流体力学 章节重点内容

第一章小结主要内容：（1）流体的力学定义：受任何微小剪切力都能连续变形的物质（2）流体的连续介质模型、不可压缩模型、理想流体模型连续介质模型：①把流体视为没有间隙地充满所占据的整个空间的一种连续介质，物理量：f=f(t,x,y,z)。②流体微团（流体质点）作为最小研究对象：1）宏观上无限小；2）微观上足够大3）有确定物理量；不可压缩模型：通常情况下液体、流速不高、压强变化小气体，如空气流速小于102m/s，烟道 （常数）理想流体：（3）流体的压缩性、膨胀性、粘性流体的压缩性：①压强增加体积缩小的性质；②压缩系数k：单位压强增大体积的相对减小值

③体积模量K：和流体种类、t、p有关，工程中水近似取K=2.0GPa 流体的膨胀性：①温度升高体积增大的性质；②体胀系数： 流体的粘性（黏性）：在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质 动力粘度，简称粘度。与流体的种类、t和p有关。单位为Pa·s，衡量粘性大小（4）作用在流体上的力：表面力、质量力1）表面力：作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。按作用方向可分为：法向力（垂直于作用面ΔP），切向力（平行于作用面ΔT）应力：单位表面积上的表面力， 或Pa法向应力，压强p: 切向应力t：2）质量力：作用于每一流体质点上与质量成正比的力，均质流体，质量力与体积成正比，又称体积力。单位为N。单位质量力：单位质量流体所受到的质量力，单位：m/s2，与加速度单位一致直角坐标系最常见的质量力有：重力、惯性力第二章小结重点掌握以下内容：（1）流体静压强特性：①方向沿作用面的内法线方向；②大小与作用面的方位无关，即任一点上各方向上的流体静压强都相同。即px=py=pz=p（2）流体静力学基本方程及其物理和几何意义，静压强的分布基本方程式 可得：1）静止流体中，p随h线性变化；2）任一点压强由两部分组成：一部分是p0；另一部分是ρgh，气体，高差不大时，可忽略；3）Pascal原理:p0任何变化，将以同一数值沿各个方向传递到流体中每一点。物理意义：z单位重量流体的位置势能，单位(J/N,m)；p/rg----压强势能，单位(J/N,m)，连续均质不可压缩静止流体中，各点的总势能是相等的几何意义：单位重量流体的能量用液柱高度表示，水头；z单位重量流体的位置高度、位置水头(m)；p/rg-------压强水头；二者之和为静水头、测压管水头（3）静止液体作用在平板上总压力大小静止液体中不存在切向应力，则总压力垂直于作用平面总压力大小 （yc为形心c到x轴的距离，hc:形心淹深，pce为形心c的计示压强）即总压力相当于以平面面积为底，平面形心淹深为高的柱体的液重（4）静止液体作用在曲面上总压力，压力体总压力大小和方向 方向，总压力与垂线间的夹角为1）水平分力 2）垂直分力 （Vp称为压力体）静止液体作用在曲面上垂直分力为压力体液体重量压力体的概念：压力体是所在曲面和自由液面所包围的空间体积，是一个纯数学体积计算式，与压力体内是否充满液体无关。第三章小结重点掌握以下内容：欧拉法 又称局部法，站岗法，从每一空间点的流体质点运动着手，来研究整个流场的运动状态。流体质点的物理量是空间坐标和时间的函数，如流线：表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线，曲线上的每一点速度总是在该点与此曲线相切；欧拉法研究重要概念。流线的性质：1）同一时刻的不同流线，不能相交，奇点和驻点除外；2）流线不能突然转折，是一条光滑的曲线；3）流线簇的疏密反映了速度的大小；4）定常流动中，迹线和流线重合。迹线：某一流体质点在不同时刻的运动轨迹，拉格朗日法研究的内容定常流动，非定常流动（按流体运动状态与时间的关系划分）一维流动，二维流动，三维流动（按流动空间坐标变量划分）有效截面：处处与流线相垂直的流束的截面称为流束的有效截面流量：单位时间内流经某一规定表面的流体量称为该表面的流量，分为体积流量(m3/s)和质量流量(kg/s)体积流量 质量流量 缓变流：流线间的交角很小、流线曲率半径很大的近乎平行直线的流动急变流：流线间的交角较大、流线曲率半径较小的非平行直线的流动平均流速 A为有效截面积湿周：总流的有效截面上，流体同固体边界接触部分的周长，用c(xi)表示水力半径：总流的有效截面积与湿周之比,用Rh表示 水力半径与一般圆截面的半径是完全不同的概念，不能混淆。当量直径：4倍水力半径为当量直径 一维管内流动的连续性方程定常流动截面上密度视为常量，得不可压缩流体 通常写为分叉流动：理想流体伯努利方程的每一项的物理和几何意义及方程的应用理想流体沿流线的伯努利方程前提：理想流体，不可压缩，定常流动，沿同一流线，质量力只有重力 或 理想流体沿流线的伯努利方程。对不同流线有不同的常数。1）物理意义z代表单位重量流体的位置势能，p/rg----压强势能，v2/2g----动能，单位均为(J/N,m)理想不可压缩流体在重力作用下做定常流动时，沿流线上各点的单位重量流体所具有的位置势能、压强势能和动能之和是常数。即机械能是一常数，但三种能量之间可以相互转换，伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种特殊表现形式。2）几何意义z代表单位重力流体的位置高度、或位置水头(m)，p/rg--压强水头，v2/2g--速度水头理想不可压缩流体在重力作用下做定常流动时，沿同一流线上各点的单位重力流体所具有的位置水头、压强水头和速度水头之和是常数。即总水头保持不变。定常一维管内流动的动量方程及应用动量定理：流体系统动量的时间变化率等于作用在系统上的外力的矢量和。适用范围：1）理想流体、实际流体的定常流；2）缓变流截面，而过程可以不是缓变流；3）质量力只有重力；4）沿程流量不发生变化；若变化，则用下式解题步骤：1）选控制体；2）选坐标系；3）作计算简图；4）列动量方程解题注意：1）应是输出的动量减去输入的动量；2）计算压力时，压强采用相对压强计算；3）与能量方程及连续性方程的联合使用第五章小结重点掌握以下内容：粘性流体总流伯努利方程的物理意义及应用条件总水头线沿流动方向逐渐减少适用范围：重力作用下不可压缩粘性流体定常流动任意二缓变流的有效截面。取a=1.0，一般写为层流和紊流，Re数的物理意义及应用雷诺数小于临界雷诺数时，粘滞力作用强，流体层流；大时，惯性力占主导，紊流工程取Recr=2000为判别圆管流态的准则数，即： 是层流， 是紊流非圆形截面管道能量损失的两种类型：1）沿程损失：发生在缓变流整个流程中，由于流体的粘滞力造成的损失 （达西公式，l-沿程损失系数） 2）局部损失：发生在阀门、弯管等急变流区段，由于流体微团的碰撞、产生旋涡等造成的损失。 （z-局部损失系数）水力光滑管和水力粗糙管绝对粗糙度e：管壁的粗糙凸出部分的平均高度 相对粗糙度e/d：绝对粗糙度与管径d的比值“水力光滑”和“光滑管”： “水力粗糙”和“粗糙管”:局部损失的计算1、损失原因分析：产生旋涡，流体碰撞管道与大面积的水池相连时大面积的水池与管道相连时弯管损失原因：1）切向力造成沿程损失；2）旋涡；3）由二次流形成的双螺旋流动局部损失换算：换算成等值长度的沿程损失，le表示等值长度串联管道和并联管道的水力计算管道分类简单管道：是指管径、绝对粗糙度、流速、流量沿程不变，且无分支的单线管道复杂管道：是指由两根以上管道所组成的管路系统长管：指管道中以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重小于（5%-10%）的沿程水头损失，因此可予以忽略的管道的局部损失；短管：局部水头损失和流速水头不能忽略的管道串联管道：由不同直径或粗糙度的数段管子连接在一起的管道流量特点： 常数水头损失特点：对A，B列伯努利方程已知qV求H：先求流速，Re再求损失系数，然后的得H并联管道：在某处分成几路、在下游某处又汇合成一路的管道流量特点： 水头损失特点：水击及减弱水击现象：管道中流动一定压强的液体,阀门迅速关闭时,流速突然变小,局部压强突然升高，产生水击波，从阀门处迅速向上游传播，并在一定条件下反射回来，形成往复波动，水击波循环往复传播会引起管道振动。影响粘度的因素：1）流体种类。一般，相同条件下，液体大于气体；2）温度。是影响粘度的主要因素。t升高，液体减小，气体增加原因：a.液体：分子间吸引力是产生的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，所以值减小。b.气体：气体分子间距离大，主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以值增加。（3）运动粘度n如何避免或减弱水击？1）避免直接水击，间接水击时ts尽量大2）采取过载保护，设蓄能器、调压塔或安全阀等缓冲3）减低管内流速，缩短管长，使用弹性好的管道等边界层：在紧靠物体表面的薄层内，流速将由零值迅速增加到与来流速度同数量级的大小，这种在大雷诺数下紧靠物体表面的薄层称为边界层。分为两个区：在边界层和尾涡区域内，必须考虑流体的粘滞力，是粘性流体的有旋流动；在边界层和尾涡区以外的区域内，粘滞力很小，是理想流体的无旋流动从固体壁面沿外法线到速度达到势流速度的99%处距离为边界层的厚度，用d表示边界层的基本特征：厚度很小；速度梯度很大；沿流动方向逐渐加厚；边界层中压强等于外边界上的压强；粘滞力和惯性力同数量级；有层流和紊流；边界层分离条件：1）主流速度足够大；2）绕流曲面物体；3）增压减速区；卡门涡街：Re数到60时，形成几乎稳定的、非对称性的、多少有些规则的、旋转方向相反的交替漩涡，称为卡门涡街。减小阻力的措施:减摩擦阻力：使层流附面层尽可能长，“层流型”，使翼型的最大速度点尽可能后移；减压差阻力：使附面层分离点尽可能后移，“流线型”，使压强升高区尽可能后移。管道水力计算主要任务：由流量和允许的压强损失确定管道直径和布置由管道直径、管道布置和流量来验算压强损失由管道直径、管道布置和允许压强损失，校核流量流线的性质：同一时刻的不同流线，不能相交，奇点和驻点除外；流线不能突然转折，是一条光滑的曲线；流线簇的疏密反映了速度的大小。气体一维流动的前提条件：1）定常流动；2）理想气体；3）完全气体；4）质量力忽略；