材料热传输——流体力学部分.doc

第一章 流体的主要物理性质1.工程流体力学的任务是研究流体的宏观运动规律，提出了流体的易流动性概念，即流体在静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小切应力作用下都会发生持续的变形或流动。同时又引入了连续介质模型假设，把流体看成没有空隙的连续介质，则流体中的一切物理量（如速度和密度）都可看作时空的连续函数，可采用函数理论作为分析工具。2.流体密度、重度、质量体积的单位；流体的压缩性和膨胀性的表征方程及方程各物理量含义及单位。3.牛顿粘性定律定义：流体流动产生的内摩擦应力大小与接触面法线方向的速度变化（速度梯度）成正比，与接触面积成正比，与接触面上的压强无关。表达式： 单位面积上的内摩擦应力（剪切力，又称动量通量）表达式：，负号表示动量通量的方向与速度梯度的方向相反，即动量朝着速度降低的方向传输。运动粘度、动力粘度的表达式及单位；流体粘度的影响因素。4.理想流体的特点。1与牛顿内摩擦定律有关的因素是：(1)、压强、速度和粘度；(2)、流体的粘度、切应力与角变形率；(3)、切应力、温度、粘度和速度；(4)、压强、粘度和角变形。2在研究流体运动时，按照是否考虑流体的粘性，可将流体分为：(1)、牛顿流体及非牛顿流体；(2)、可压缩流体与不可压缩流体；(3)、均质流体与非均质流体；(4)、理想流体与实际流体。3下面四种有关流体的质量和重量的说法,正确而严格的说法是。（1）.流体的质量和重量不随位置而变化；（2）.流体的质量和重量随位置而变化；（3）.流体的质量随位置变化，而重量不变；（4）.流体的质量不随位置变化，而重量随位置变化。4流体是一种物质。（1）、不断膨胀直到充满容器的；（2）、实际上是不可压缩的；（3）、不能承受剪切力的；（4）、在任一剪切力的作用下不能保持静止的。5流体的切应力。（1）当流体处于静止状态时不会产生；（2）当流体处于静止状态时，由于内聚力，可以产生；（3）仅仅取决于分子的动量交换；（4）仅仅取决于内聚力。6a.静止液体的动力粘度为0；b.静止液体的运动粘度为0；c.静止液体受到的切应力为0；d.静止液体受到的压应力为0。7a.静止液体的动力粘度为0；b.静止液体的运动粘度为0；c.静止液体受到的切应力为0；d.静止液体受到的压应力为0。8理想液体的特征是1粘度为常数；2无粘性；3不可压缩；4符合。9.不同的液体其粘滞性_,同一种液体的粘滞性具有随温度_而降低的特性。A相同降低B相同升高C不同降低D不同升高10.液体黏度随温度的升高而_，气体黏度随温度的升高而_。A.减小，不一定；B.增大，减小；C.减小，不变；D.减小，减小第二章 第二章 流体静力学流体静力学的核心问题是根据平衡条件来求解静水中的压强分布，并根据静水压强的分布规律，进而确定作用在平面及曲面上的静水总压力。流体静力学研究的静止状态，指的是流体内部任何质点以及流体与容器之间均无相对运动。流体静压强的特点：（1）流体静压强的方向必然重合于受力面的内法线方向，静止流体具有易流动性，不能承受拉应力、切应力。（2）平衡流体中，沿各个方向作用于同一点的静压强的大小相等，与作用方向无关，即： p=f(x,y,z)；px=py=pz=p平衡流体中压强相等的各点所组成的面称作等压面：dp=(XdxYdyZdz)0为常量，则：XdxYdyZdz0即：质量力在等压面内移动微元长度所作的功为零。等压面的特征：平衡流体的等压面垂直于质量力的方向只有重力作用下的等压面应满足的条件：1.静止；2.连通；3.连通的介质为同一均质流体；4.质量力仅有重力；5.同一水平面。流体平衡微分方程（即欧拉平衡微分方程） 物理意义：处于平衡状态的流体，单位质量流体所受的表面力分量与质量力分量彼此相等。（课本Page 19）压强沿轴向的变化率（）等于轴向单位体积上的质量力的分量（X，Y，Z）。帕斯卡原理（压强传递原理）的定义。流体静力学基本方程： 对两不同点： 流体静力学基本方程的几何意义与能量意义位置水头z ：任一点在基准面0-0以上的位置高度。表示单位重量液体对基准面OO的位能比位能。测压管高度 p/ ：表示某点液体在相对压强p作用下能够上升的高度。相对压强高度静压高度p/：表示某点液体在绝对压强p作用下能够上升的高度。绝对压强高度相对压强高度和绝对压强高度均称作压强水头比压能（单位重量液体所具有的压力能）测压管水头（ z+p/）：位置水头与测压管高度之和。单静压水头面ABZApA/ZBpB/测压管水头面pa/OO位重量流体的总势能。静压水头（zp/）:位置水头与静压高度之和。压强表示方法：1.绝对压强：是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为起点基准计量的压强。一般 ppa+h2. 相对压强：又称“表压强”，是以当时当地大气压强为起点而计算的压强。可“”可“ ”，也可为“0”。 pp-pa3.真空度：指某点绝对压强小于一个大气压pa时，其小于大气压强pa的数值。真空度pvpap注意：计算时若无特殊说明，均采用相对压强计算。静止液体作用于平面壁上的总压力：PhcA静止液体作用于任意形状平面壁上的总压力P，大小等于受压面面积A与其形心处的静水压强之积，方向为受压面的内法线方向。压力中心：求曲面壁部分所承受的总压力 P将P分解为垂直分力Pz、水平分力Px，则：PzV V曲面以上的液体体积（虚压力体，Pz为负，方向向上；实压力体为正，方向向下） 垂直分力Pz作用点: 压力体的重心。Pxh0Ax Ax曲面在竖直平面上的投影面积；h0投影面积Ax的形心在水面下的深度。水平分力Px作用点: 投影面积Ax的压力中心。总压力 总压力的倾斜角 总压力的作用点：作出Pz、Px的作用线，得交点，过交点按作作用线，与曲面的交点，即为P的作用点。1在重力作用下静止液体中，等压面是水平面的条件是。（1）同一种液体；（2）相互连通；（3）不连通；（4）同一种液体，相互连通。2压力表的读值是1绝对压强；2）绝对压强与当地大气压的差值；3绝对压强加当地大气压；4当地大气压与绝对压强的差值。3相对压强是指该点的绝对压强与的差值。A、标准大气压；B、当地大气压；C、工程大气压；D、真空压强。4.图示容器内盛有两种不同的液体，密度分别为,，则有(1)(2)(3)(4)5.图示盛水封闭容器中，1、2、3在同一水平面上，则：(1)(2)(3)(4)10.一密闭容器内下部为密度为的水,上部为空气,空气的压强为p0。若容器由静止状态自由下落，则在下落过程中容器内水深为h处的压强为：（1）（2）（3）0（4）11.用的矩形闸门垂直挡水，水压力对闸门底部门轴的力矩等于12.液体受到表面压强p作用后，它将_地传递到液体内部任何一点。A.毫不改变；B.有所增加；C.有所减小;D.只传压力不传递压强.13.静止的水仅受重力作用时，其测压管水头线必为_。A.水平线；B.直线；C.斜线D.曲线14.在均质连通的静止液体中，任一_上各点压强必然相等。A.平面；B.水平面；C.斜面;D.以上都不对15.在均质连通的静止液体中，任一_上各点压强必然相等。A.平面；B.水平面；C.斜面;D.以上都不对16.静止液体中静水压强与_的一次方成正比。A.淹没深度；B.位置高度；C.表面压强;D.以上都不对17.任意形状平面壁上静水压力的大小等于_处静水压强乘以受压面的面积。A受压面的中心;B受压面的重心;C受压面的形心;D受压面的垂心;18.等压面与质量力关系是：A平行B斜交C正交D无关第三章 流体运动学零、描述流体运动的两种基本方法：拉格朗日和欧拉法。1. 欧拉法、拉格朗日方法各以什么作为其研究对象？对于工程来说，哪种方法是可行的？欧拉法以流场为研究对象，拉格朗日方法以流体质点为研究对象；在工程中，欧拉法是可行的。2.欧拉法研究_C_的变化情况。 (A)每个质点的速度 (B) 每个质点的轨迹 (C) 每个空间点的流速 (D) 每个空间点的质点轨迹 一、几个基本概念1）流线：各点切线方向与该处流体质点速度方向一致的曲线。2）迹线：流体某质点运动轨迹的连线。迹线与流线的比较：概念定 义备 注流 线 流线是表示流体流动趋势的一条曲线，在同一瞬时线上各质点的速度向量都与其相切，它描述了流场中不同质点在同一时刻的运动情况。 流线方程为： 时间t为参变量。 迹 线 迹线是指某一质点在某一时段内的运动轨迹，它描述流场中同一质点在不同时刻的运动情况。 迹线方程为：式中时间t为自变量。 3）流束：充满在流管中的液流。流束的极限是一条流线。无数流束之和就构成总流。4）过水断面：水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的横断面，即与流束或总流的流线成正交的横断面。5）平均流速：由通过过水断面的流量Q除以过水断面的面积A而得的流速，常用v表示，即 。6）流量：单位时间内通过微元流束（或总流）过水断面的流体体积。7）定常流动：流体质点运动要素只与空间位置有关，与时间无关。8）非定常流动：流体质点运动要素与空间位置和时间都有关。不可压缩粘性流体的运动微分方程： 流体运动粘性系数那维尔（纳维）斯托克斯方程，N-S方程 当=0时，得到 无粘性流体的运动微分方程（欧拉运动方程）右侧：前三项表示质点由于位置移动而形成的速度分量的变化率位变加速度 后一项表示质点经dt时间的运动后而形成的速度分量的变化率时变加速度当运动速度=0时欧拉静平衡微分方程：（欧拉运动微分方程的特例）二、恒定总流连续性方程不可压缩流体无分叉流时：v1A1=v2A2，即Q1=Q2，即任意断面间断面平均流速的大小与过水断面面积成反比。1、一变直径管段，A断面直径是B断面直径的2倍，则B断面的流速是A断面流速的4倍。 对2、变直径管的直径d1=320mm，d2=160mm，流速1=1.5m/s，2为：A.3m/s； B.4m/s；C.6m/s； D.9m/s。C.三、恒定总流伯努利方程1.伯努利方程各项物理意义和几何意义：z 单位重量流体具有的位能（位置水头） p/单位重量流体具有的压能（压强水头、测压管高度） v2/2g单位重量流体具有的动能（速度水头） z+p/单位重量流体具有的势能（测压管水头） 单位重量流体具有的总比能（总水头） hl单位重量流体产生的水头损失或能量损失。2.能量方程的应用条件 （1）定常流动； （2）不可压缩流体； （3）质量力只有重力； （4）所选取的两过水断面必须是缓变流断面，但两过水断面间可以是急变流； （5）总流的流量沿程不变； （6）两过水断面间除了水头损失以外，总流没有能量的输入或输出。3.应用伯努利方程时的注意事项 （1）沿流动方向在缓变流处取过水断面列方程； （2）基准面原则上可任取，但应尽量使各断面的位置水头为正； （3）在同一问题上必须采用相同的压强标准。一般均采用相对压强，而当某断面有可能出现真空时，尽量采用绝对压强； （4）由于=常数，所以计算点在断面上可任取，但对于管道流动常取断面中心点，对于明渠流动计算点常取在自由液面上； （5）应选取已知量尽量多的断面，如上游水池断面v1=0，p=0，下游管道出口断面 p2=0 处，其中一个断面应包括所求的未知量。（6）当一个问题中有23个未知量时，需和连续方程、动量方程联立求解； （7）当两断面有能量输入、输出时，能量方程应为：能量输入时，E为“+”，能量输出时，E为“-”。 4.水头线 各断面的总水头连线称为总水头线或总能线。理想流动流体的总水头线为水平线；实际流动流体的总水头线恒为下降曲线或直线，其下降值等于两断面的水头损失hl。 各断面的测压管水头连线称为测压管水头线。测压管水头线与总水头线的间距是速度水头。测压管水头线可升可降，它取决于总流几何边界的变化情况。习题：1、什么是流线、迹线？它们有何区别？流线是表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线，曲线上任一点的切线方向与该点的流速方向重合。迹线是指某一质点在某一时段内的运动轨迹线。2、实际水流中存在流线吗？引入流线概念的意义何在？不存在。引入流线概念是为了便于分析流体的流动，确定流体流动趋势。3、在什么流动中，流线与迹线重合。 定常流动4、定常流动是：B A、流动随时间按一定规律变化； B、流场中任意空间点的运动要素不随时间变化； C、各过流断面的速度分布相同； D、各过流断面的压强相同。5、非定常流动是 B A、 B、 C、 D、6、汾丘里管用于测量_D_ 。 (A) 点速度 (B) 压强 (C) 密度 (D) 流量 7、毕托管用于测量_A_ 。 (A) 点速度 (B) 压强 (C) 密度 (D) 流量 8、毕托管通常用来测量总水头，而测压管所测量的是测压管水头，两者之差为速度水头第四章 流动状态及能量损失 1.流体流动的两种形态（层流和紊流）的特点。（质点是否掺混，运动是否有序，水头损失与流速间关系） ，流态的判断 2.层流、紊流的判别标准下临界（速度）雷诺数Rec Rec只取决于边界形状（过水断面形状）。对圆管流Rec2300时为层流。上下临界速度的大小。3.不可压缩恒定均匀圆管层流 圆管层流流速呈旋转抛物面分布： 圆管层流的最大流速： 圆管层流的断面平均流速：断面平均流速是最大流速为的2倍。 流量公式：压降公式： 圆管层流的沿程水头损失：，即水头损失与流速的一次方成正比，沿程阻力系数=64/Re。 4.紊流特点：无序性、耗能性、扩散性。 时均化处理紊流。瞬时流速=时均流速+脉动流速 5.紊流速度分布特点： 6.紊流层流边界层水力光滑管和水利粗糙管与粘性底层与绝对粗糙度的关系，水力光滑管向水利粗糙管过度的办法。紊流过程中沿程损失系数与Re和相对粗糙度的关系。7.当量直径，水力半径的计算关系式。8.紊流沿程阻力系数的求解： 尼古拉兹曲线（穆迪图）。根据与,Re的关系，将整个流区分为5个区（层流、层流向紊流过渡区、水力光滑区、水力光滑区向水力粗糙区的过渡区、水力粗糙区）。 9.局部损失系数：突然扩大： 10.能量损失，则有：1.输水管道在流量和水温一定时，随着直径的增大，水流的雷诺数Re就(B)A、增大B、减小C、不变D、不定2.雷诺实验中，由层流向紊流过渡的临界流速和由紊流向层流过渡的临界流速之间的关系是(A)(D)不确定3.管流的雷诺数Re是(A)A、B、C、D、E、这些都不是式中：v断面平均流速；D直径；n运动黏度；m动力粘度；r密度。4.雷诺数Re反映了(C)的对比关系A、粘滞力与重力 B、重力与惯性力