液体三元流动基本原理

液体三元流动基本原理第1页/共72页本章内容5.2流线与迹线微分方程5.3液体三元流动的连续性方程5.4液体微团运动的基本形式5.5有旋运动简介5.6液体恒定平面势流5.7边界层简介第5章液体三元流动基本原理第2页/共72页1.流线（1）定义：流线是某瞬时在流场中绘出的曲线，曲线上各点的速度矢量均与该曲线相切。

5.2流线与迹线微分方程第3页/共72页（2）流线方程：由得出流线微分方程：t

为流线方程的参数，积分时可视作常数。第4页/共72页2.迹线

（1）定义：迹线是流体质点运动的轨迹。（2）迹线方程由得出迹线微分方程：t

为变量。第5页/共72页例1已知用欧拉变数表示的流体运动的速度场为(式中，k为大于零的常数)，求流线与迹线。第6页/共72页5.3液体三元流动的连续性方程dt时段,x,y,z三个方向流出与流入控制体积的液体的质量差为：1、方程的推导第7页/共72页第8页/共72页第9页/共72页哈密顿算子液体三元流动的连续性方程质量净流出质量减少第10页/共72页第11页/共72页

2．连续性方程的简化（1）恒定流动，不论液体是否压缩

（2）不可压缩流体流动，不论是否恒定（4）对于二维恒定不可压缩流动第12页/共72页

3．连续性方程的意义（1）质量守恒（2）用连续性方程判别流动能否发生（3）用连续性方程推求某一速度分量（4）与运动微分方程联立求解

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例1已知二维恒定不可压缩流动速度场为判别流动是否能发生。解：所以该流动能发生。第14页/共72页

例2已知二维恒定不可压缩流动径向速度分量为式中A为常数，求切向速度分量解：第15页/共72页1、液体微团运动形式：

5.4液体微团运动的基本形式平移、旋转和变形第16页/共72页2、液体质点的基本运动形式分析设微团平行于xoy平面的投影面为ABCD，在t瞬时，各角点沿x,y方向的速度分量第17页/共72页液体质点的基本运动形式平移是指液体微团在运动过程中任一线段的长度和方位均不变。平移速度为ux,uy第18页/共72页线变形是指液体微团在运动过程中仅存在各线段的伸长或缩短。线变形率第19页/共72页角变形角BAC的减少量为平均角变形为x角变形率第20页/共72页角变形和旋转第21页/共72页角变形率旋转角速度第22页/共72页角变形率旋转角速度第23页/共72页线变形率分量：角变形率分量：

旋转角速度分量：第24页/共72页变形率（应变率）张量为：

流体的速度分解定理：流场中任一点处的速度为平移速度、旋转速度与变形速度之和。第25页/共72页5.5有旋运动简介有旋流动（有涡流动）类似于流速场引用流线、流管、流束、流量有旋运动的涡场引入涡线、涡管、涡束、涡通量的概念来表征。第26页/共72页涡线、涡管、涡束在某瞬时，在涡场中假想的一条空间几何曲线，在此曲线上，各质点的旋转角速度矢量都与该点的曲线相切，则定义这条曲线为涡线。涡线微分方程第27页/共72页

涡量、涡通量、速度环量和斯托克斯定理涡量:速度的旋度。第28页/共72页涡通量（涡旋强度）

速度环量:在流场中任取一封闭的曲线，把速度沿该封闭曲线的线积分定义为绕曲线L的速度环量，记作:第29页/共72页

斯托克斯定律：通过某一曲面的涡通量

等于沿该曲面周界的速度环量

。第30页/共72页1、流函数定义5.6液体恒定平面势流5.6.1流函数

由流体平面不可压缩的连续性方程,即则有即连续性方程自动满足称为流函数若设第31页/共72页2、流函数的性质(1).

=C为流线,即流函数等值线就是流线(2).平面无旋不可压,流函数满足拉氏方程为调和函数第32页/共72页(3).两条流线的流函数值之差等于这两条流线间所通过的单宽流量第33页/共72页

1、速度势函数定义流动无旋5.6.2速度势函数若令流动无旋自动满足称j为速度势函数则有第34页/共72页2、速度势函数的性质(1)等势线与流线正交第35页/共72页2、速度势函数的性质(2)无旋不可压,速度势函数满足拉氏方程j为调和函数代入不可压连续性方程得第36页/共72页例3平面速度场试求:(1).是否为可能存在的流动

(2).求流函数

(3).是否无旋解:(1).(2).第37页/共72页例3平面速度场试求:(2).求流函数

解:第38页/共72页例3平面速度场试求:(1).是否为可能存在的流动(2).求流函数(3).是否无旋

解:(3).所以流动无旋第39页/共72页

1.

流函数与速度势函数为共轭函数流函数与速度势函数这一关系，在数学上称为柯西(Cauchy)-黎曼（Riemann）条件，满足这一条件的函数称为共轭函数。5.6.3流网及其性质

第40页/共72页2、流网的性质2每一网格的边长之比，等于流函数和流速势函数的增量之比;1流网是正交网格;第41页/共72页2、流网的性质3对于曲边正方形网格，任意两条流线间的单宽流量为常量。第42页/共72页3、求流网的方法解析法实验法（水电比拟法）手描法第43页/共72页

水电比拟法电场中的物理量与渗流场中的物理量存在着相似关系。第44页/共72页手描法绘制流网的步骤：1.按比例绘制流动的边界，确定边界流线和边界等势线；2.按液流的流动趋势试绘流线；3.根据流网正交特性绘制等势线。一般绘制成曲边正方形网格;4.检验。加绘网格的对角线加以检验;初绘流网，不一定符合要求，重复步骤2、3进行修正，直至符合要求为止。

第45页/共72页5.6.4基本平面势流及势流叠加原理不可压液体基本平面势流

1.平行流速度场：流函数：势函数：流线：平行与x轴的直线。等势线：平行与y轴的直线。第46页/共72页2.源与汇

速度场：流函数：势函数：流线：为一族从原点引出的径向直线等势线：为以原点为圆心的一族同心圆

极坐标的柯西－黎曼条件第47页/共72页3.势涡（自由涡）

速度场：流函数：势函数：流线：为以原点为圆心的一族同心圆等势线：为一族从原点引出的径向直线第48页/共72页势流叠加原理设有两个简单势流，其势函数分别为，流函数分别为，流速分别为。这两个简单势流叠加后仍然为势流。势函数：流函数：流速:第49页/共72页5.7粘性液体应力特征及应力—变形率关系

用理想液体的势流理论来研究低粘性大雷诺数情况下的粘性液体运动，所得的流速分布在除壁面附近以外的广大区域内是符合实际的，而压强分布几乎在全流场范围内都与实际一致。但在计算阻力等其他问题时，则会得到错误的结果。对于高粘性或小雷诺数情况下的粘性液体运动，则势流解与实际相差甚远；为此．需研究粘性流体的三元流动问题。本节研究粘性液体流动的应力特征和应力与变形率的一般关系，以便为建立不可压缩粘性液体运动微分方程和以后研究边界层理论打下基础。第50页/共72页液流中一点处的应力状态

在粘性液流中，不但有压应力，而且有切应力存在，故其表面力可以分解成互相正交的一个法向应力(正应力)和两个切向应力。微小正六面体液体微团各边均趋于零时，正六面体趋于一点。A点的三个互相垂直的作用面上，有三个法向应力分量和六个切向应力分量，这九个应力分量就反映了该点的应力状态。

第一个下标表示作用面的法线方向，第二个下标表示应力的作用方向。当作用面的外法线方向与坐标轴指向一致时，应力以顺坐标轴指向为正，当作用面的外法线方向与坐标轴指向相反时，应力以逆坐标轴指向为正。

第51页/共72页应力与变形率的关系

牛顿内摩擦定律的应力与变形率成线性关系。假定在粘性液体三元流动一般情况下，应力与变形率之间仍然保持线性关系，略去推导过程．直接写出它们之间的关系。对于法向应力以上各分式中的第二项为粘件附加压强项。对于不可压缩流体表明附加压强项与动力粘性系数及线变形率有关。

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切应力

上式称为广义牛顿内摩擦定律。同一点的切应力，当下标互换时，彼此相等。因此，粘性流体中，一点处的9个分量中，只有6个是彼此独立的。

第53页/共72页法向应力和切应力表达式反应了不可压缩牛顿流体三元流动应力与变形率的一般关系式。它包括各种特殊情况，讨论如下：１.当液体静止时，；法向应力为；这里，p为静水压强，仅此一个标量就能描述静止液体中一点的应力状态。

2．当液体流动，但粘性效应可以忽略不计计，即为理想液体时，式中粘性项均可略去。同样有；。即在理想液体中，也不存在切应力，而各方向的法向应力的大小就等于理想液流中动水压强p。

3．当粘性液体作平面流动（xoy平面），时，则可简化为牛顿内摩擦定律。而切应力表达式可看作是牛顿内摩擦定律的三元推广，因此被称为广义牛顿内摩擦定律。第54页/共72页粘性液体三元流动的法向应力特征当粘性液体流动时．由于粘性影响，不仅出现切应力，而且一点处各方向上的法向应力的大小也不等。由法向应力表达式可知，除-p外，还有一项粘性附加压强项。如果把三个法向应力的表达式相加，则得

对于不可压缩流体式中p为粘性液体的动水压强。它的大小是三个坐标方向上法向应力的平均值。一般情况下，它是位置坐标的函数，非恒定流时还是时间的函数。

第55页/共72页5.8液体运动微分方程

在研究液流内部应力特性的基础上，可根据牛顿运动定律，先建立应力形式的运动微分方程(应力微分方程)，再建立不可压缩粘性液体运动微分方程(纳维—斯托克斯方程)、理想液体运动微分方程(欧拉方程)和以时均值表示的粘性液体紊流时均运动微分力程(雷诺方程)。第56页/共72页应力形式的运动微分方程在粘件液体中取一微小正六面体为控制体．分析作用于控制体内液体的力。

1．质量力单位质量力f，在x，y，z坐标铀的投影为，总质量力F在x，y，z坐标铀的投影为则第57页/共72页2．表面力单