工程流体力学I总结

1、1工程流体力学工程流体力学中国矿业大学中国矿业大学电力学院动力系电力学院动力系主讲：陈更林主讲：陈更林 副教授副教授Email:139522019012工程流体力学工程流体力学前言前言 工程流体力学的研究对象工程流体力学的研究对象流体力学是以流体流体力学是以流体(包括液体和气体包括液体和气体)为对象，研究为对象，研究其平衡和运动时宏观基本规律的科学。主要研究流体在其平衡和运动时宏观基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动过程中的能量转换等。互作用以及流动过程中的能量转换等。3研究方法研究方法:理

2、论分析理论分析: : 根据实际问题建立理论模型根据实际问题建立理论模型 涉及涉及微分体积法微分体积法 速度势法速度势法 保角变换法保角变换法 实验研究方法实验研究方法: : 根据实际问题利用相似理论建根据实际问题利用相似理论建立实验模型立实验模型 选择流动介质选择流动介质 设备包括风洞、水设备包括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等槽、水洞、激波管、测试管系等数值计算方法数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、边界元法等，利用商业软件和法、有限元法、边界元法等，利用商业软件和

3、自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。证。流体力学流体力学前言前言4 流体的定义和特征流体的定义和特征 流体作为连续介质的假设流体作为连续介质的假设 流体的密度流体的密度 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 流体的粘性流体的粘性液体的表面性质液体的表面性质5流动性、流体、连续介质；流动性、流体、连续介质；密度、重度、压缩性、膨胀性、粘性；密度、重度、压缩性、膨胀性、粘性；动力粘度、运动粘度、恩氏粘度；动力粘度、运动粘度、恩氏粘度；表面张力、表面张力系数、毛细现象；表面张力、表面张力系数、毛细现象；流体的分类：粘性流体、理想流体、牛顿流体、非牛

4、顿流流体的分类：粘性流体、理想流体、牛顿流体、非牛顿流体体速度梯度、变形速度梯度、变形671.1. 流动性与变形。流动性与变形。2.2. 密度与重度：水、空气、汞。密度与重度：水、空气、汞。3.3. 压缩性与膨胀性压缩性与膨胀性4.4. 动力与运动粘度动力与运动粘度5.5. 速度梯度与角变形速度速度梯度与角变形速度6.6. 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律7.7. 毛细现象毛细现象/11/,vdV VddV VkKdpdpkdT g/ dydudtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudtdydu4coshgd8 流体静压强及其特性流体静压强及其特性 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程

5、式 绝对压强绝对压强 计示压强计示压强 液柱式测压计液柱式测压计 液体的相对平衡液体的相对平衡 静止液体作用在平面上的总压力静止液体作用在平面上的总压力静止液体作用在曲面上的总压力静止液体作用在曲面上的总压力静止液体作用在潜体和浮体上的浮力静止液体作用在潜体和浮体上的浮力 作用在流体上的力作用在流体上的力9一、基本概念一、基本概念表面力表面力( (法向力、切向力法向力、切向力) )和质量力和质量力压强及特性压强及特性当地大气压、绝对压强、相对压强、真空度当地大气压、绝对压强、相对压强、真空度等压面及判别方法等压面及判别方法液体的相对平衡液体的相对平衡压力体压力体10力的分解与合成力的分解与合成

6、力的平衡力的平衡达朗伯原理达朗伯原理111. 压强及特性压强及特性2. 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 流体平衡微分方程流体平衡微分方程 等压面等压面 重力场中流体静力学基本方程重力场中流体静力学基本方程010101zpfypfxpfzyx)(dzfdyfdxfdpzyx0dzfdyfdxfzyxrdfgpzgpz2211zxp11基准面z2p22p0goz1ghpp021ppgh121. 压强及特性压强及特性2. 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 流体静力学基本方程的意义流体静力学基本方程的意义Cgpz位位势势能能压压强强势势能能hp总总势势能能Cgpz位位置置水水头头压压强强水水

7、头头静静水水头头测测压压管管水水头头134. 压强的单位与度量压强的单位与度量 Pa、液柱高度、当地大气压、液柱高度、当地大气压5. 液体的相对平衡液体的相对平衡完全真空 p=0大气压强 p=papo绝对压强绝对压强appapp 相对 压强相对压强veepppjappp达朗伯原理达朗伯原理0Fma gfazsp0ozaxmCgzaxarctanag 0sgzaxghpzzgpps00)(146. 静止液体对固体表面的作用力静止液体对固体表面的作用力yoxACDdAabpFdFp hDhCyyCyDhdA(sin)pCFg yAcgh A()pcaFppAAyIyAyIAydAyyccxccxc

8、D22xccxIy AIxAzdcPaohchAxzbadAAdFp()pxCaxFppApAzpzgVhdAgFz15第三章第三章流体动力学小结流体动力学小结161718),(NNtzyxvtdtd( , , , )NN a b c txyzdxdydzdtvvvAqvvaXARhnCVCSdNdVv dAdtt常数Ava0)()()(zyxvzvyvxtCgpz19nnCSCVCSv vdAfdVp dA212121()()()xnxynyznzVxxfpVyyfpVzzfpqvvFFqvvFFqvvFFCSnCVCSndAprdVfrdAvrv2022vpzHgg常量速速度度水水头头位位

9、置置水水头头压压强强水水头头总总水水头头bc1aa2cbH总水头线静水头线gv2/21gp/11zgv2/22gp/22z22vpzHgg常量动动能能位位能能压压力力能能总总机机械械能能21 waghvpgzzvp2222122111222211122222wpvpvp则 210,azzg设 设流动流体是气体设流动流体是气体2212121222jjwppvvzzhgggg22在相似的空间中，表述流动现象的各物理量的场相似。在相似的空间中，表述流动现象的各物理量的场相似。1.1.如何建立模型；如何建立模型；2.2.试验中测量参数，如何整理试验数据；试验中测量参数，如何整理试验数据；3.3.试验结

10、果如何推广应用。试验结果如何推广应用。23一、基本概念一、基本概念几何相似、运动相似、动力相似；几何相似、运动相似、动力相似；相似准则：雷诺数、欧拉数、弗汝德数等；相似准则：雷诺数、欧拉数、弗汝德数等；决定相似准则数、非决定相似准则数决定相似准则数、非决定相似准则数24二、基本原理二、基本原理1.1.相似条件相似条件2.2.近似相似近似相似3.3.物理方程量纲一致性原理物理方程量纲一致性原理4.4.定理定理5.5.瑞利法瑞利法25三、重要结论三、重要结论1.1.相似准则数相似准则数2.2.相似条件相似条件2Re,vdvpFrEuvgl保证流动相似的必要和充分条件。保证流动相似的必要和充分条件。

11、1. 1.相似的流动都属于同一类的流动，应为相同的微分相似的流动都属于同一类的流动，应为相同的微分 方程所描述。方程所描述。2. 2.单值条件相似。单值条件是指把某一特定的流动从无数个同类的相单值条件相似。单值条件是指把某一特定的流动从无数个同类的相似流动中区分开来的条件。似流动中区分开来的条件。几何条件几何条件3. 3.由单值条件中的物理量所组成的相似准则数相等。由单值条件中的物理量所组成的相似准则数相等。边界条件（进口、出口的速度分布等）边界条件（进口、出口的速度分布等）物性条件（密度、粘度等）物性条件（密度、粘度等）初始条件（初瞬时速度分布等）初始条件（初瞬时速度分布等）26三、重要结论

12、三、重要结论3.3.模型实验的方法模型实验的方法1.根据单值条件相似和相似准则数相等的原则去设计模根据单值条件相似和相似准则数相等的原则去设计模型，选择模型中的流动介质。型，选择模型中的流动介质。3.按相似准则数整理的试验结果，可推广应用到原型及按相似准则数整理的试验结果，可推广应用到原型及其他相似流动中去。其他相似流动中去。2.试验过程中应测定相似准则数包含的一切物理量，并试验过程中应测定相似准则数包含的一切物理量，并整理成相似准则数。整理成相似准则数。27三、重要结论三、重要结论4. 定理（泊金汉定理定理（泊金汉定理）：）：如果一个物理过程涉及到如果一个物理过程涉及到 n个物个物理量和理量

13、和m个基本量纲，则这个物理过程可以由个基本量纲，则这个物理过程可以由n个物理量组个物理量组成的成的n-m个无量纲量（相似准则数个无量纲量（相似准则数 i）的函数关系来描述。）的函数关系来描述。0).(21nxxxF，0).(21mnf，28三、重要结论三、重要结论5. 瑞利法瑞利法 瑞利法是用定性物理量瑞利法是用定性物理量x1、 x2、. 、 xn的某种幂次之的某种幂次之积的函数来表示被决定的物理量积的函数来表示被决定的物理量y。nanaaxxkxy.2121k为无量纲系数，由试验确定。为无量纲系数，由试验确定。a1、 a2、. 、an为待定指数，根据量纲一致性原则求出。为待定指数，根据量纲一

14、致性原则求出。29 粘性流体的两种流动状态粘性流体的两种流动状态 局部损失局部损失 管路水力计算管路水力计算 粘性流体的紊流流动粘性流体的紊流流动 沿程损失的实验研究沿程损失的实验研究 液体的出流液体的出流 不可压粘性流体的层流流动不可压粘性流体的层流流动 不可压缩粘性流体的运动不可压缩粘性流体的运动N NS S方程方程 管内流动的能量损失管内流动的能量损失 301.1. 沿程阻力及沿程阻力损失、局部阻力及局部阻力损失、沿程阻力及沿程阻力损失、局部阻力及局部阻力损失、沿程阻力系数、局部阻力系数、管路阻力系数。沿程阻力系数、局部阻力系数、管路阻力系数。 2.2. 层流、湍流、雷诺数、脉动、时均参

15、数。层流、湍流、雷诺数、脉动、时均参数。3.3. 湍流、混合长度、紊流附加切应力。湍流、混合长度、紊流附加切应力。4.4. 粘性底层、水力光滑、水力粗糙。粘性底层、水力光滑、水力粗糙。5.5. 当量粗糙度。当量粗糙度。6.6. 长管、短管、简单管路、串联管路、并联管路、枝长管、短管、简单管路、串联管路、并联管路、枝状管网、环状管网。状管网、环状管网。7.7. 孔口出流、管嘴出流。孔口出流、管嘴出流。8.8. 水击。水击。311.1. 雷诺实验雷诺实验- -层流、紊流。层流、紊流。2.2. 粘性流体中的切应力及牛顿第二运动定律。粘性流体中的切应力及牛顿第二运动定律。3.3. 层流：牛顿内摩擦定律

16、、层流：牛顿内摩擦定律、N-SN-S方程。方程。4.4. 湍流：时均方法、紊流附加切应力、普朗特混合长度理湍流：时均方法、紊流附加切应力、普朗特混合长度理论、论、N-SN-S方程。方程。5.5. 尼古拉兹实验、莫迪实验。尼古拉兹实验、莫迪实验。6.6. 管路计算：简单管路特性方程、连续方程、伯努利方程。管路计算：简单管路特性方程、连续方程、伯努利方程。7.7. 水击水击- -液体的弹性。液体的弹性。321.1. 流动损失的分类及计算流动损失的分类及计算2.2. 临界雷诺数：临界雷诺数：Recr=Recr=23202320(2000)(2000)3.3. 雷诺实验雷诺实验22fl vhmdg液体

17、22flpv Pad22jvhmg液体22jpv Pajfwhhh2248,iwfjVwwildhhhRqRhhgdO hjvcr vDCBAvcr 334.4. 粘性流体中的切应力粘性流体中的切应力5.5. N-SN-S方程方程6.6. 层流与湍流的比较层流与湍流的比较xfyfzfxxpzzpyypxzxyzxzyyzyx)(1)(1)(1222222222222222222zvyvxvzpfdtdvzvyvxvypfdtdvzvyvxvxpfdtdvzzzzzyyyyyxxxxx特点特点切应切应力力速度速度分布分布沿程沿程损失损失动能修动能修正系数正系数动量修动量修正系数正系数va/vma

18、x沿程损沿程损失系数失系数层流层流分层分层1二次二次曲线曲线v24/30.5Re/64湍流湍流脉动、脉动、掺混掺混1+2对数对数指数指数v1.75-2110.79-0.87Re、/d347.7. 沿程阻力系数、当量粗糙度沿程阻力系数、当量粗糙度8.8. 局部阻力系数与当量长度局部阻力系数与当量长度9.9. 简单管路及其特性简单管路及其特性22,22eel vvdldgg2wfjVhhhRq3510.10.串联管路及其特性串联管路及其特性11.11.并联管路及其特性并联管路及其特性12.12.节点流量之和为节点流量之和为0 0、闭合环路损失之和为、闭合环路损失之和为0 0。123vvvvqqqq123wwwwhhhh123RRRR2wVhRq.321vvvvqqqq.321wwwwhhhh1231111RRRR2wVhRq3613.13.管路计算管路计算 13.113.1 简单管路计算简单管路计算 qV、l、d 、 ，求，