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流体力学课件

2024-03-19 08:14:34 收藏本文下载本文

“lyly”通过精心收集，向本站投稿了4篇流体力学课件，以下是小编为大家整理后的流体力学课件，希望对大家有所帮助。

流体力学课件

篇1：流体力学课件

一、流体的基本特征

1.物质的三态

在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。

流体和固体的区别:从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。

固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。

流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。

液体和气体的区别：气体易于压缩;而液体难于压缩;液体有一定的体积，存在一个自由液面;气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。

液体和气体的共同点：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。

2. 流体的连续介质模型

微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有3.3×1022个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm。

宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。

(1) 概念

连续介质(continuum/continuous medium)：质点连续充满所占空间的流体或固体。

连续介质模型(continuum continuous medium model)：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：u =u(t,x,y,z)。

(2)优点

排除了分子运动的复杂性。物理量作为时空连续函数，则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题。

3.流体的分类

(1)根据流体受压体积缩小的性质，流体可分为：

可压缩流体(compressible flow)：流体密度随压强变化不能忽略的流体。

不可压缩流体(incompressible flow)：流体密度随压强变化很小，流体的密度可视为常数的流体。

注：

(a)严格地说，不存在完全不可压缩的流体。

(b)一般情况下的液体都可视为不可压缩流体(发生水击时除外)。

(c)对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。

(d)管路中压降较大时，应作为可压缩流体。

(2)根据流体是否具有粘性，可分为：

实际流体：指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力。

理想流体：是指既无粘性又完全不可压缩流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。

二、惯性

一切物质都具有质量，流体也不例外。质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大。单位体积流体的质量称为密度(density)，单位：kg/m3。

三、压缩性

1.压缩性

流体的可压缩性(compressibility)：作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。压缩性可用体积压缩率k来量度。

2.体积压缩率k

体积压缩率k(coefficient of volume compressibility)：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值。

3.体积模量K

流体的压缩性在工程上往往用体积模量来表示。体积模量K(bulk modulus of elasticity)是体积压缩率的倒数。

k与K随温度和压强而变化，但变化甚微。

说明：a. K越大，越不易被压缩，当K时，表示该流体绝对不可压缩。

b. 流体的种类不同，其k和K值不同。

c. 同一种流体的k和K值随温度、压强的变化而变化。

d. 在一定温度和中等压强下，水的体积模量变化不大

一般工程设计中，水的K=2×109 Pa ，说明Dp =1个大气压时，。Dp不大的条件下，水的压缩性可忽略，相应的水的密度可视为常数。

四、粘度

1.粘性

粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质。

2.粘度

(1)定义

流体的粘度：粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的'动量交换所引起的。

(2)分类

动力粘度：又称绝对粘度、动力粘性系数、粘度，是反映流体粘滞性大小的系数，单位：N"s/m2。

运动粘度ν：又称相对粘度、运动粘性系数。

(3)粘度的影响因素

流体粘度的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化。

1)流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。

2)压强。对常见的流体，如水、气体等，m值随压强的变化不大，一般可忽略不计。

3)温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。

a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以m值减小。

b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的

结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度增加。

3.牛顿内摩擦定律

a. 牛顿内摩擦定律：液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。

说明：

1)流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。——区别于固体的重要特性:固体的切应力与角变形的大小成正比。

2)流体的切应力与动力粘度m成正比。

3)对于平衡流体du /dy =0，对于理想流体m=0，所以均不产生切应力，即t =0。

b.牛顿平板实验与内摩擦定律

2.牛顿流体、非牛顿流体

牛顿流体(newtonian fluids)：是指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。

非牛顿流体：不符合上述条件的均称为非牛顿流体

篇2：流体力学的课件

流体力学的发展简史

出现

流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。中国有大禹治水疏通江河的传说。秦朝李冰父子(公元前3世纪)领导劳动人民修建了都江堰，至今还在发挥作用。大约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。

对流体力学学科的形成作出贡献的首先是古希腊的阿基米德。他建立了包括物体浮力定理和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展。

15世纪意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题。

17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

发展

17世纪力学奠基人I. 牛顿研究了在液体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了以下假设：即两流体层间的摩阻应力同此两层的相对滑动速度成正比而与两层间的距离成反比(即牛顿粘性定律)。

之后，法国H. 皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的L. 欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动;伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。

欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。

从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国J.-L. 拉格朗日对于无旋运动，德国H. von 亥姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究.上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体，所以这种理论阐明不了流体中粘性的效应。

理论基础

将粘性考虑在内的流体运动方程则是法国C.-L.-M.-H. 纳维于18和英国G. G. 斯托克斯于1845年分别建立的，后得名为纳维-斯托克斯方程，它是流体动力学的理论基础。

由于纳维-斯托克斯方程是一组非线性的偏微分方程，用分析方法来研究流体运动遇到很大困难。为了简化方程，学者们采取了流体为不可压缩和无粘性的假设，却得到违背事实的达朗伯佯谬——物体在流体中运动时的阻力等于零。因此，到19世纪末，虽然用分析法的流体动力学取得很大进展，但不易起到促进生产的作用。

与流体动力学平行发展的是水力学(见液体动力学)。这是为了满足生产和工程上的需要，从大量实验中总结出一些经验公式来表达流动参量之间关系的经验科学。

使上述两种途径得到统一的是边界层理论。它是由德国L. 普朗特在19创立的。普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了许多新概念，并广泛地应用到飞机和汽轮机的.设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使上述两种情况得到了统一。

飞机和空气动力学的发展

20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定了它指导工程设计的重大意义。

机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上，又迅速扩展了从19世纪就开始的，对空气密度变化效应的实验和理论研究，为高速飞行提供了理论指导。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。

分支和交叉学科的形成

从20世纪60年代起，流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等;原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定量的研究，生物流变学就是一个例子。

以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。

这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。从50年代起，电子计算机不断完善，使原来用分析方法难以进行研究的课题，可以用数值计算方法来进行，出现了计算流体力学这一新的分支学科。与此同时，由于民用和军用生产的需要，液体动力学等学科也有很大进展。

20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力学问题的有限元法。经过十多年的发展，有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中，优越性更加显著。21世纪以来又开始了用有限元方法研究高速流的问题，也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。

篇3：流体力学的课件

流体力学的学科内容

基本假设

连续体假设

物质都由分子构成,尽管分子都是离散分布的,做无规则的热运动.但理论和实验都表明,在很小的范围内,做热运动的流体分子微团的统计平均值是稳定的.因此可以近似的认为流体是由连续物质构成,其中的温度,密度,压力等物理量都是连续分布的标量场.

质量守恒

质量守恒目的是建立描述流体运动的方程组.欧拉法描述为:流进绝对坐标系中任何闭合曲面内的质量等于从这个曲面流出的质量,这是一个积分方程组,化为微分方程组就是:密度和速度的乘积的散度是零(无散场).用欧拉法描述为:流体微团质量的随体导数随时间的变化率为零。

动量定理

流体力学属于经典力学的范畴。因此动量定理和动量矩定理适用于流体微元。

应力张量

对流体微元的作用力，主要有表面力和体积力，表面力和体积力分别是力在单位面积和单位体积上的量度，因此它们有界。由于我们在建立流体力学基本方程组的时候考虑的是尺寸很小的流体微元，因此流体微团表面所受的力是尺寸的二阶小量，体积力是尺寸的三阶小量，故当体积很小时，可以忽略体积力的作用。认为流体微团只是受到表面力(表面应力)的作用。非各向同性的流体中，流体微团位置不同，表面法向不同，所受的应力是不同的，应力是由一个二阶张量和曲面法向的内积来描述的，二阶应力张量只有三个量是独立的，因此，只要知道某点三个不同面上的应力，就可确定这个点的应力分布情况。

粘性假设

流体具有粘性，利用粘性定理可以导出应力张量。

能量守恒

具体表述为：单位时间内体积力对流体微团做的功加上表面力和流体微团变形速度的乘积等于单位时间内流体微团的内能增量加上流体微团的动能增量。

流体力学分支

流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体。所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。

地球流体力学

大气和水是最常见的两种流体。大气包围着整个地球，地球表面的百分之七十是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容，属于地球流体力学范围。

水动力学

水在管道、渠道、江河中的运动从古至今都是研究的对象。人们还利用水作功，如古老的水碓和近代高度发展的水轮机。船舶一直是人们的交通运输工具，船舶在水中运动时所遇到的各种阻力，船舶稳定性以及船体和推进器在水中引起的空化现象，一直是船舶水动力学的研究课题。这些研究有关水的运动规律的分支学科称为水动力学。

气动力学

20世纪初世界上第一架飞机出现以来，飞机和其他各种飞行器得到迅速发展。20世纪50年代开始的航天飞行使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。

渗流力学

石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一渗流力学研究的主要对象。渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤，燃烧室的冷却等技术问题。

物理-化学流体动力学

燃烧煤、石油、天然气等，可以得到热能来推动机械或作其他用途。燃烧离不开气体。这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物理-化学流体动力学的内容之一。爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学，从而形成了爆炸力学。

多相流体力学

沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工流态化床中气体催化剂的运动等都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题。这类问题是多相流体力学研究的范围。

等离子体动力学和电磁流体力学

等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。研究等离子体的运动规律的学科称为等离子体动力学和电磁流体力学(见电流体动力学，磁流体力学)。它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动(见宇宙气体动力学)等方面有广泛的应用。

环境流体力学

风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动;废气和废水的排放造成环境污染;河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀;研究这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学(其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学)。这是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。

生物流变学

生物流变学研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题，例如血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动(见循环系统动力学、呼吸系统动力学)和植物中营养液的输送(见植物体内的流动)。此外，还研究鸟类在空中的飞翔(见鸟和昆虫的飞行)，动物(如海豚)在水中的游动，等等。

因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。以上主要是从研究对象的角度来说明流体力学的内容和分支。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学;从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。

篇4：流体力学基础课件

流体力学基础课件

教学目标

知识

技能1、了解气体的压强与流速的关系。

2、了解飞机的升力是怎样产生的。

3、了解生活中跟气体的压强与流速有关的现象。

过程

方法1、通过现象，认识气体的压强跟流速有关的现象。

2、通过学习飞机的升力，体验由气体压强差异产生的力情感态度初步领略气体压强差异所产生的奥妙，获得对科学的热爱、亲近感。

教学重点通过探究得到气体压强与流速的关系。

教学难点用流速与压强的关系分析生活中的实际问题。

教学用具纸、飞机机翼模型、气球、纸船、水盆等

教学过程设计

教学内容及教师活动学生活动

设计意图

情境导入

引言：前面我们学习了液体压强和气体压强，而气体和液体都能流动，当气体和液体流动起来时，压强又会有什么样的特点呢？现在同学们做个游戏

硬币“跳高”比赛，教师示范，学生完成后思考：

（1）谁与硬币接触了？

（2）吹气造成了硬币的上下表面的气体发生了什么变化？

（3）硬币上下表面的压强如何变化才能使它飞起来？

（4）为什么有的同学的硬币飞的更高一些呢？

合作探究

继续实验：（1）、点燃一支蜡烛。让学生猜想往火焰左侧吹气时将会出现什么现象？（最好用吸管吹）

找一学生做该实验。分析实验现象并表扬猜对的同学

（2）、做吹纸的实验：见课本91页“探究”。找一学生分析实验现象

根据上面做过的几个实验你有什么发现？

1、在气体中流速越大的位置压强越小。（板书）

思考：你能否利用刚才实验中的纸再设计其它实验来验证我们得到的结论？

例如：（1）、将一张纸靠在嘴唇下，另一端自然下垂，沿纸的上方水平吹气，观察手中的纸会怎么样？

（2）、将纸折成“桥”状，从桥下吹气，观察纸桥有什么变化？

学生思考，观察教师实验

看书91页想想议议，分组完成游戏，思考回答问题，硬币向上飞的过程中，只有空气与它接触；吹气时造成硬币上下表面空气的流速不同；硬币上表面的压强小于下表面的压强；有的同学使硬币上下压强差更大一些。

学生根据刚才的实验结论提出自己的猜想。

学生看书91页“探究”自己动手做该实验分析实验现象

学生提出自己的发现

学生思考新的实验方法

谈谈自己的新方法

学生做实验

游戏的引入激发学生的学习兴趣，鼓励学生深入思考实验现象产生的原因

让学生认识到任何猜想和假设都不是凭空而来的，只有细心观察、勤于思考，才会有更多的灵感

培养学生的发散思维能力

教学内容及问题情境学生活动设计意图

继续探究

在液体中是否有与气体相同的特点呢？

实验（可以演示也可以分组）：事先做好两只纸船，把船放入盛有水的盆中，用玻璃棒划动两船间的水，观察纸船的情况。

2、在液体中流速越大的位置压强越小。（板书）

解释现象：打开自来水龙头会看到水向下流动的时候，为什么随着速度的增大水变得越来越细。

3、探究飞机的升力

问题：几十吨重的飞机为什么能腾空而起？秘密在于机翼。

学生拿出事先准备的机翼模型，做课本92页的想想做做。引导学生分析产生现象的原因

飞机前进时，机翼与周围的空气发生相对运动，相当于有气流迎面流过机翼。气流被机翼分成上下两部分，由于机翼横截面的形状上下不对称，在相同时间内，机翼上方气流通过的路程长，因而速度较大，它对机翼的.压强较小；下方气流通过的路程较短，因而速度较小，它对机翼的压强较大。因此在机翼的上下表面存在压强差，这就产生了向上的升力。

4、生活中跟气体的压强与流速有关的现象

举例：杜甫的诗中说到“八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅。”为什么会出现这种现象呢？

问题：你能举出一些气体流速与压强的例子或应用吗？

（1）、乒乓球的弧旋球

（2）、两艘船平行行驶时容易相撞

(3)、窗户被外面大风刮开

课堂小结

本节课我们通过大量的实验学习了以下两个方面的知识

一、实验表明：流体的压强跟流速有关，流速大的位置，压强较小。

二、机翼上下方的压强差使飞机获得竖直向上的升力

学生实验，观察实验现象

学生解释该现象