置，在在实实验验中中观观测测现现象象、测测定定数数据据并并进进而而按按照照一一定定方方法法推推测测实实际际结结果果，得得到经验公式。到经验公式。3）计计算算方方法法：根根据据理理论论分分析析与与实实验验观观测测拟拟定定计计算算方方案案，使使用用有有限限差差分分法法、有有限限元元法法，通通过过编编制制程程序序输输入入数数据据用用计计算算机机算算出出数数值值解解。如如应应用用于于飞飞机机外外形形设设计计、环环境境污染预报、可控核聚变等。污染预报、可控核聚变等。综合应用三种方法。综合应用三种方法。1.2 流体质点与连续介质的概念流体质点与连续介质的概念1.2.1 流体质点流体质点(Fluid particle)的概念的概念流体具有三个物质基本属性：流体具有三个物质基本属性：1）由大量分子组成；）由大量分子组成；2）分子不断作随机热运动；）分子不断作随机热运动；3）分子与分子之间存在着分子力的作用。）分子与分子之间存在着分子力的作用。从从微微观观结结构构上上看看，流流体体分分子子具具有有一一定定的的形形状状，因因而而分分子子与分子之间必然存在着一定的间隙。与分子之间必然存在着一定的间隙。但但是是对对于于研研究究流流体体宏宏观观规规律律的的流流体体力力学学来来说说，一一般般不不需需要考虑分子的微观结构。要考虑分子的微观结构。定定义义：流流体体质质点点是是指指流流体体中中宏宏观观尺尺寸寸非非常常小小而而微微观观尺尺寸寸又足够大的任意一个物理实体。又足够大的任意一个物理实体。1.2 流体质点与连续介质的概念流体质点与连续介质的概念1.2.1 流体质点的概念流体质点的概念流体质点包括流体质点包括4个方面的含义个方面的含义:1）流体质点的）流体质点的宏观尺寸非常小宏观尺寸非常小。流体质点所占据的。流体质点所占据的宏观体积极限为零。宏观体积极限为零。2）流体质点的）流体质点的微观尺寸足够大微观尺寸足够大。在流体质点内任何。在流体质点内任何时刻都包含有足够多的流体分子。时刻都包含有足够多的流体分子。3）流体质点具有质量、密度、压强、流速、动量等）流体质点具有质量、密度、压强、流速、动量等宏观物理量宏观物理量。4）流体质点的形状可以任意划定，质点和质点之间）流体质点的形状可以任意划定，质点和质点之间可以可以没有空隙没有空隙。1.2 流体质点与连续介质的概念流体质点与连续介质的概念1.2.2 连续介质连续介质(Continuous medium)的概念的概念由由流流体体质质点点引引出出连连续续介介质质概概念念：流流体体是是由由无无穷穷多多个个、无无穷穷小小的的、紧紧密密毗毗邻邻、连连绵绵不不断断的的流流体体质质点点组组成成的的一种一种绝无间隙绝无间隙的连续介质。的连续介质。通通常常把把流流体体中中任任意意小小的的一一个个微微元元部部分分叫叫作作流流体体微微团团，当当流流体体微微团团的的体体积积无无限限缩缩小小并并以以某某一一坐坐标标点点为为极极限限时时，流流体体微微团团就就成成为为处处在在这这个个坐坐标标点点(x,y,z)上上的的一一个个流流体体质质点点，它它在在任任何何瞬瞬时时t都都应应该该具具有有一一定定的的物物理理量量，如质量、密度、压强、流速等。如质量、密度、压强、流速等。连连续续介介质质假假设设的的重重要要作作用用：可可以以运运用用连连续续函函数数和和场场论论等数学工具研究流体运等数学工具研究流体运动动和平衡和平衡问题问题。1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1.3.1 流体的密度与重度流体的密度与重度(Density&Specific Weight)流体的密度流体的密度如果流体是均质的，则如果流体是均质的，则 流体的重度流体的重度对于流体是均质的，则对于流体是均质的，则 1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1.3.1 流流体体的的密密度度与与重重度度(Density&Specific Weight)l 密度密度的单位为的单位为kg/m3,g/cm3等，重度等，重度的单位为的单位为N/m3，重力加速度，重力加速度g为为9.806m/s2。l 各种常见流体在一个标准大气压下的密度、重度各种常见流体在一个标准大气压下的密度、重度值见表值见表1.1和表和表1.2。1.3.2 黏性黏性(Viscosity)流流体体运运动动时时，其其内内部部质质点点沿沿接接触触面面相相对对运运动动，产产生生内摩擦力以抗阻流体内摩擦力以抗阻流体变变形的性形的性质质，就是流体的黏性。，就是流体的黏性。（1）牛顿内摩擦定律与流体的黏度）牛顿内摩擦定律与流体的黏度流流体体上上下下层层之之间间产产生生内内摩摩擦擦力力，这这种种内内摩摩擦擦力力阻阻止止两两相相邻的流体层作相对运动，从而表现为阻止流体的变形。邻的流体层作相对运动，从而表现为阻止流体的变形。h1.3.2 黏性黏性(Viscosity)内摩擦切应力内摩擦切应力设流体中的速度为线性分布，则设流体中的速度为线性分布，则称称为为流流体体的的动动力力黏黏性性系系数数或或动动力力黏黏度度，它它能能反反映映流流体体黏黏性性的的大大小小，随随流流体体的的不不同同而而有有不不同同的的值值，故常称为故常称为绝对黏度。绝对黏度。的单位为的单位为Ns/m2或或 Pas。1.3.2 黏性黏性(Viscosity)上上式式称称为为牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律或或黏黏性性定定律律，它它表表明明了了流流体作层状运动时，流体内摩擦力的变化规律。体作层状运动时，流体内摩擦力的变化规律。若若流流体体中中的的速速度度u为为非非线线性性分分布布，如如图图所所示示，则则流流体中的切应力是逐点变化的，有：体中的切应力是逐点变化的，有：1.3.2 黏性黏性(Viscosity)牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律适适用用于于空空气气、水水、石石油油等等工工程程中中常常用用的的流流体体。凡凡内内摩摩擦擦力力按按这这个个定定律律变变化化的的流流体体称称为为牛顿流体牛顿流体，否则为非牛顿流体。，否则为非牛顿流体。非牛顿流体类型非牛顿流体类型：第第一一种种是是塑塑性性流流体体，如如凝凝胶、牙膏等。胶、牙膏等。第第二二种种是是假假塑塑性性流流体体，如如泥泥浆浆、纸纸浆浆、高高分分子子溶溶液等。液等。第第三三种种是是胀胀塑塑性性流流体体，如如乳化液、油漆、油墨等。乳化液、油漆、油墨等。理想流体理想流体胀塑性流体胀塑性流体牛顿流体牛顿流体假塑性流体假塑性流体塑性流体塑性流体1.3.2 黏性黏性(Viscosity)流流体体的的的的动动力力黏黏性性系系数数与与其其密密度度之之比比，称称为为流流体的体的运动黏性系数运动黏性系数，用，用表示，即表示，即运运动动黏黏性性系系数数也也称称运运动动黏黏度度，单单位位为为m2/s或或cm2/s等。等。的的物物理理意意义义是是单单位位速速度度梯梯度度下下的的切切应应力力。的的物物理理意意义义是是动动力力黏黏度度与与密密度度之之比比，如如果果两两种种流流体体密密度相差很多，单从度相差很多，单从的值判断不出它们黏性的大小。的值判断不出它们黏性的大小。常见流体的黏度见常见流体的黏度见表表1.1和表和表1.2。1.3.2 黏性黏性(Viscosity)（2）黏度的测定）黏度的测定流流体体黏黏度度的的测测定定方方法法有有两两种种。一一种种是是直直接接测测定定法法，所所用用黏黏度度计计有有转转筒筒式式、毛毛细细管管式式、落落球球式等；式等；另另一一种种方方法法是是间间接接测测定定法法，在在这这种种方方法法中中首首先先利利用用仪仪器器测测定定经经过过某某一一标标准准孔孔口口流流出出一一定定量量流流体体所所需需的的时时间间，然然后后再再利利用用仪仪器器所所特特有有的的经经验验公公式式间间接接地地算算出出流流体体的的黏黏度度。这这种种方方法法所所用用的的仪仪器器简简单单、操操作作方方便便，故故多为工业界所采用。多为工业界所采用。恩氏黏度计恩氏黏度计 1.3.2 黏性黏性(Viscosity)例例题题1.1 如如图图所所示示，轴轴置置于于轴轴套套中中，其其间间充充满满流流体体。以以90N的的力力F，从从左左端端推推轴轴向向右右移移动动。轴轴移移动动的的速速度度v为为0.122m/s，轴轴的的直直径径d为为75mm，轴轴宽宽l为为200mm。求求轴轴与与轴轴套套间间流流体体的的动动力黏性系数力黏性系数。解解 由由于于轴轴与与轴轴套套间间距距h很很小小，可可以以认认为为流流体体的的速速度度按按线线性性规规律分布，则律分布，则式中，式中，故故 1.3.2 黏性黏性(Viscosity)（3）黏度的变化规律）黏度的变化规律流流体体的的黏黏度度随随温温度度和和压压强强而而变变化化。但但压压强强对对黏黏度度的的影影响响较较小小，在在一一般般情情况况下下可可忽忽略略不不计计，仅仅考考虑虑温温度对流体黏性的影响。度对流体黏性的影响。液体的动力黏度液体的动力黏度与温度的关系，可由下式表示：与温度的关系，可由下式表示：气体的动力黏度气体的动力黏度与温度的关系，可由下式确定：与温度的关系，可由下式确定：1.3.2 黏性黏性(Viscosity)几几种种液液体体与与气气体体的的动动力力黏黏度度随随温温度度的的变变化化曲曲线线如如图图1.8所所示示；其其运运动动黏黏度度随随温温度度的的变变化化曲曲线线如如图图1.9所所示示。常常压压下下不不同同温温度度时时水水与空气的黏度值如表与空气的黏度值如表1.4所示。所示。1.3.2 黏性黏性(Viscosity)表表1.4 常压下水与空气的黏度常压下水与空气的黏度值值 温温 度度 t，水水空空 气气，Pas，m2/s，Pas，m2/s01.79210-31.79210-60.017210-313.710-6101.30810-31.30810-60.017810-314.710-6201.00510-31.00510-60.018310-315.310-6300.80110-30.80110-60.018710-316.610-6400.65610-30.66110-60.019210-317.610-6500.54910-30.55610-60.019610-318.610-6600.46910-30.47710-60.020110-319.610-6700.40610-30.41510-60.020410-320.610-6800.35710-30.36710-60.021010-321.710-6900.31710-30.32810-60.021610-322.910-61000.28410-30.29610-60.021810-323.610-6由由图图1.8、1.9和和表表1.4可可以以看看出出，液液体体和和气气体体的黏度变化规律是迥然不同的。的黏度变化规律是迥然不同的。液液体体的的运运动动黏黏性性系系数数随随温温度度升升高高而而减减小小，气气体体的的运运动动黏黏性性系系数数随随温温度度的的升升高高而而增增大大。这这是是由由于于液液体体与与气气体体具具有有不不同同的的分分子子运运动动状态。状态。1.3.2 黏性黏性(Viscosity)1.3.2 黏性黏性(Viscosity)在在液液体体中中，分分子子间间相相互互作作用用力力较较强强，因因而而阻阻止止了了质质点点间间相相对对滑滑动动而而产产生生内内摩摩擦擦力力，即即表表现现为为液液体体的的黏黏性性。当当液液体体的的温温度度升升高高时时，分分子子间间距距加加大大，引力减弱，因而黏性降低。引力减弱，因而黏性降低。在在气气体体中中，分分子子间间距距大大，两两相相邻邻流流体体层层间间进进行行动动量量交交换换，从从而而阻阻止止了了质质点点间间的的相相对对滑滑动动，呈呈现现出出黏黏性性。而而分分子子引引力力的的作作用用，相相比比之之下下微微乎乎其其微微，忽忽略略不不计计。当当气气体体的的温温度度升升高高时时，内内能能增增加加，分分子子运运动动更更加加剧剧烈烈，动动量量交交换换更更大大，阻阻止止相相对对滑滑动动的内摩擦力增大，所以黏度增大。的内摩擦力增大，所以黏度增大。1.3.2 黏性黏性(Viscosity)（4）理想流体的概念）理想流体的概念流流体体具具有有黏黏性性，在在流流动动中中将将产产生生阻阻力力。但但是是为为了了研研究究问问题题的的方方便便，在在某某些些场场合合，可可不不考考虑虑流流体体的的黏黏性性，即即=0，这这种种流流体体称称为为理理想想流流体体或或无无黏黏性流体性流体。理想流体模型有重大的理论和实际价值。如：理想流体模型有重大的理论和实际价值。如：1）流体平衡时；）流体平衡时；2）小小时时可以忽略；可以忽略；3）先先讨讨论论理理想想流流体体的的运运动动规规律律，再再考考虑虑黏黏性性时时的的修正。修正。理想流体运理想流体运动动学和学和动动力学力学对实际问题对实际问题有重大作用。有重大作用。1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性流流体体的的密密度度和和体体积积会会随随着着温温度度和和压压强强的的变变化化而而改变。改变。温温度度一一定定时时，流流体体的的体体积积随随压压强强的的增增加加而而缩缩小小的的特特性性称称为为流流体体的的压压缩缩性性；压压强强一一定定时时，流流体体的的体体积积随随温温度度的的升升高高而而增增大大的的特特性性称称为为流流体体的的膨胀性。膨胀性。气体的压缩性和膨胀性较液体更为显著。气体的压缩性和膨胀性较液体更为显著。1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性（1）液体的压缩性和膨胀性）液体的压缩性和膨胀性液液体体压压缩缩性性的的大大小小以以体体积积压压缩缩系系数数来来表表示示，即即当当温温度度一一定定时时，每每增增加加单单位位压压强强所所引引起起的的体体积积相相对对变化量，即变化量，即 在在上上式式中中，也也可可以以用用密密度度的的变变化化代代替替体体积积 V 的的变变化化。因因为为=m/V，当当液液体体的的质质量量m为为定定值值时时，则则1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性故故体积压缩系数的倒数，称为体积压缩系数的倒数，称为弹性模量弹性模量，即，即液液体体的的弹弹性性模模量量与与压压强强、温温度度有有关关。水水在在不不同同温温度与压强下的弹性模量如度与压强下的弹性模量如表表1.5所示。所示。从从表表中中可可以以看看出出，水水的的弹弹性性模模量量受受温温度度及及压压强强的的影影响响而而变变化化的的量量是是很很微微小小的的。在在工工程程中中常常将将这这种种微小变化忽略不计，认为水是不可压缩的。微小变化忽略不计，认为水是不可压缩的。1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性液液体体膨膨胀胀性性的的大大小小用用体体积积膨膨胀胀系系数数来来表表示示，即即当当压压强强一一定定时时，每每增增加加单单位位温温度度所所产产生生的的体体积积相相对对变化量，即变化量，即液液体体的的膨膨胀胀系系数数也也与与液液体体的的压压强强、温温度度有有关关。水水在在不同温度与压强下的体积膨胀系数如不同温度与压强下的体积膨胀系数如表表1.6所示。所示。从从表表中中可可看看出出，水水的的膨膨胀胀性性或或膨膨胀胀系系数数是是很很小小的的。其其它它液液体体也也与与水水相相类类似似，其其压压缩缩系系数数和和膨膨胀胀系系数数也是很小的，所以也是很小的，所以常将液体称为不可压缩流体常将液体称为不可压缩流体。1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性例例题题1.2 在在容容器器中中压压缩缩一一种种液液体体。当当压压强强为为106N/m2时时，液液体体的的体体积积为为1l；当当压压强强增增大大为为 2106 N/m2时时，其其体体积积为为995cm3。求求此此液液体体的弹性模量。的弹性模量。1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性（2）气体的压缩性和膨胀性）气体的压缩性和膨胀性气气体体压压强强、温温度度及及密密度度间间的的关关系系用用完完全全气气体体状状态态方方程表示，即程表示，即式中，式中，p气体的绝对压强，气体的绝对压强，N/m2；T气体的绝对温度，气体的绝对温度，K；R气气体体常常数数，单单位位为为Nm/kgk。其其值值随随气气体体种种类不同而异，可由下式确定：类不同而异，可由下式确定：(1.16)1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性一一定定质质量量的的气气体体，其其密密度度随随压压强强的的增增加加而而变变大大，随温度的升高而减小。随温度的升高而减小。对对于于实实际际气气体体，在在一一般般温温度度下下，压压强强的的变变化化不不大大时时，应应用用式式（1.16）可可得得正正确确的的结结果果。但但如如果果对对气气体体强强加加压压缩缩，特特别别是是把把温温度度降降低低到到气气体体液液化化的的程程度度，则则不不能能应应用用式式(1.16)，可可用用相相关图表。关图表。1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性例例题题1.3 1kg质质量量的的氢氢气气，温温度度为为-40，密密闭闭在在0.1m3的容器中，求氢气的压强。的容器中，求氢气的压强。解解 氢的分子量氢的分子量 M=2.016，则氢的气体常数，则氢的气体常数R为为由式（由式（1.16）得）得 1.3.3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性n气体是易于被压缩的流体，一般称气体为可压缩流气体是易于被压缩的流体，一般称气体为可压缩流体。空气在体。空气在1标准大气压时，密度和重度随温度变化标准大气压时，密度和重度随温度变化的情况见表的情况见表1.7。表表1.7 压压强强为为0.1MPa时时，空气的密度和重度，空气的密度和重度温 度，-20020406080100200500密度，kg/m31.401.291.201.121.061.000.950.7460.393重度，N/m313.7312.6511.7110.9810.409.8079.3167.3163.854（3）不可压缩流体的概念）不可压缩流体的概念n流体具有一定的压缩性和膨胀性，但有时为了研究流体具有一定的压缩性和膨胀性，但有时为了研究问题的方便，可将流体的压缩系数和膨胀系数都看问题的方便，可将流体的压缩系数和膨胀系数都看作零，称为作零，称为不可压缩流体不可压缩流体。n在通常条件下，在通常条件下，液体以及低速运动的气体液体以及低速运动的气体可忽略其可忽略其可压缩性。可压缩性。n液体平衡和运动液体平衡和运动的绝大多数问题可以用不可压缩流的绝大多数问题可以用不可压缩流体理论来解决，但当遇到液体压缩性起关键作用的体理论来解决，但当遇到液体压缩性起关键作用的水击现象、液压冲击、水中爆炸波的传播水击现象、液压冲击、水中爆炸波的传播等问题时，等问题时，就必须考虑流体的压缩性。就必须考虑流体的压缩性。n气体平衡和运动气体平衡和运动的大多数问题需要按可压缩流体理的大多数问题需要按可压缩流体理论处理，但是在低温、低压、低速条件下，论处理，但是在低温、低压、低速条件下，可看成可看成不可不可压缩压缩流体。流体。1.3.4 表面张力表面张力（Surface Tension）（1）表面张力的概念）表面张力的概念n表面张力表面张力现象现象。n产生原理产生原理：按分子引力理论，分子间的引力与其距离：按分子引力理论，分子间的引力与其距离的平方成反比，超过一定距离的平方成反比，超过一定距离R(约为约为10-7mm)，引力，引力可略去不计，以可略去不计，以R为半径的空间球域叫作为半径的空间球域叫作分子作用球分子作用球。1.3.4 表面张力表面张力（Surface Tension）l不漏水的网子不漏水的网子找一个滤中药的过滤器（或用铜丝网、窗纱制成找一个滤中药的过滤器（或用铜丝网、窗纱制成的过滤器）的过滤器），把少许植物油倒入并不断晃动，把少许植物油倒入并不断晃动，使油涂抹在所有的网眼上。使油涂抹在所有的网眼上。在过滤器下边放一个空盆再小心地用杯子或水勺在过滤器下边放一个空盆再小心地用杯子或水勺向过滤器里倒水，这时水可以装满过滤器而不致向过滤器里倒水，这时水可以装满过滤器而不致漏出。漏出。如果用手指摸一下过滤器的底部，水立即表从小如果用手指摸一下过滤器的底部，水立即表从小孔中流出。孔中流出。1.3.4 表面张力表面张力（Surface Tension）l浮在何处浮在何处?l在一只玻璃杯在一只玻璃杯(或碗或碗)里盛水近满，把一只小的塑里盛水近满，把一只小的塑料瓶盖漂浮于水面，观察瓶盖静止时所停的位置，料瓶盖漂浮于水面，观察瓶盖静止时所停的位置，拨动瓶盖重新观察，可以看到拨动瓶盖重新观察，可以看到瓶盖每次都停在靠瓶盖每次都停在靠杯壁的地方杯壁的地方，即使我们把瓶盖拨向水面中央也是，即使我们把瓶盖拨向水面中央也是如此。如此。l慢慢地向杯内注入清水，由于表面张力慢慢地向杯内注入清水，由于表面张力水面能高水面能高出杯口很多也不至溢出出杯口很多也不至溢出。观察这时瓶盖所在的位。观察这时瓶盖所在的位置，可以看到，不管怎样拨动，置，可以看到，不管怎样拨动，瓶盖每次都停在瓶盖每次都停在水面正中的位置水面正中的位置，即使把它拨到边上也还是要浮，即使把它拨到边上也还是要浮到中间来，就好像有力在拉着到中间来，就好像有力在拉着一样一样。1.3.4 表面张力表面张力（Surface Tension）度量：度量：表面张力的大小以表面张力系数表面张力的大小以表面张力系数表示，表示，是指作用在单位长度上的表面张