粘性不可压缩流体运动

粘性不可压缩流体运动演示文稿1当前1页，总共66页。（优选）粘性不可压缩流体运动2当前2页，总共66页。粘性不可压缩均质流体运动方程组连续性方程运动方程能量方程本构方程状态方程3当前3页，总共66页。粘性不可压缩均质流体运动方程组连续性方程

N－S方程本构方程涡旋运动方程（流体正压，外力有势）4当前4页，总共66页。初始条件与边界条件

(1)初始条件：t=0时，流场中已知速度分布及压力分布

(2)边界条件：静止固壁上：满足粘附条件运动固壁上：满足自由面上：满足5当前5页，总共66页。(1)有旋性：绝大部分粘性不可压缩流体运动都是有旋的粘性流体运动的一般性质(2)涡旋的扩散性：涡旋强的地方将向涡旋弱的地方输运涡量，直至涡量相等为止。6当前6页，总共66页。微分形式的能量方程微分形式的动能定理内能的变化率变形面力作的功热传导传入的热量辐射或其他原因传入的热量7当前7页，总共66页。粘性流体运动的一般性质(3)机械能的损耗性：由于粘性的存在，面力所做的功只有一部分转化为动能，另一部分被粘性应力耗损变成了热能，单位体积内耗损的动能由耗损函数确定：8当前8页，总共66页。第二节粘性不可压缩流体运动方程组的求解途径方程组的特点：二阶非线性偏微分方程组连续性方程

N－S方程本构方程解的存在和唯一性？9当前9页，总共66页。第二节粘性不可压缩流体运动方程组的求解层流湍流准确解粘性不可压缩流体运动近似解小Re数大Re数中Re数统计理论模式理论混合长度理论K-ε方程RSM模型10当前10页，总共66页。9.2.1粘性不可压缩流体层流运动的准确解粘性不可压缩流体在无限长柱形管道内的定常运动已知：管截面上的形状及两个截面上的压力求：管截面上速度分布、流量及管道中的阻力系数11当前11页，总共66页。连续性方程一维流动12当前12页，总共66页。

N－S方程13当前13页，总共66页。

N－S方程连续性方程14当前14页，总共66页。边界条件静止固壁上：满足粘附条件在截面a处，即x=0，满足：在截面b处，即x=l，满足：15当前15页，总共66页。16当前16页，总共66页。P为常数在截面a处，即x=0，满足：在截面b处，即x=l，满足：17当前17页，总共66页。压力沿轴向线性下降0lpapb泊松方程18当前18页，总共66页。二元二阶偏微分方程(1)轴对称流动：圆心在原点的圆管中粘性流体运动(2)平面运动：两个平行x-z坐标面的无限长平面间的粘性流体运动一元二阶常微分方程准确解边界条件直接积分19当前19页，总共66页。二元二阶偏微分方程(1)轴对称流动：圆心在原点的圆管中粘性流体运动结构轴对称流动分布轴对称20当前20页，总共66页。(1)轴对称流动：圆心在原点的圆管中粘性流体运动21当前21页，总共66页。(1)轴对称流动：圆心在原点的圆管中粘性流体运动在边壁在中心22当前22页，总共66页。(1)轴对称流动：圆心在原点的圆管中粘性流体运动粘性不可压缩流体运动－轴对称圆管内定常层流23当前23页，总共66页。(a)速度分布剖面24当前24页，总共66页。(b)流量及平均速度r半径r处圆环的面积25当前25页，总共66页。(c)阻力系数r=a时：定义阻力系数：26当前26页，总共66页。(3)阻力系数定义雷诺系数：在轴对称圆管内定常层流状态下与实验值吻合27当前27页，总共66页。(2)两个平行板间的定常运动及库塔流由上、下两个平行平板组成的二维渠道，粘性不可压缩流体在压差作用下在渠道内作定常流动，板间距离为2h28当前28页，总共66页。在上截面处，即y=h，满足：在下截面处，即y=-h，满足：29当前29页，总共66页。二维泊素叶流动30当前30页，总共66页。纯剪切流动在上截面处，即y=h，满足：在下截面处，即y=0，满足：U纯剪切流动：上、下游没有压差，只有平板的拖动31当前31页，总共66页。库塔流：既有压差，又有平板的拖动在上截面处，即y=h，满足：在下截面处，即y=0，满足：UPaPb32当前32页，总共66页。粘性不可压缩流体层流运动的准确解小结N－S方程一元二阶常微分方程33当前33页，总共66页。9.2.2粘性不可压缩流体层流运动的近似解普朗特边界层方程－大Re数下层流运动近似解惯性力远远大于粘性力能否忽略粘性力的作用？34当前34页，总共66页。普朗特边界层方程－大Re数下层流运动近似解惯性力远远大于粘性力如忽略粘性力的作用，简化N-S方程与理想不可压缩流体运动方程相同边界上不满足粘附条件：v=035当前35页，总共66页。边界层(附面层)：当流体流过物体，或物体在流体中运动时，在物体表面和与之直接接触的薄层流体之间，由于粘性的存在，都会出现附着作用，而使这一层流体附着在物体表面，速度为零，与相邻的另一层流体之间便出现速度梯度。离开表面向外沿法线方向延伸，速度急剧增大，速度梯度则逐渐减小。速度梯度变化很大的那一层流体称为边界层或附面层。边界层外流区36当前36页，总共66页。整个绕流区边界层外流区外流区：忽略粘性力的作用－理想无旋边界层：考虑粘性力的作用－粘性有旋边界线：与来流速度相差1%的流体质点连线37当前37页，总共66页。普朗特的观点：外流区：粘性力远远小惯性力的作用，忽略粘性力的作用－理想无旋（平面势流）边界层：粘性力与惯性力同量级，考虑粘性力的作用－粘性有旋，边界层厚度δ比特征长度L小得多，而且x方向速度分量沿法线方向的变化比切向大得多。（N－S方程）38当前38页，总共66页。边界层内粘性不可压缩流体基本方程（二维）39当前39页，总共66页。边界层内粘性不可压缩流体基本方程（二维）(1)通过量纲分析，发现比更高阶的无穷小，故可忽略此方向的压力变化，即：即压力数值穿过边界层并不改变，同时忽略y方向的动量方程(2)通过量纲分析，发现：是更高阶的无穷小，可忽略40当前40页，总共66页。边界层内粘性不可压缩流体基本方程（二维）41当前41页，总共66页。边界条件静止固壁上：满足粘附条件在边界层边界y=δ处，满足：U(x)是边界层外部边界上外流的速度分布42当前42页，总共66页。初始条件：t=t0时刻，已知全部区域内的速度及压力分布43当前43页，总共66页。绕流区域内粘性不可压缩流体基本方程（二维）－普朗特边界层方程外部区域内理想不可压缩流体无旋运动方程44当前44页，总共66页。绕流区域内粘性不可压缩流体基本方程（二维）－普朗特边界层方程的核心思想1提出了边界层的概念，合理的将整个绕流区划分为两个部分；2在边界层内合理的将N－S方程进行了简化；3整个绕流区内压力的分布不受边界层分布的影响，与理想不可压缩流体无旋运动时相同45当前45页，总共66页。9.2.3半无穷长平板的层流边界层－普朗特边界层方程的Blasius解无限空间中一均匀气流以速度U沿板面方向定常地向一半无穷长且厚度为零的平板流来，求解在板面上边界层内的速度分布1边界层以外的区域：速度场均匀定常且为常数U46当前46页，总共66页。2边界层内流体的运动方程47当前47页，总共66页。边界条件静止固壁上：y=0在边界层边界y=δ处，满足：48当前48页，总共66页。2边界层内流体的运动方程引入流函数二元二阶非线性偏微分方程组连续性方程自动满足49当前49页，总共66页。2边界层内流体的运动方程边界条件静止固壁上：y=0在边界层边界y=δ处，满足：一元三阶非线性偏微分方程50当前50页，总共66页。2边界层内流体的运动方程根据量纲分析，构造组合变量使得：51当前51页，总共66页。2边界层内流体的运动方程52当前52页，总共66页。2边界层内流体的运动方程边界条件一元三阶非线性常微分方程53当前53页，总共66页。Blasiuse的解决方案：普朗特边界层方程一元三阶非线性常微分方程二元二阶非线性偏微分方程组一元三阶非线性偏微分方程组54当前54页，总共66页。Blasiuse的解－层流边界层近似解55当前55页，总共66页。9.3边界层脱体现象及产生的条件降压增速区增压减速区顺压区逆压区56当前56页，总共66页。9.3边界层脱体现象及产生的条件57当前57页，总共66页。9.3边界层脱体现象及产生的条件顺压区逆压区压差阻力58当前58页，总共66页。9.3边界层脱体现象及产生的条件59当前59页，总共66页。9.3边界层分离现象及产生的条件结论1：沿流动方向存在逆压区是产生流动脱体现象的原因60当前60页，总共66页。粘性流体的绕流存在逆压区，但不产生流动分离现象61当前61页，总共66页。沿流动方向存在逆压区，但不产生流动分离现象理想不可压缩流体无旋运动－圆柱无环量绕流62当前62页，总共66页。9.3边界层分离现象及产生的条件结论2：沿流动方向存在逆压区和壁附近的粘性滞止作用是产生流动脱体现象的