《流体力学专升本复习》课件

流体力学专升本复习本课件旨在帮助您复习流体力学专升本考试，内容涵盖了流体力学的基本概念、静止流体力学、流体运动学、流体动力学、相似理论、粘性流体流动、压缩性流体流动等重要内容。通过本课件的学习，您可以更深入地理解流体力学的基本原理，并为考试做好充分准备。课程大纲第一章绪论流体的基本性质流体的分类流体运动的基本方程连续性方程伯努利方程能量方程动量原理相对静止和相对运动第二章静止流体力学静止流体的压力压力测量液体静压力分布浮力原理液体在曲面上的压力分布第三章流体运动学流线和管线流体微元和微分运动学速度场和加速度场流量和体积流率流体的旋转和剪切第四章流体动力学理想流体的运动方程伯努利方程的应用管道流动流经物体的流场边界层理论第一章绪论流体力学是研究流体（液体和气体）的静止状态和运动规律的学科，是力学的一个分支。流体力学是工程技术领域中一门非常重要的基础学科，其理论和方法广泛应用于航空航天、船舶、水利、机械、化工、能源等各个领域。流体力学的研究对象是流体，流体是指在静止或运动状态下都能发生连续变形的物质。液体和气体都属于流体，它们之间的区别主要在于液体具有体积不变性，而气体具有体积可变性。流体的基本性质密度单位体积流体的质量，通常用ρ表示，单位是kg/m³。粘度流体抵抗剪切变形的能力，通常用μ表示，单位是Pa·s。表面张力液体表面上的分子间引力产生的力，通常用σ表示，单位是N/m。压缩性流体在压力作用下体积变化的性质，通常用压缩系数κ表示，单位是1/Pa。流体的分类液体液体具有体积不变性，在一定的压力下可以保持固定的体积。气体气体具有体积可变性，可以无限膨胀，并充满容器的整个空间。流体运动的基本方程1连续性方程描述流体在运动过程中质量守恒的规律。2伯努利方程描述理想流体在稳定流动状态下能量守恒的规律。3能量方程描述流体在运动过程中能量守恒的规律，考虑了粘性损失和热交换。4动量原理描述流体在运动过程中动量守恒的规律，是牛顿第二定律在流体中的应用。连续性方程定义连续性方程描述了流体在稳定流动状态下，流过任意截面的质量流量保持不变的规律。表达式ρ₁A₁V₁=ρ₂A₂V₂，其中ρ为密度，A为截面积，V为速度。应用连续性方程可以用于计算流体的流量、速度和截面积，也可以用于分析流体的流动方向和变化。伯努利方程静压流体静止状态下的压力。1动压流体运动状态下的压力，与流体速度的平方成正比。2总压静压和动压之和，表示流体的总能量。3能量方程机械能守恒流体在运动过程中，机械能（动能和势能）总量保持不变，不考虑粘性损失和热交换。能量损失实际流动中，由于流体粘性、湍流等因素，会造成能量损失。热交换流体在运动过程中，可能与周围环境发生热量交换，导致温度变化。动量原理1牛顿第二定律动量原理是牛顿第二定律在流体中的应用，描述了流体在运动过程中动量变化的规律。2动量方程动量方程是动量原理的数学表达式，用于计算流体在运动过程中的力和动量变化。3应用动量原理广泛应用于水力机械、航空航天等领域，用于分析流体对物体的作用力，如喷气发动机推力的计算。相对静止和相对运动1相对静止当观察者和流体都处于静止状态，或观察者和流体以相同的速度运动时，流体相对于观察者是静止的。2相对运动当观察者和流体以不同的速度运动时，流体相对于观察者是运动的。3应用相对静止和相对运动的概念广泛应用于流体力学的各个领域，例如，分析船舶在水中的运动、飞机在空气中的运动等。第二章静止流体力学静止流体的压力压力测量液体静压力分布浮力原理液体在曲面上的压力分布静止流体的压力定义静止流体内部各点由于流体自身重力产生的压力，称为静止流体的压力。影响因素静止流体的压力取决于流体的密度、重力加速度和深度。压力测量1压力计利用液体柱的高度变化来测量压力。2压力传感器利用压力敏感元件的变化来测量压力，如压电式、电容式、电阻式等。液体静压力分布深度影响液体静压力随深度增加而线性增加。方向影响液体静压力作用在容器壁上的方向垂直于容器壁。浮力原理1阿基米德原理浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开液体的重量。2应用浮力原理广泛应用于船舶、气球、潜水艇等领域。液体在曲面上的压力分布压力中心液体对曲面压力的合力的作用点，称为压力中心。计算方法压力中心的计算需要根据曲面的形状进行积分运算。应用液体在曲面上的压力分布的计算在水坝设计、船舶设计等领域具有重要意义。第三章流体运动学1流线在流体运动中，流体微元运动的轨迹称为流线。2管线流线组成的曲线，代表流体运动的路径。3速度场流体中各点速度的分布，称为速度场。4加速度场流体中各点加速度的分布，称为加速度场。5流量单位时间内流过某一截面的流体体积，称为流量。流线和管线流线流体微元运动的轨迹，在稳定流动中，流线是不变的。管线流线组成的曲线，代表流体运动的路径，可以是直线、曲线或折线。应用流线和管线可以用来可视化流体运动，并帮助理解流体运动的规律。流体微元和微分运动学流体微元流体中一个无限小的体积单元，可以用来研究流体的运动。微分运动学研究流体微元的运动规律，包括速度、加速度和旋转等。速度场和加速度场1速度场流体中各点速度的分布，可以用矢量图或数学函数表示。2加速度场流体中各点加速度的分布，可以用来分析流体的运动状态。流量和体积流率流量单位时间内流过某一截面的流体体积，称为流量。体积流率流量的另一种表示方式，指的是单位时间内流过某一截面的流体体积。应用流量和体积流率可以用来计算流体的运动速度，也可以用于分析流体的流动状态。流体的旋转和剪切旋转流体微元绕某一轴线旋转，称为旋转。1剪切流体微元在层流中，相邻层之间存在速度差，称为剪切。2第四章流体动力学1理想流体不考虑粘性和压缩性的流体，也称为无粘流体。2粘性流体考虑了粘性的流体，实际流体都具有粘性。3边界层粘性流体在固体壁面附近形成的薄层，其中流体速度发生急剧变化。4湍流流体运动中，速度和压力等物理量在时间和空间上发生不规则变化的流动状态。理想流体的运动方程欧拉方程描述理想流体在稳定流动状态下动量守恒的规律。伯努利方程描述理想流体在稳定流动状态下能量守恒的规律。伯努利方程的应用飞机升力伯努利方程可以用来解释飞机机翼产生升力的原理。文丘里管伯努利方程可以用来测量流体的流量。皮托管伯努利方程可以用来测量流体的速度。管道流动1层流流体在管道中以平稳、有序的方式流动，层与层之间没有混合。2湍流流体在管道中以不规则、紊乱的方式流动，层与层之间存在混合。3阻力损失流体在管道中流动时，由于粘性和湍流等因素，会造成能量损失。流经物体的流场绕流流体绕过物体运动的现象，称为绕流。阻力流体对物体运动的阻碍力，称为阻力。升力流体对物体运动的向上作用力，称为升力。边界层理论1边界层粘性流体在固体壁面附近形成的薄层，其中流体速度发生急剧变化。2边界层分离当流体流动速度过快或物体形状不规则时，边界层可能会从物体表面分离。第五章相似理论和模型试验1相似理论研究不同尺寸的模型和原型之间的流动相似性的理论。2无量纲数用来描述流动相似性的物理量，如雷诺数、弗劳德数等。3模型试验在模型上进行的试验，用来研究原型的流动特性。相似理论的基本概念几何相似模型和原型具有相同的形状，但尺寸不同。运动相似模型和原型在对应位置具有相同的运动轨迹和速度。动力学相似模型和原型在对应位置具有相同的压力、力和力矩。无量纲数及其应用雷诺数用于描述流体流动状态的无量纲数，用来判断层流和湍流。弗劳德数用于描述流体流动状态的无量纲数，用来判断流体流动是否为水力跳跃。动力学相似1定义动力学相似是指模型和原型在对应位置具有相同的压力、力和力矩。2条件满足几何相似、运动相似和动力学相似三个条件。3应用动力学相似原理可以用于模型试验，将模型试验的结果应用于原型。水力机械模型试验目的研究水力机械的性能，如水轮机、水泵等。方法根据相似理论，建立与原型相似的模型，在模型上进行试验。应用水力机械模型试验可以帮助工程师优化水力机械的设计，提高其效率。航空器模型试验目的研究航空器的空气动力特性，如升力、阻力、稳定性等。方法将航空器的模型放置在风洞中，模拟航空器在空中飞行的条件。应用航空器模型试验可以帮助工程师优化航空器的设计，提高其性能。第六章粘性流体的流动1层流流体在管道中以平稳、有序的方式流动，层与层之间没有混合。2湍流流体在管道中以不规则、紊乱的方式流动，层与层之间存在混合。3雷诺数用于判断层流和湍流的无量纲数，其值越大，越容易发生湍流。层流和湍流层流流体流动平稳、有序，流体微元沿直线运动，没有横向混合。湍流流体流动不规则、紊乱，流体微元沿不规则轨迹运动，存在横向混合。雷诺数及其意义定义雷诺数是流体惯性力与粘性力之比，用来判断流体流动状态。应用当雷诺数小于临界雷诺数时，流体流动为层流；当雷诺数大于临界雷诺数时，流体流动为湍流。层流和湍流的特点1层流流动平稳、有序，没有横向混合，速度分布为抛物线型。2湍流流动不规则、紊乱，存在横向混合，速度分布为对数型。流经管道的阻力损失摩擦阻力流体与管道壁面之间摩擦产生的阻力。局部阻力流体在管道中流动时，由于管道形状变化、阀门、弯头等引起的阻力。流经物体的阻力阻力系数描述流体对物体阻力的一个无量纲数，与物体的形状、流体速度和密度有关。影响因素物体的形状、流体速度、流体密度和粘度等都会影响阻力的大小。应用流经物体的阻力在航空航天、船舶设计等领域具有重要意义。第七章压缩性流体的流动1声速声音在流体中传播的速度，与流体的温度和密度有关。2亚声速流动流体速度小于声速的流动。3超声速流动流体速度大于声速的流动。4冲击波当流体速度大于声速时，会形成冲击波，是一种特殊的压缩波。声速及其意义定义声音在流体中传播的速度，称为声速。影响因素声速与流体的温度和密度有关，温度越高，声速越快；密度越大，声速越慢。应用声速是判断流体流动状态的一个重要指标，用来区分亚声速流动、超声速流动和临界声速流动。亚声速、临界声速和超声速流动亚声速流动流体速度小于声速的流动，其特点是流体流动平稳、有序。超声速流动流体速度大于声速的流动，其特点是流体流动不规则、紊乱，会形成冲击波。临界声速流动流体速度等于声速的流动，其特点是流体流动状态发生改变，会出现一些特殊的现象。等熵流动1定义等熵流动是指流体流动过程中，熵保持不变的流动。2特点等熵流动是理想流动，在实际流动中，由于粘性和热交换等因素，很难完全实现等熵流动。冲击波