目录

研究内容

基本任务

研究对象

研究方法

流体的概念

连续性介质假设

流体质点和流体微团

流体的主要物理性质

流体的黏性

牛顿内摩擦定律公式的适用范围

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流体力学的研究内容

研究流体平衡与运动的规律以及流体与固体之间相互作用规律的一门学科。

流体力学的基本任务

建立流体运动的基本方程，确定流体经过各个通道的速度、压力等分布规律，探讨过程中能力的损失和转换的计算方法，解决实际工程中流体与其接触面之间相互作用的关系。

研究对象

流体，包括液体和气体。

研究方法

理论方法、数值方法和实验方法相互结合。

理论方法主要用来找出流动问题的主要因素，进行适当的假设，建立合适的理论模型，再运用数学方法求解流场，揭示流体运动的规律。

实验方法主要是对所研究的问题，选择合适的无量纲参数建立对应的实验模型，在试验中观察或统计实际流动现象，得到流动规律。

数值方法主要是根据实际的理论模型进行适当的简化（也可以不做简化，依情况而定），利用数值计算方法进行求解需要借助计算机或者专业的软件进行模拟，如fluent、cfx、ABAQUS等仿真软件。

流体的基本概念

定义：具有流动性的物质，包括液体和气体。流动性主要指的是在微小剪切力的作用下，流体产生连续的剪切变形。主要变现出：不能承受拉力，不能承受剪切力。

对于牛顿流体而言（如水和空气）切应力与应变对时间变化率成比例，对于弹性体（固体），其切应力与应变成比例。

固体与流体的区别：对外力的抵抗能力不同。固体可以承受压力、拉力和剪切力，静止的流体只能承受压力。流体具有流动性，而固定不具有流动性，有确定的形状大小。

液体和气体的区别

• 气体容易压缩，而液体不容易压缩
• 液体有一定的体积，但是气体没有确定的体积，随着容器的变化而变化
• 液体的流动性小于气体

连续性介质假设

定义：将流体看成无数多个极小的流体微团连续不断紧密接触的组成物质。

流体微团需要具备的两个条件：足够多的分子和体积很小。

连续介质假设的物理意义：将微观问题转换为宏观问题来处理，从而可以利用数学分析中连续函数来解决流体平衡和运动的问题。

流体质点和流体微团

流体质点：几何上看是一个点，没有尺度，微观上流体质点又包含了众多的流体分子。物理上具有流体的物理属性。

流体微团：虽然微团体积很小，但是有尺度，有表面积，可以作为一阶、二阶等微量处理。流体微团中包含了众多的流体质点，流体质点中包含众多的流体分子。

流体的主要物理性质

密度、重度

密度的影响因素：液体的压力通常不随着压力变化，除了非常大的压力情况下。但是液体的密度会随着温度有所改变；气体密度和压力温度都有关系；对于一些低压情况下的气体可以当做理想气体来处理，可以利用理想气体的状态方程来计算，pv=RgT，高压情况下的气体需要按照实际气体计算。

压缩性、膨胀性

压缩性：流体的体积随着压力变化而变化的属性，用体积压缩率k或者体积模量K来表示。

,

一般气体的压缩性大于液体的压缩性。当流体的压缩性对于所研究的流动影响不大的时候可以忽略。

膨胀性：流体的体积随着温度的变化而变化的属性。

一般气体的膨胀系数大于液体的膨胀系数。

流体的黏性

牛顿内摩擦定律

对于运动的流体，当流体的质点间存在相对运动时，由于流体的黏性作用，在流体内部流层之间会出现切向力，称为内摩擦力。

内摩擦力

由于流体质点附着于固体避上所以下板流体的速度为0，上板流体的速度和上板运动的速度相等。

对于两块板之间间距不大，板的运动速度不大的情形，板间沿着法向方向的点流速可以看成线性分布。

   

上式为牛顿内摩擦定律公式。其中为动力粘度，表征流体抵抗变形的能力，它和密度的比值称为运动粘度。

牛顿内摩擦定律公式的适用范围

• 适用于液体气体。
• 流体内产生相对运动就会产生内摩擦力来抵抗这种相对运动。
• 切应力的大小和流体的粘度以及沿运动垂直方向上的速度梯度du/dy成正比。
• 切应力是成对出现的，快层作用于慢层上的是动力，其方向和运动方向一致。
• 当流体静止时，流体没有内摩擦力或者黏性切应力。
• 牛顿内摩擦力只适用于层流流动，不适用于稳流流动。

粘度表示方法

动力粘度也称为绝对粘度，用符号μ表示，直接反应流体黏性的大小。

运动粘度没有明确的物理意义。

恩氏粘度是一种相对粘度，它仅适用于液体，用符号表示。

换算关系：

粘度的影响因素

本身的性质，温度和压强。

牛顿流体和非牛顿流体

遵守牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，反之为非牛顿流体。

常见的牛顿流体有水、空气等，非牛顿流体有泥浆、油漆等。

实际流体和理想流体

实际流体都具有粘性。当黏性力对流体流动影响很小时，此时流体的粘度可以忽略不计，这种无粘度的假象的流体模型称为理想流体。引入理想流体极大的简化了流体力学计算。

作用在流体上的力：表面力和质量力

表面力：作用在流体表面上并和作用表面成比例的力。

表面力可以按照作用的方向分为：法向表面力（压力）和切向表面力（摩擦力）

质量力：作用在流体全部质点上并与受作用的流体质量成比例的力。如重力、惯性力等。