《流体力学》读书报告

《流体力学》读书报告

黄舒予 052715

生活中我们常常被流体包围着，流动的空气是流体，潺潺的河水是流体，……究竟什么是流体呢？从字面上来看，我们很可能误以为流动的物体就是流体，有或者有人认为所谓流体就是流动的液体，而我对流体最初的认识来源于阿基米德和他洗澡的故事。我想大多数人都听过阿基米德定律，一直到现在，人们还在利用这个原理计算物体比重和测定传播载重量。而在这个实验中，最重要的实验对象就是水。想必都知道水是流体，那么只要物体能流动就是流体吗？这样的解释明显与事实不符，然而，通过对流体力学的学习，我想，我可以给出一个明确的定义。

流体是液体和气体的总称。它是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力（即粘滞性）。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。和其他物体都有惯性这个属性一样，流体也有两大主要的物理特性——密度和容重。密度就是单位体积的质量即ρ=m/v。容重是指单位体积流体的重力即 =G/V。对于不同的流体，它们的密度和容重都是不同的。比如说，水的密度为1000kg/m3,容重为9807N/m3,汞的密度为13595 kg/m3，容重为13326 N/m3。换句话说，密度和容重就如同流体的标签一样，给定他们的数值，我们就能通过查表，确定究竟何种流体。在实际的应用中，假定已知某种液体的密度为1000kg/m3，我们就可以通查表找到该液体究竟是什么，倘若任何信息都未给出，则我们可以用实验仪器比如天平秤测出质量，根据玻璃杯的体积，求出密度，然后再查表得出结论。

对于流体的认识的误区之二，就是人们常以为流体必定是流动的。其实事实并非如此，流体既有动态的一面，也有动态的一面。从流体静力学的角度来看，主要表现在流体的静压强上，它有两个重要特性：一、流体静压强的方向总是沿着流体作用面的内法线方向。二、静止流体中任意一点压强的大小与起作用的方位无关。也就是说同一点的

压强各向等值。有流体平衡时的压强分布规律，引出了最有名的欧拉平衡方程，即，，

。它在重力场中的应用构成了重力场中流体的静力

学基本方程 。其中

为液体的重度，

为液面（

）上的压强。从上式中，我们可以看出1、流体内任意点的压强由两部分组成：液面上的压强和液柱自重引起的压强。2、当液面压强一定时，液体内部的压强只是坐标z的函数，压强随着淹深h的增大而增大。关于这一点我想大家都深有体会，当我们在游泳池游泳时，我们潜入池底越深，身上承受的压力感觉会越大，呼吸也就越困难，这就是由于人体上方的水的重力对人体产生压强的缘故。3、压强的分布于容器形状无关，因此在连通器内，同一种相联通的液体在同一高度上的压强相等。这里需要补充的是该连通器内装的液体必须是一样的。4

、液面压强有任何变化都会引起流体内部所有流体质点压强相同的变化。我们都知道，阴天的气压比起晴天要低一些，所以我们常常可以看到，阴雨天水里的鱼都要冒出水面，也就是说外界大气压的变化也影响了水面下方的压强变化。在实际应用中，水压机，液压传动装置就是根据这一原理来设计的。（水压机是一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压试验的机器。它主要有以下几部分组成：钢管传送装置、水路系统、油路系统和控制系统。钢管传送装置负责钢管的进出传送，水路系统负责钢管进行静水压试验时向钢管里充水打压，油路系统负责钢管静水压试验时控制封头实现管端油水压力平衡，控制系统负责整个设备的自动运行控制和试验数据的自动保存和历史数据的管理。）流体的静态特性在实际中的应用十分广泛。比如各种测压计如测压管、U型测压计、差压机等等。如果给定当时的大气压强和液体的容重或是密度，可以很方便的测出任意密闭容器或是液面任意点的压强。

U型测压计

当然，任何流体都具有一定的流动性，于是便引出了流体动力学。对于不可压缩的流体，根据流体的连续性，我们凭直观想象就知道，对于一个管道，单位时间内流进管子的液体等于流出管子的液体。用数学表达式表达为Q1=Q2,其中Q=AV，A为截面面积，V

为流速。这个公式可以解释实际生活中很多问题。比如说，当我们把水龙头开关拧大时，感觉水流速度相对比较慢，而相反，我们把水龙头开关拧小时，水流速度就显得比较大了。这是我想起了美国的农业。我们都知道，美国的农民给自家的田地灌水时，用的是自动喷水系统。那么如何做到尽可能大范围内浇到水呢？是否可能利用改变喷水口的大小，使得喷出去的水速不同，再由重力的作用，形成抛物运动，从而改变每个质点的落地位置，也就达到尽可能范围内浇到水的目的。无需很多的喷水龙头就能达到同样的效果，同时又节省了金钱，岂不是一举两得？现实生活中，我们也能常常看到水管爆裂的现象，爆裂的水管能引起10米高的水柱，这都是由于水关口径小，出水速度快而引起的。再比如，看过大海的人，都会觉得大海中的水看似静止不动的，而事实并非如此，当海水流入比较小的内陆湖时，很明显在交汇的地方水流速度会有明显的改变，此时的水流就会感觉大了许多。

流体有其静力学方程，当然也有动力学方程，也称欧拉运动微分方程

将其进行积分和整理可得伯努里方程：

或

从公式中，就可以看出，流体的动力学往往和能量相联系。说到能量，有必要谈谈能量的守恒定律，即能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。 对于波努力方程，就是利用动能和势能间的相互转换而得到的。然而，流体在传输的过程中由于沿程阻力和局部阻力等因素的存在，流体能量会减弱，于是损失的能量就阻碍了流体的正常传颂。举个最简单例子说吧，假设原计划不考虑阻力影响，流体的能量足以将水送到12楼，但由于能量的损耗，往往不能满足要求，甚至只能送到6楼，那么6楼以上的居民就不用水了吗？又或是回到以前挑水喝的时代，显然与现实不符嘛。于是，聪明的人们想到利用泵来解决这个问题，通过泵向流体提供能量来补充所损失的能量，达到输送的目的。离心泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水室。吸水室位于叶轮的进水口前面，起到把液体引向叶轮的作用；压水室主要有螺旋形压水室（蜗壳式）、导叶和空间导叶三种形式；叶轮是泵的最重要的工作元件，是过流部件的心脏，叶轮由盖板和中间的叶片组成。

离心泵工作前，先将泵内充满液体，然后启动离心泵，叶轮快速转动，叶轮的叶片驱使液体转动，液体转动时依靠惯性向叶轮外缘流去，同时叶轮从吸入室吸进液体，在这一过程中，叶轮中的液体绕流叶片，在绕流运动中液体作用一升力于叶片，反过来叶片以一个与此升力大小相等、方向相反的力作用于液体，这个力对液体做功，使液体得到能量而流出叶轮，这时液体的动能与压能均增大。

离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体。由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排出的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这时，叶轮进口处因液体的排出而形成真空或低压，吸水池中的液体在液面压力（大气压）的作用下，被压入叶轮的进口，于是，旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出液。可见，泵的作用其实相当于一个加油站。

离心泵的工作原理其实和我们日常生活中的洗衣机差不多，都是通过高速旋转的叶轮使水分子产生离心运动，所不同的事，洗衣机内部有无数小孔，使离心运动的水分子透过小孔排出去，而离心泵则只有一个孔，所有的水分子都通过该孔输送出去，所以，

水能通过离心泵一方面增加了能量克服输送过程中由于阻力丢失的能量，另一方面又能集中的向一个方向出水，达到输送的目的。

在学习流体力学的过程中，我越发觉得流体力学更是建立在实验的基础之上。在流体力学中，绝大多数重要的概念和原理都源于实验。例如，大气压强，流体的可压缩性，黏性剪应力，层流，湍流，雷诺数，卡门涡，二次流，附加质量，激波，孤立波，湍剪切流的相干结构（或称拟序结构，猝发），声障现象等；又如，完全气体的状态方程，连续性方程，能量守恒原理，达西定律，托里拆利原理，伯努利原理等。而通过雷诺数，我们则可以具体判别流体是属于层流还是紊流。当雷诺数大于2000为紊流，反之则为层流。而要使流体始终处于层流时，可以通过雷诺数求出临界速度，空气的临界速度一般为0.2/s，液体为0.1m/s左右，所以，日常生活中我们所见到的流体一般都处于紊流区。

通过对流体力学的学习，我愈发觉得它与生活的紧密联系，任何工作生活都离不开它。例如说矿井排水，生活供水供热系统等等，都离不开流体力学的相关知识，而随着工程流体力学所要解决的实际问题随着科学技术的发展日益增多，尤其是高科技领域，如汽车高速运行如何减少阻力和火箭升空的空气动力学问题都涉及到流体力学的重要指示，掌握一定的流体力学只是对将来的工作有莫大的帮助。

参考文献：

1、 周光炯，严总毅，许世雄，章克本编著. 流体力学第二版，北京：高等教育出版社.

2、 冯晓云，童树庭，袁华合编. 材料工程基础， 2004年2月.

3、 /view/84935.htm

4、 /view/33328.htm

5、 /post/centrifugal-pumps-y1.htm

6、 /wen/jy115/364.Htm

052715

黄舒予

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