流体力学基础PPT课件.ppt

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1、第三章 沉积学相关的流体力学基本原理,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、 概述 二、 流体的粘滞性和内摩擦定律 三、 急流、缓流和福劳德数 四、 层流、紊流与雷诺数 五、 悬浮载荷和旋涡紊动作用 六、 空气的几个流体力学问题,一、 概 述,沉积学中沉积机理的研究与流体力学的关系极为密切。 流动的物质为流体。从力学的性质讲，流体是一种受任何微剪切力都能连续变形的物质。流体具有容易变形(流动)的特征，这就是流体的流动性。 与沉积作用有关的流体：水、空气。 流体力学：研究流体在静止和运动时的力学规律，研究流体与其它物体(在沉积学中主要是碎屑沉积物)之间的相互作用。 研究内容包括两个方面： 1、

2、流体的类型与性质 2、流体所受的力,一、 概 述,流体所受的力有：惯性力、万有引力、重力、粘滞力、弹性力、表面张力等。 流体力学亦是以牛顿运动三定律为基础的。即流体的运动主要是受机械运动的定律所制约。机械运动的矛盾是作用力和反作用力的相互作用。 在流体运动中重力、粘滞力、弹性力和表面张力都是可以改变流体原有状态的作用力，唯有惯性力是维持流体原有运动状态的反作用力。因此，简单地说，流体运动就是惯性力 (反作用力)与其它作用力(重力、粘滞力、弹性力、表面张力)的相互作用的结果。作用力和反作用力相等时使流体保持平衡。,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、 概述 二、 流体的粘滞性和内摩擦定律 三

3、、 急流、缓流和福劳德数 四、 层流、紊流与雷诺数 五、 悬浮载荷和旋涡紊动作用 六、 空气的几个流体力学问题,二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念 动板实验： 设有两块平行的平板，其间充满静止流体。当下板固定不动，上板以匀速平行下板运动时，两板之间的流体便处于不同速度的运动状态，即：附着在动板下面的流体层的运动速度与动板的速度相等，愈往下速度愈小，直到附着在定板上的流体层的速度为零(线性速度分布规律如右图)。 实验说明： 每一运动速度较慢的流体层，都是在运动速度较快的流体层带动下才发生运动的。同时，运动较快的流体层(快层)也受到运动较慢的流体层(慢层)的阻滞，而不能运动得更快。,

4、二、 流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念 动板实验说明，每一运动速度较慢的流体层，都是在运动速度较快的流体层带动下才发生运动的。同时，运动较快的流体层(快层)也受到运动较慢的流体层(慢层)的阻滞，而不能运动得更快。根据作用力与反作用力的原理，相邻流体产生相对运动时，快层对慢层产生一个拖曳力(作用力)，使慢层加速；相反，慢层对快层产生一个方向相反的阻滞力(反作用力)，使快层减速。 拖曳力和阻滞力是大小相等方向相反的一对力，它们分别作用在两个流层的接触面上，又因为这一对力是在流体的内部产生的；所以把这一对力叫做内摩擦力(或称为粘滞力)。流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形；但在运动状态下

5、，流体具有抵抗剪切变形的能力，称为粘滞性。,二、 流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念 根据作用力与反作用力的原理：相邻流体产生相对运动时，快层对慢层产生一个拖曳力(作用力)，使慢层加速；相反，慢层对快层产生一个方向相反的阻滞力(反作用力)，使快层减速。 拖曳力（剪切应力）：把加快流体运动的力。 阻滞力： 阻止流体运动的力。 内摩擦力(粘滞力) ：一对大小相等、方向相 反的拖曳力和阻滞力称为 内摩擦力(粘滞力)。 流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形；但在运动状态下（在切力作用下），流体具有抵抗剪切变形的能力，称为粘滞性。,二、 流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念 在河道中的

6、流水，因受固体边界影响，使得由河底往上流速逐渐增大，由于各水层的流速不同，各水层之间就要产生相对运动，从而产生成对的切力。即快层对慢层产生一种拖曳力，其方向与流向一致；反之，慢层对快层要产生一种阻滞力，其方向与流向相反。,二、 流体的粘滞性和内摩擦定律,（二）牛顿内摩擦定律 根据内摩擦力(T)的性质，它与接触面积(A)和相对速度差(du)成正比，而与垂直距离(dy)成反比，这一结论称为牛顿内摩擦定律(或粘滞定律)，可表示为： T=A（du/dy） 式中 T：内摩擦力(牛)； du/dy：流速梯度(秒-1)(沿垂直水流方向单位距离的流速变化值也称剪切变形率)。 A： 接触面积(m2) ：与流体种

7、类、温度有关的系数，称为动力粘滞性系数(帕秒，即PaS)。,11,粘滞系数,粘滞系数：作用在1cm2上的粘滞力规定为流体的粘滞系数(单位：泊)。表示流体粘滞性的大小。 粘滞系数随温度而变，当温区升高时，液体的粘滞系数减小，而气体则增加。下表为几种流体的粘滞系数:,二、 流体的粘滞性和内摩擦定律,（二）牛顿内摩擦定律 上述内摩擦定律不是所有的流体都能适用。凡是服从内摩擦定律的流体称作牛顿流体，即在温度不变的条件下，随着流速梯度(du/dy)和剪切应力()的变化，值保持一常数(右图中的A)。 为粘滞切应力，代表单位面积上的内摩擦力。 = (du/dy),二、 流体的粘滞性和内摩擦定律,（二）牛顿内

8、摩擦定律 气体和分子结构简单的液体，如空气、水及油液等均属于牛顿流体。牵引流为牛顿流体。把不服从内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。例如沉积物重力流、血液、高分子液体等是非牛顿流体。牛顿流体的摩擦力与速度梯度du/dy呈线性关系，而非牛顿流体不是线性关系。 有的流体值随剪切变形率的增加而减小或加大，如右图中的C、D，分别称作假塑性流体和膨胀性流体。有的流体只有当切应力达到某一值(0)后才开始流动，如图右1中的B，称作宾汉流体。沉积物重力流即属宾汉流体。,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、 概述 二、 流体的粘滞性和内摩擦定律 三、 急流、缓流和福劳德数 四、 层流、紊流与雷诺数 五、 悬浮载

9、荷和旋涡紊动作用 六、 空气的几个流体力学问题,三、 急流、缓流和福劳德数,按边界条件的不同，液体流动可分为管道流和明渠流两种类型。前者是液体充满了管道的流动，为有压流；后者的液体有与大气接触的自由表面，如河道、水渠，是在重力作用下的流动，为无压流。流体流动的规律大多是研究管道流获得的，但也适用于明渠流。沉积学所研究的对象大多是明渠流，明渠水流中按流动强度可分为急流、缓流和临界流三种流态。,三、 急流、缓流和福劳德数,急流和缓流表示流体的流动强度。它们定性的区别可观察流水遇到障碍物(大石块、桥墩等)时的表现，即缓流在障碍物处发生水面跌落，而障碍物上游水面发生壅高，并延伸到上游相当远处；而急流在

10、障碍物处激起浪花，一涌而过，只在障碍物附近的水面有所升高，而对稍远的上游水面不发生任何影响。这表明缓流能将障碍物的干扰向上游传播，而急流只能引起局部干扰，不能向上游传播。,急流（a）和缓流（b）遇到障碍物时的流动特点,三、 急流、缓流和福劳德数,急流和缓流的定量判别准则是福劳德数(Froude number)，即 式中： Fr：福劳德数； V：流速； g：重力加速度； h:水深 福劳德数是一个无量纲数。,三、 急流、缓流和福劳德数,福劳德数的力学意义在于： 当Fr=1时， 说明水流受惯性力与重力作用相等,为临界流； 当 Fr1时， 惯性作用大于重力作用，水流为急流； 当Fr1时， 惯性力作用小

11、于重力作用，水流为缓流。 或者说，急流是惯性力起主导作用下的流动，缓流是重力起主导作用下的流动。,三、 急流、缓流和福劳德数,由上述力学意义分析可看出，急流和缓流的变化是受重力控制，故这种流态变化只出现在明渠流中，管道流中不存在，因为它不受重力影响。 明渠条件下，要使Fr值达到1，要求在水深10m时，流速达9.9m/秒，这样高的流速在自然界中极为罕见，在浅水的海洋环境中，一般只有2m/秒的速度。 Fr = V / (gh)1/2，若 Fr = 1， V = 2 m/s， 得 h = 0 . 45 m 因此，急流一般是局部地段或几厘米几米的浅水条件下出现。,小 结： 福劳德数：是一个无量纲数，是

12、用于流体在明渠条件下的流动体制（或流动强度）的无量纲数；是判别急流和缓流的定量准则。 Fr=惯性力/重力=v/（gh）1/2 缓流： Fr1，惯性力大于重力，是惯性力起主导作用下的流动。,21,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、 概述 二、 流体的粘滞性和内摩擦定律 三、 急流、缓流和福劳德数 四、 层流、紊流与雷诺数 五、 悬浮载荷和旋涡紊动作用 六、 空气的几个流体力学问题,四、 层流、紊流与雷诺数,1883年英国物理学家雷诺通过大量的实验发现，流体存在着两种不同的流动状态： 层流和紊流(又称为湍流)。,四、 层流、紊流与雷诺数,雷诺水槽实验： 微开阀门A，再将阀门B打开，使红颜色水

13、流入玻璃管中，观察显示红色液流质点的运动轨迹。此时，由于管内流速较慢，流体质点的运动有条不紊，呈不混杂并呈现分层流动的状态，这种流态称为层流（右图a）。 阀门A开大，流束呈现波纹状，上下摆动，称此为过渡状态（右图b）。 阀门A继续开大，使管中流速增大，直到流体质点的运动呈分层流动状态被破坏，发生互相混杂，并且有纵向脉动，这种流动状态为紊流（右图c）。,四、 层流、紊流与雷诺数,从上实验可知随着水流流速加大，层流可以转变为紊流；反之，随着水流流速减小，紊流也可以转变为层流，这种流体形态转变时的平均流速(V)叫做临界流速(Vk)。,四、 层流、紊流与雷诺数,雷诺通过实验表明，流动形态不仅与流速有关

14、，还与流体的粘滞系数(-动力粘滞系数，单位为千克/米米或帕秒或牛秒/米2；运动粘滞系数，=/，的单位为米2/秒)和密度()，以及流体所通过的管道直径(d)有关。当V、d愈大就愈易转变为紊流，或愈大则愈不易转变为紊流。而且还发现临界流速也是随、()、d值不同而变化，因此临界流速不能作为流态的判别准则。但雷诺还发现，不论、d如何变化，流动形态转变时的(VKd)/或(VKd)/值却比较固定，而且是一个无量纲数。将平均流速(V)、管道直径(d)、粘滞系数(或)和密度()归纳为一个无量纲数，称为雷诺数(Reynods number-Re)。,四、 层流、紊流与雷诺数,雷诺数表达公式： Re=惯性力/粘滞

15、力=(Vd)/= (Vd/) 式中： V-平均流速； d-管道直径； -密度， -动力粘滞系数； 运动粘滞系数。,四、 层流、紊流与雷诺数,在管道条件下： 当Re2320时为紊流，紊流是一种充满了旋涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混。,值得注意的是，在明渠条件下，层流与紊流的雷诺数值范围与管道条件是不同的(即临界雷诺数不等于2320)。它应该用水力半径(R)代替管道直径(d)来计算临界雷诺数，因R=(1/4) *d，所以明渠流的临界雷诺数(Rek)应为500。,小 结： 雷诺数：表示流体的流动状态的无量纲数；是判别层流和紊流的定量准则；R

16、e=贯性力/粘滞力=Vd/=Vd/。,第三章 小 结,主要概念： 流体 流体的粘滞性 内摩擦定律 牛顿流体 非牛顿流体 福劳德数 急流 缓流 雷诺数 层流 紊流,第三章 小 结 流体的分类,一、据粘滞性（内摩擦力）划分： 1、牛顿流体（如牵引流） 2、非牛顿流体，包括：（1）宾汉流体（如重力流） （2）假塑性流体 （3）膨胀性流体 二、据边界条件和流动强度划分： 1、管道流 2、明渠流（据福劳德数）划分：（1）急流 （2）缓流 （3）临界流 三、据流动状态（据雷诺数）划分：1、层流 2、紊流,第三章 沉积学相关的流体力学基本原理 结 束 谢谢大家,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、 概述

17、 二、 流体的粘滞性和内摩擦定律 三、 急流、缓流和福劳德数 四、 层流、紊流与雷诺数 五、 悬浮载荷和旋涡紊动作用 六、 空气的几个流体力学问题,关于管道直径与水力半径的换算（1） 水在管道或明渠中流动时，垂直流动方向的流水横断面称作过水断面(A)。如流速不变，过水断面愈大，流量也就愈大(即过水能力愈大)，否则相反。 过水断面与固体边界接触的线段长度称为湿周(X)，充满水的管道其湿周为圆周，河流的湿周为河底宽度和两则壁面高度之和。当管道和河流的过水断面相等时，二者的湿周可不同。 湿周愈大，阻力愈大，在其它条件相同时，过水能力就愈低，否则相反。 过水断面和湿周都反映了过水能力，在水力学中用水力半径(R) 表示过水能力，即： R = A / X 水力半径愈大，过水能力愈大，反之则小。 水力半径在明渠流中不等于水深。,关于管道直径与水力半径的换算（2） 水力半径在管道中，管道直径(d)与水力半径之间关系如下： 1) 管道过水断面：r2=(d/2)2=d2/4 (1) (r=管道半径；d=管道直径) 2） 按水力半径来计算过水断面：A=XR 其中若湿周(X)为圆周，即： X=2r=2(d/2)=d A=dR (2) (1)式与(2)式应相等，即：（d2）/4=dR R=（1/4）d,