fluent--流体力学基础

1、什么是流体（Fluid）固体固体 在静止状态下，能够抵抗一定的压力、拉力和剪切力。流体流体 在静止状态下，能够抵抗一定的压力。 静止时，不能抵抗任何剪切力，在剪切力的作用下，会一直发生变形，直到剪切力消失。 空气、水、油等易于流动的物质被称为流体。 利用流体进行力传递、进行功和能量转换的机械称为流体机械。（如水泵、风机、水力发电机等） 研究流体运动的方法：实验方法；以近年发展起来的计算流体力学为基础进行数值模拟计算。什么是流体（Fluid）第一章 流体力学基础1.1 概述1.2 流体力学中的力与压强 1.3 能量损失与总流的能量方程 1.4 流体运动的描述1.1 概述 1 流体的密度、重度和比

2、重 33(kg/m ) ;(N/m )mGVV均质流体：均质流体：3300lim(kg/m ) ;lim(N/m )VVmGVV非均质流体：非均质流体：显然显然g33331000kg/m;9.8kN/m13590kg/m;133kN/m水水汞汞牢记牢记1.1 概述 1 流体的密度、重度和比重 流体的比重流体的比重 流体的比重为与零上流体的比重为与零上44时水的密度之比。时水的密度之比。1.1 概述 2 流体的黏性 流体内部质点间或流层间因流体内部质点间或流层间因相对运动相对运动而产生而产生内摩擦力内摩擦力以反抗相对运动的性质。以反抗相对运动的性质。 粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性

3、。粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性。 当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时，流体当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时，流体的粘性就表象不出来，其内摩擦力也就等于零。的粘性就表象不出来，其内摩擦力也就等于零。1.1 概述 2 流体的黏性 现象现象：a.速度分布不均匀； b.变形-有相对运动； c.作用力。牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律1.1 概述实验证明内摩擦力实验证明内摩擦力 T T 的大小：的大小： 与压力大小无关。与压力大小无关。 与流层的接触面积与流层的接触面积A A成正比；成正比；/du dy 与速度梯度与速度梯度 成正比；成正比； 与流体的种类有关；与流体的种类有关

4、；NduduTATAdydy或2N/mPaTduAdy 或 即即Pa s/du dy 动力粘滞系数动力粘滞系数运动粘性系数运动粘性系数2m/s 衡量流体的流动性。常用单位为衡量流体的流动性。常用单位为 ，称为斯，称为斯托克斯托克斯（StSt）。）。 2cm/s1.1 概述 取取决于流体种类，其大小反映流体粘性的大小。决于流体种类，其大小反映流体粘性的大小。2020时时流体流体 / Pas / m2/s / kg/m3原油7210-48.410-6856甘油14910-411.8410-61258水10.0210-41.00310-6998空气1.8110-51.510-51.2051.1 概述

5、1.1 概述 3 理想流体与粘性流体 理想流体理想流体 流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性 。 当流体的粘性较小 ，甚至可以忽略不计时，这样的流体称为理想流体 。 粘性流体粘性流体 当流体的粘性较大，不能忽略时，这样的流体称为粘性流体。真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。 1.1 概述 4 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体牛顿流体 符合牛顿切应力公式，且动力粘度为常数实际流体称为牛顿流体。（水、空气、润滑油等为牛顿流体）。 非牛顿流体非牛顿流体 符合牛顿切应力公式，且动力粘度不为常数实际流体称为非牛顿流体。（油脂

6、、油漆、牛奶等为非牛顿流体）。 1.1 概述 5 流体的压缩性流体的压缩性 可压缩流体可压缩流体 流体的压缩性是指在外界条件发生变化时，其密度和体积发生了变化。 研究流体流动的过程中，若考虑流体的压缩性，则称其为可压缩流动，相应流体称为可压缩流体。（水中的爆炸、高速气流） 不可压缩流体不可压缩流体若不考虑流体的压缩性，则称其为不可压缩流动，相应流体称为不可压缩流体。（水和油的流动）1.1 概述 6 6 液体的表面张力液体的表面张力 液面上的分子受液体内部分子吸引而使液面趋于收缩，表现为液面任何两部分之间具有拉应力，称为表面张力。其方向和液面相切，并与两部分的分界线相垂直1.2 流体力学中的力与

7、压强 1 1 作用在流体上的力作用在流体上的力 作用在流体上的所有外力F可以分为两类：质量力和表面力，分别用FB、FS表示，于是： 质量力质量力：与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力称为质量力。它属于非接触性的力，例如重力、离心力等。 SBF FF FF F1. 2 流体力学中的力与压强 1 1 作用在流体上的力作用在流体上的力 表面力表面力：表面力是指作用在所考察对象表面上的力。 任一面所受到的应力均可分解为一个法向应力（垂直于作用面，记为ii）和两个切向应力（又称为剪应力，平行于作用面，记为i j，ij），例如图中与z轴垂直的面上受到的应力为zz（法向）、zx和zy（切向

8、），它们的矢量和为：k kj ji iz zzzzyzx1. 2 流体力学中的力与压强 1 1 作用在流体上的力作用在流体上的力 类似地，与x轴、y轴相垂直的面（参见图1-2）上受到的应力分别为：k kj ji ix xxzxyxxk kj ji iy yyzyyyx z xx yx xy yy M xz yz zx zy zz o y x 图 1-2 任一点所受到的应力 1.2 流体力学中的力与压强 静止流体所受的外力有质量力和压应力两种,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。压力。（1 1）压力单位）压力单位 在国际单位制（SI制）中，压力的单位为N/m2，称为

9、帕斯卡（Pa），帕斯卡与其它压力单位之间的换算关系为： 1 1atmatm（标准大气压）标准大气压）=1.033=1.033atat（工程大气压）工程大气压） =1.013 =1.013 10105 5PaPa =760mmHg =760mmHg =10.33mH =10.33mH2 2O O 以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度、相对压力，它是在把大气压强视为零压强的基础上得出来的。 绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准计量的压强;表压强简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。两者的关系为：绝对压=大气压

10、+表压1.2 流体静力学基本概念 2 2 绝对压强、相对压强与真空度绝对压强、相对压强与真空度 1.2 流体静力学基本概念 2 2 绝对压强、相对压强与真空度绝对压强、相对压强与真空度 图图1 1 绝对压力、表压与真空度的关系绝对压力、表压与真空度的关系 1. 2 流体力学中的力与压强 3 3 液体的气化压强液体的气化压强 1. 2 流体力学中的力与压强 3 3 静压、动压和总压静压、动压和总压 1. 2 流体力学中的力与压强 3 3 静压、动压和总压静压、动压和总压 1. 3 能量损失与总流的能量方程 1 1 沿程损失与局部损失沿程损失与局部损失 沿程损失： 流体在直管段中流动时，管道壁面对

11、于流体会产生一个阻碍其运动的摩擦阻力（沿程阻力），流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程损失。通常采用达西-维斯巴赫公式计算，即 212uLhdg1. 3 能量损失与总流的能量方程 1 1 沿程损失与局部损失沿程损失与局部损失 局部损失局部损失 流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其他使流体流动情况发生改变时，都会有阻碍运动的局部阻他使流体流动情况发生改变时，都会有阻碍运动的局部阻力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为局部损失局部损失。计算公式为：计算公式为：h hj j=u=u2 2/(

12、2g)/(2g) 流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生的所有沿程损失和局部损失之和，即的所有沿程损失和局部损失之和，即h=hh=hl l+h+hj j 1. 3 能量损失与总流的能量方程 2 2 总流的伯努利方程总流的伯努利方程 1. 3 能量损失与总流的能量方程 3 3 入口段与充分发展段入口段与充分发展段 1. 4 流体运动的描述 1 1 定常流动与非定常流动定常流动与非定常流动 定常流动定常流动 流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）不随时间变化，流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）不随时间变化，称为定常流动。称为定常流动。

13、工程中绝大部分稳定运行的设备可采用定常流动来描述。工程中绝大部分稳定运行的设备可采用定常流动来描述。如：锅炉燃烧、风机运行、化工过程。如：锅炉燃烧、风机运行、化工过程。 非定常流动非定常流动 流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）随时间变化，流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）随时间变化，称为非定常流动称为非定常流动 。许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动，许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动，如水泵、风机的启动阶段。如水泵、风机的启动阶段。1. 4 流体运动的描述 2 2 迹线与流线迹线与流线 流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向线。迹线是指同一个

14、流体质点在连续时间内在空间运动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点在不同时间的速度的方向。 1. 4 流体运动的描述 3 3 流量与净通量流量与净通量 流量：流量： 流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积称为流体的体积流量，一般用Q表示，单位为L/s。单位时间内流经管道任意截面的流体质量，称为质量流量，以ms表示，单位为kg/s或kg/h。体积流量与质量流量的关系为：ms=Q体积流量、过流断面面积A与流速u之间的关系为:Q=Au 1. 4 流体运动的描述 3 3 流量与净通量流量与净通量 净通量：净通量： 在流场中取整个封闭曲面作为控制面A，封闭曲面内的空间称为控制体。流体经一部分控制面流

15、入控制体，同时也有流体经另一部分控制面从控制体中流出，此时流出的流体减去流入的流体，所得出的流量称为流过全部封闭控制面A的净流量（或净通量）。 对于不可压流体来说，流过任意封闭控制面的净通量为0。1. 4 流体运动的描述 4 4 层流与湍流层流与湍流 层流层流 流体运动规则，各部分分层流动互不掺混，质点的轨线是光滑的，而且流动 稳定。 湍流湍流 （紊流）（紊流） 流体运动极不规则，各部分激烈掺混，质点的轨线杂乱无章，而且流场极不稳定。 1. 4 流体运动的描述 5 5 有旋流动与有势流动有旋流动与有势流动 流体质点的运动可分解为：1、随其他质点平动；2、自身旋转运动；3、自身变形运动。流动过程中，若流