流体力学第一章概述

较为全面和系统总结了流体力学的基本概念，是学习流体力学的基础，希望能有所帮助

流体力学第一章概述

• 流体的定义
  • 通俗定义：能流动的物质叫流体
  • 力学定义：在任何微小剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体
• 流体的特征
  • 1.受力状态
    • 运动
      • 法向应力
      • 切向应力
    • 静止
      • 其作用面上仅能承受法向应力，这一应力是压缩应力即静压强
  • 2.角变形速度和剪切应力有关，在层流状态下，二者服从牛顿内摩擦定律
  • 3.变形
    • 当作用力停止作用时，流体能够停止变形，但不能返回原来位置（覆水难收）
  • 4.形状
    • 无固定形状
• 流体的分类
  • 根据有无粘性
    • 理想流体
      • 无粘性，运动时只有法向力而没有粘性剪切力
    • 粘性流体（又称实际流体）
  • 根据剪切力与流体微团的变形角速度是否成正比
    • 牛顿流体：水、空气、其他气体等
    • 非牛顿流体：牙膏、蜂蜜、纸浆等
• 连续介质模型
  • 描述
    • 在流体力学研究中将流体作为由无穷多稠密、没有间隙的流体质点构成的连续介质，这就是1755年欧拉提出的“连续介质模型”
  • 目的
    • 在连续性假设之下，表征流体状态的宏观物理量，如速度、压强、密度、温度等，在都是时间和空间上连续分布的，都可以作为空间和时间的连续函数，从而可以用数学工具研究（该模型是后面用微分方程解决流体力学问题的基础）
  • 流体质点
    • 构成流体的基本单位
    • 含义
      • 这里所说的流体质点是包含有足够多流体分子的微团
        • 宏观上
          • 流体微团尺度充分小，小到在数学上可以用一个点来处理
        • 微观上
          • 微观尺度足够大，可以包含足够多的流体分子
  • 局限性
    • 应用条件
      • 研究所涉及的物体的特征长度与分子的平均自由行程相比足够大
    • 不适用举例
      • 高空稀薄空气中运动的飞行器，以为其物体特征长度与分子平均自由行程在同一数量级
• 3个基本物理量
  • 密度
    • 物理意义：表征流体在空间的密集程度
    • 公式
      • 非均质流体
      • 均质流体
    • 典型流体密度
      • 水：1000kg/m³（4℃）
      • 水银：13.55（13.6）kg/m³（这两种都行，有时题目会给，有时候不给）
  • 相对密度
    • 物理意义
      • 在标准大气压下流体的密度与4℃时纯水的密度比值，用d表示
    • 公式
  • 比体积
    • 物理意义
      • 单位质量流体所占体积，即密度的倒数，符号用υ表示
    • 公式
      • 单位：m³/kg
• 流体的物理特性
  • 压缩性（压强与体积的关系）
    • 压缩性系数k
      • 物理意义：在一定温度下，单位压强增量引起的体积变化率
      • 公式
        • （单位：㎡/N）
      • 在同样的压强增量下，k越大，体积变化率越大，越容易压缩
    • 体积弹性模量K
      • 物理意义：压缩性系数k的倒数
      • 公式
        • （单位：Pa）
      • 水的体积弹性模量一般取2GPa。
    • 压缩
      • 等温压缩
        • 气体弹性模量等于作用在气体上的压强
      • 等熵压缩
        • 气体的弹性模量等于等熵指数和压强的乘积
  • 膨胀性（温度与体积的关系）
    • 体积膨胀系数
      • 当压强一定时，单位温度增量引起的体积变化率
      • 公式
        • （单位：1/K或1/℃）
  • 粘性（流体的内摩擦性质）
    • 特点
      • 流体都是有粘性的，流体流动时产生的内摩擦性质称为流体的粘性
      • 粘性是流体的固有属性，但只有在运动状态下才能显示出来
    • 影响因素
      • 流体分子间的作用力（液体的主要因素）
      • 流体分子的热运动（气体的主要因素）
    • 牛顿内摩擦定律
      • 公式
        • • :切应力
          • ：动力粘度，单位Pa·s
          • ：速度梯度
      • 适用条件；仅适用于层流流动情况
      • 说明
        • 粘性剪切力与速度梯度成正比，在一定条件下，速度梯度越大，剪切应力越大；
        • 当速度梯度为0时，粘性剪切力为零，流体的粘性不表现，如：流体静止或均匀流动
          • 解释了静止为何不显粘性
        • 流体流动时的速度梯度时流体微团微观角变形速度的宏观体现，即速度梯度等于流体微团的角变形速度
    • 运动粘度
      • 物理意义：流体动力粘度与密度的比值
      • 公式
        • 单位：㎡/s
          • 气体：15×10-6㎡/s
          • 水：1×10-6㎡/s
      • 注意事项：运动粘度只是运动粘度与密度一个比值，不是流体的固有属性
  • 表面性质（内聚力产生）
    • 表面张力
      • 用σ表示，单位：N/m
      • 一般数值很小，不予以考虑；只有在自由液面尺寸很小时才予以考虑，如细小玻璃管，多孔介质中液体自由液面
        • 液体与气体的交界面
    • 毛细现象
      • 浸润
        • 内聚力＜附着力；液面上升，液面上凹
      • 不浸润
        • 内聚力＞附着力；液面下降，液面上凸
  • 作用在流体上的力
    • 重点！！
    • 表面力
      • 分离体以外的其他物体作用在分离体表面的力，如压力
    • 质量力
      • 定义
        • 某种力场作用在流体上的力，其大小与流体的质量或体积成正比
      • 主要分类
        • 重力
        • 惯性力
          • 物体由于有加速度而产生的力，F=ma
      • 单位质量力
        • 定义
          • 流体力学中把单位质量的流体受到的质量力称为单位质量力
        • 表示方法
          • 注意：fx，fy，fz的正负由坐标系的选取有关
• 总述
  • 本章内容简单，都是一些概念性的东西，考试多以选择题形式出现
  • 本章是后面学习的基础，其中作用在流体上的力的部分，在后面都有用到，是对流体受力分析的方向：找表面力与质量力
  • 应记住一些物理量的单位，蓝色标注出的部分，是后面量纲分析的基础
• 浮动主题