2013流體力學(I)課程總結(jié).ppt
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流體力學(I)課程總結(jié),流體力學基本概念,流體力學基本原理,流體力學中的基本方法,流體力學在工程中的基本應(yīng)用,一、流體的基本概念,1流體質(zhì)點,2連續(xù)介質(zhì)假設(shè),不考慮流體分子的存在,把真實流體看成是由無限多流體質(zhì)點組成的稠密而無間隙的連續(xù)介質(zhì),甚至考慮到流體距離固體邊壁接近0的極限情況也認為如此。這個假設(shè)叫流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè),也叫稠密性假設(shè)。目的是為了用連續(xù)函數(shù)來描述流體中的物理參數(shù)。,注意兩個概念的適用條件,注意:引入連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義:排除了分子運動的復雜性,使物理量連續(xù)便于應(yīng)用數(shù)學工具;流體質(zhì)點是流體中這樣的微團:宏觀足夠小、微觀足夠大。,第一章、流體物理性質(zhì)與運動描述,3流體的粘性,相鄰兩層流體之間或者流體與固體表面之間在發(fā)生相對運動會產(chǎn)生內(nèi)摩擦作用,流體的這種特性稱為流體的粘性。,注意:粘性是流體的固有屬性,但流體只有流動時才表現(xiàn)出粘性,靜止流體不呈現(xiàn)粘性,粘性的作用表現(xiàn)為阻止流體相對滑動,只能延緩滑動過程不能停止它。,?流體粘性形成原因:,(1)兩層液體之間的粘性切應(yīng)力主要由分子內(nèi)聚力形成,(2)兩層氣體之間的粘性切應(yīng)力主要由分子動量交換形成,動力粘度(系數(shù))μ:與流體性質(zhì)有關(guān)PaS,其大小是衡量粘性強弱的標志。,液體吸引力T↑μ↓,氣體熱運動T↑μ↑,運動粘度和動力粘度的關(guān)系,單位,雷諾應(yīng)力?,理想流體:忽略粘性效應(yīng)的流體。,牛頓內(nèi)摩擦定律:,牛頓流體——服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體(水、大部分輕油、氣體等)牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等、血液等不屬于牛頓流體,4流體可壓縮性,運動流體是否可以假設(shè)不可壓縮,不能簡單地看K的大小,a.K足夠大,不可壓縮條件,b.壓強變化很小,掌握流體的彈性體積模量K的定義,物理意義。,重度的概念,γ=ρg。,5流體模型分類,,流體模型,按粘性分類,無粘性流體,粘性流體,牛頓流體,非牛頓流體,按可壓縮性分類,可壓縮流體,不可壓縮流體,按流動參數(shù)與坐標關(guān)系分類一元、二元、三元流動,二、流體運動的基本概念,當?shù)胤?描述方法,隨體法,1.流體運動描述方法分類,,歐拉坐標系下,加速度的表達,對于二維,注意定常、均勻流動判斷,跡線流線,定義,拉格朗日法,歐拉法,(t為自變量,x,y,z為t的函數(shù)),(x,y,z為t的函數(shù),t為參數(shù)),質(zhì)點的運動軌跡,切線與速度方向一致的假想曲線,流管:流線圍成的管子,流束:流管內(nèi)的流體,緩變流流束:流線平行或接近平行,微元流束:有限截面無限小的流束,總流:微元流束的總和,在有效截面上取平均值,按一維流動處理,流線與流管的性質(zhì),7流量與平均速度,,封閉曲面時,流量,體積流量,平均速度,體積流量,不可壓縮流體質(zhì)量流量,質(zhì)量流量,,,三作用在流體微元上的力,,流場中的分布力,表面力,切向應(yīng)力,?重力場:,?重力勢:,法向應(yīng)力p,單位質(zhì)量流體,體積力,重力、慣性力,單位體積流體,電磁力,,,應(yīng)力、應(yīng)力狀態(tài)概念,1流體中靜壓強的兩個重要特性:,(2)一點上的靜壓(壓力)總是垂直指向過該點的作用面,(1)流場中一點靜壓強(壓力)大小各向等值,即與過同一點作用面的方位無關(guān),因此p是個標量物理量,它只是該點的空間坐標的函數(shù);,這兩個特性對于無粘性運動流體也適用。,第二章流體靜力學,壓力體是從積分得到的一個體積,它是純數(shù)學概念,與是否充滿液體無關(guān)。它相當于自曲面向上引至液面無數(shù)微小液柱體積總和。,2壓力體,如何畫壓力體?,3壓強計算方法與單位,,壓強計算方法,壓強基準,真空度,完全真空,表壓強,大氣壓強,注意各壓強的之間的關(guān)系,等壓面,是指流體中壓強相等(p=const)的各點所組成的面。常見的等壓面有:自由液面和平衡流體中互不混合的兩種流體的交界面。,等壓面性質(zhì):,(1).等壓面也是等勢面,(2).通過任意一點的等壓面必與該點所受的質(zhì)量力相垂直,有了上述性質(zhì),可根據(jù)質(zhì)量力的方向判斷等壓面的形狀,(3).兩種互不相混的流體處于平衡狀態(tài)時,它們的分界面必為等壓面,曲面上總壓力計算步驟:,積分形式的基本方程及應(yīng)用,,,,,,,,,,,1.系統(tǒng)/體系(system)——一團確定不變的流體質(zhì)點的集合。,外界:系統(tǒng)外的一切邊界:體系與外界的分界面,特點:a.體系可以通過邊界與外界發(fā)生力的作用和能量交換,但是沒有質(zhì)量交換,質(zhì)量不變是體系的特點;b.體系的形狀S(t)、位置、體積V(t)隨時間而變。,2.控制體(controlvolume)——根據(jù)需要所選擇的,具有確定位置和形狀的流場空間??刂企w積的表面S稱為控制面。,特點:a.控制面上不僅有力的作用,還有能量交換,而且還有質(zhì)量的交換。b.控制體的幾何形狀不變,但控制體內(nèi)的質(zhì)點是隨時間的變化而變化的。,輸運公式(系統(tǒng)導數(shù)),最大特點是將對系統(tǒng)成立的積分轉(zhuǎn)化為對控制體成立的積分形式。,在t時刻,流體系統(tǒng)的某一物理量總量N隨體導數(shù)由兩部分組成,一部分是由流場的非定常性引起的控制體內(nèi)該物理量隨時間的局部變化率,另一部分是由流場的不均勻性引起的,單位時間內(nèi)越過面積A凈流出的流體物理量。,連續(xù)性方程,方程含義:單位時間內(nèi)控制體內(nèi)流體質(zhì)量的增量,等于通過控制體表面的質(zhì)量的凈流進率。,動量方程,方程含義:作用于流體系統(tǒng)上的所有外力之和等于系統(tǒng)內(nèi)流體動量的變化率。,不可壓縮定常一維流動連續(xù)性方程應(yīng)用,,不可壓縮、一維定常流動動量方程,理想流體伯努利方程,方程的物理意義:理想不可壓縮的重力流體作一維定常流動時,在同一流線的不同點上或者同一微元流束的不同截面上,單位重量流體的動能、位置勢能和壓強勢能之和(單位重量流體所具有的機械能)等于常數(shù)。,Bernoulli方程的適用條件:理想、定常、不可壓縮、重力場、沿流線。,什么是測壓管水頭,什么是總水頭,沿流程各如何變化?,實際流體恒定總流的伯努利方程及方程的應(yīng)用,,達西公式,沿程阻力系數(shù),圓管層流,湍流查莫迪圖或經(jīng)驗公式,式中:?——局部水頭損失系數(shù),查表或資料獲得經(jīng)驗公式,表示流動過程中單位重量流體的位能、壓能、動能及損失的能量之和,應(yīng)該等于在運動開始時單位重量流體的位能、壓能、動能之和。,的物理含義和產(chǎn)生原因:管內(nèi)沿程阻力;由粘性摩擦產(chǎn)生。,,物理含義和產(chǎn)生原因:管內(nèi)局部阻力;由局部旋渦和摩擦產(chǎn)生。,水頭損失系數(shù)測量方法,圓管中湍流與層流的速度剖面,層流速度分布呈拋物線,湍流中心區(qū)速度呈對數(shù)分布,,莫迪圖,圓管紊流粗糙區(qū)的沿程摩擦阻力系數(shù)只與管壁相對粗糙度有關(guān),層流區(qū)沿程阻力系數(shù)只與Re有關(guān),完全粗糙區(qū),莫迪圖,湍流光滑區(qū),過渡區(qū),層流區(qū),粗糙過渡區(qū),普朗特—史里希廷公式,布拉休斯公式,,圓管流動沿程損失,局部損失,相似原理和量綱分析,兩個流動系統(tǒng)相似,要求幾何相似、運動相似和動力相似,以及初始條件和邊界條件相似。,對于在重力場中粘性不可壓縮流體,兩個流動完全相似的必要和充分條件是(力學相似準則):,兩個流動初始、邊界條件相似,歐拉數(shù)Eu、雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr、斯特羅哈數(shù)St等相等,注意上述準則數(shù)的應(yīng)用場合,及物理意義,如:,,表示慣性力與粘性力之比(粘性力影響),,表示慣性力與重力之比(重力影響),,表示當?shù)厮俣扰c聲速之比(壓縮性影響),量綱(或因次):物理量的種類或單位類型的標志,如長度[L],時間[T],質(zhì)量[M],力[F]。對于一個物理量而言,它可以有多個單位,但它只有一個量綱,都用一個[]里面是物理量的大寫字母表示。,無量綱數(shù),量綱表達式中全部指數(shù)為0,即無量綱的常數(shù)。,說明:無量綱數(shù)可以是兩個相同量綱的物理量之比,如前面介紹的馬赫數(shù),各種物理量的比尺。也可以由幾個量綱乘除組合而成,還有一種是自然無量綱如e。如雷諾數(shù),弗勞德數(shù)、歐拉數(shù)等。無量綱數(shù)既無量綱,又無單位,它的數(shù)值大小與所選用的單位無關(guān)。弧度也是無量綱量,因此,轉(zhuǎn)速n的量綱為[T]-1,應(yīng)用建立物理方程,可按以下步驟進行。,(1)列出影響流動過程的全部n個物理量,寫成如下的一般函數(shù)形式,(2)從n個物理量中選取m個基本物理量,作為m個基本量綱的代表。m一般為3,要求這三個基本物理量在量綱上是獨立的。如用量綱表達式表示基本物理量,即,則滿足量綱獨立的條件是量綱表達式的指數(shù)行列式不等于0,即,通??蛇x取特征長度L、特征速度V(或轉(zhuǎn)速)和特征流體密度ρ作為基本物理量。,(3)從三個基本物理量以外的物理量中,每次輪取一個,與三個基本物理量組合成一個無量綱項,共有n-3個項。,式中ai、bi、ci為各項的待定指數(shù)。,(4)因為各項是無量綱數(shù),即,因此,可根據(jù)量綱和諧性原理求出各項的指數(shù),(5)寫出描述流動現(xiàn)象的無量綱關(guān)系式,說明:利用使物理方程無量綱化,把一個具有n個物理量的關(guān)系式簡化成(n-3)個無量綱量的表達式,獨立變量的數(shù)目減少了3個,從而使物理公式的建立和實驗資料的整理大為簡便。至于這(n-3)個項之間的定量關(guān)系,則必須通過實驗來確定。,注意幾個概念:,Prantdl混合長理論思想:將湍流中微團的脈動與氣體分子的運動相比擬。,普朗特混合長理論建立了湍流運動中的附加切應(yīng)力與時均速度之間的關(guān)系,牛頓內(nèi)摩擦力呢?,考試題型,1選擇(20分)2填空題(20分)3.曲面上靜水壓力計算問題(注意步驟)(15分)4.基本方程綜合應(yīng)用(15分)5.π定理應(yīng)用及相似理論應(yīng)用(15分)6.流動損失的概念及相關(guān)系數(shù)測量問題(15分),考試時間地點,時間:11月19號8:00-9:50地點:201-202班:729301班及其它:731,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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- 2013 流體力學 課程 總結(jié)
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