贵州大学工程流体力学期末考试重点.pdf

第一章绪论绪论 1 1 1 1 流体流体 自然界中容易流动的物质称为流体 它包括液体和气体 从形态上看 流体与固体的主要区别在于固体具有固定的形状 而流体则随容器而 方圆 从力学分析的角度看 固体一般可承受拉 压 剪 扭 而流 体则几乎不能承受拉力 处于静止状态的流体还不能抵抗剪力 即流 体在很小的剪力作用下将发生连续不断的变形 至于气体与液体的差 别则主要在于气体容易压缩 而液体难于压缩 另外液体能形成自由 表面而气体不能 2 2 2 2 流体连续介质模型流体连续介质模型 流体连续介质模型假定流体是由质点 或微团 毫无间隙的组成 其 物理性质各向同性 且在空间和时间上具有连续性 因此可采用数学 中的连续函数作为分析工具 工程流体力学在研究流体运动时 由于 只研究外力作用下的机械运动规律 而流体分子除稀薄气体外 相互 间一般是极为密集的 因此将流体视为连续介质既有必要又有可能 3 3 3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体的主要物理性质主要包括惯性 密度 重度 黏滞性 黏 度 和压缩性等 其中 表征惯性的密度 和重度 是大家较为熟悉 的 主要掌握 与 的关系 g 及影响因素 应熟记在常温下 淡水的密度 1000kg m3 和重度 9800N m3 黏滞性是流体在运动状态下抵抗剪切变形速率能力的量度 是流 体的固有属性 是流体运动中产生机械能损失的根源 流体的黏滞性 具有传递运动和阻碍运动的双重性 实际中我们见到的流体流动就是 这对矛盾的统一 压缩性 定义 流体因所受压力变化而引起的体积变化或密度变 化的现象 了解体积压缩系数 或称体积压缩率 和体积弹性系数 或 称体积模量 K 的意义及关系 建立 不可压缩流体 概念 在工 程流体力学中 一般视流体为不可压缩 表面张力 表面张力是液体自由表面在分子作用半径范围内 由于分子引力大 于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力 表面张力定义为自由表面内 单位长度上所受的横向拉力 4 4 4 4 作用在流体上的力作用在流体上的力 在工程流体力学中 通常将作用在流体上的力分为表面力和质量力两 大类 表面力作用在被研究流体的表面上 其大小与被作用的面积成正比 如法向压力和切向摩阻力 平衡流体不存在表面切向力 只有表面 法向力 质量力作用在被研究流体的每个质点上 其大小与被研究流体的质量 成正比 如重力和惯性力 在工程流体力学中 质量力常用单位质量力表示 所谓单位质量力 是指作用在单位质量流体上的质量力 5 5 5 5 工程流体力学的研究方法工程流体力学的研究方法 工程流体力学与其他科学一样 其研究方法一般有实验研究 理论分 析和数值模拟三种 观测方法 原型观测 系统实验 模拟实验 第二章第二章流体静力学流体静力学 本章主要介绍流体处于平衡状态时的力学规律及静止液体作用于平 面和曲面上总压力的计算方法 1 1 1 1 平衡流体的应力特征 流体静压强及其特性 平衡流体的应力特征 流体静压强及其特性 流体处于平衡状态时 表面力只有压力 平衡流体的压力简称为静压 力 单位面积上作用的静压力称为静压强 静压强有两个重要特性 静压强垂直于作用面 并沿着作用面内法线方向 平衡流体中任何一点的静压强大小与其作用面的方位无关 2 流体平衡的微分方程及其积分 流体处于平衡时的力学规律可以通过建立流体微分方程得到 这就是 平衡微分方程的综合形式为 等压面 平衡流体中压强相等的点所组成的平面或曲面称为等压面 等压面的两个性质 1 等压面与等势面重合 2 等压面恒与质量 力正交 3 3 3 3 重力作用下流体静压强的分布规律重力作用下流体静压强的分布规律 1 静压强分布规律 P p0 z0 z p0 h 几何意义 z 位置水头 任一点在基准面 0 0 以上的位置高度 表示单位重 量流体从某一基准面算起所具有的位置势能 简称位能 P 测压管高度 表示单位重量流体从压强为大气压算起所具 有的压强势能 简称压能 压强水头 Z P 测压管水头 单位重量流体的总势能 测压管水头差计算公式 式中 hp 为 U 形管内 液体的两液面高度差 当 U 形管内液体为水银时 上式可变为 ZA PA ZB PB 12 6hp 2 绝对压强 相对压强 真空值 以绝对真空状态作为起量点的压强 称为绝对压强 以 p 表示 其中 p 大于 0 以当地大气压起量的压强称为相对压强 以 p 表示 其中 p 可 可 也可以为 0 两者的关系为 绝对压强 p 小于当地大气压强 pa 的数值称为真空值 pv 即 上述三者之间相对关系如下图所示 3 测压管高度 测压管水头及真空度 相对压强用液柱高度表示 称为测压管高度 即 ha pa 工程流体力学上 把任一点的相对压强高度 即测压管高度 p 与 该点相对于基准面的位置高度之和称为测压管水头 Za pa 4 4 潜体和浮体的平衡与稳定性潜体和浮体的平衡与稳定性 物体的重力 G 与所受浮力 Pz 的相对大小 决定着物体的沉浮 当 G Pz 时 物体下沉至底 称为沉体 当 G Pz 时 物体潜没于液体中的任意位置而保持平衡 称为潜体 当 G Pz 时 物体浮出液面 直至液面以下部分所排开的液重恰等于 物体的重量才保持平衡 这称为浮体 2 12 1 一密闭盛水容器如图所示 一密闭盛水容器如图所示 U U 形测压计液面高于容器内液形测压计液面高于容器内液 面面 h 1 5mh 1 5m 求容器液面的相对压强 求容器液面的相对压强 2 2 一封闭水箱如图所示 金属测压计测得的压强值为 4900Pa 相 对压强 压力计中心比A点高 0 5m 而A点在液面下 1 5m 求 液面的绝对压强和相对压强 第三章第三章流体动力学流体动力学理论理论基础基础 流体质点运动的轨迹称为迹线 若某一时刻在流场中画出一条空间曲 线 且该时刻曲线上所有质点的流速矢量均与这条空间曲线相切 则 称该空间曲线为流线 其性质为 恒定流时流体的形状不随时间变化 且与迹线完全重合 一般情况下 流线不能相交 且只能是一条光滑的曲线 流线簇的疏密反映了速度的大小 流线密集的地方流速大 稀疏的 地方流速小 注 流线与迹线是两个完全不同的概念 流线是同一时刻与许多质点 的流速矢量相切的空间曲线 而迹线是同一质点在一个时间段内运动 的轨迹 3 3 3 3 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程 流体运动的连续性方程是质量守恒定律在工程流体力学中的具体表 现 属于运动学方程 不涉及任何作用力 对理想流体和实际流体均 适用 要判断流体是否存在 只要看其是否满足连续性微分方程即可 1 连续性微分方程 2 恒定不可压缩总流的连续性方程 对于沿程有流量流进或流出情况 总流的连续性方程需作相应的 修正 即 式中 Q 为流进 取正号 或者流出 取负号 的流量 4 4 4 4 能量 伯努利 方程能量 伯努利 方程 能量方程 或称伯努利方程 是能量守恒定律在工程流体力学中的具 体表现 是工程流体力学的核心 式中 hw 为单位重量流体在两过流断面间的平均机械能损失 通常称 为总流的水头损失 为动能修正系数 实际动能与按断面平均流速计算的动能之比值 在工程计算中常取 1 0 3 133 133 133 13 图示管路由两根不同直径的管子与一渐变连接管组成 图示管路由两根不同直径的管子与一渐变连接管组成 已已 知知 dA 200mmdA 200mmdA 200mmdA 200mm dB 400mmdB 400mmdB 400mmdB 400mm A A A A点相对压强点相对压强 pA 68 6kPapA 68 6kPapA 68 6kPapA 68 6kPa B B B B 点点 相对压强相对压强 pB 39 2kPapB 39 2kPapB 39 2kPapB 39 2kPa B B B B 点的断面平均流速点的断面平均流速 vB 1m svB 1m svB 1m svB 1m s A A A A B B B B 两两 点高差点高差 z 1 2mz 1 2mz 1 2mz 1 2m 试判断流动方向 并计算两断面间的水头损 试判断流动方向 并计算两断面间的水头损 失失 hwhwhwhw 第五章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失 1 1 1 1 水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失 水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失 1 沿程阻力和沿程水头损失 当限制流动的固体边界 使流体作均匀流动时 流体内部以及流体 与固体边壁之间产生的沿程不变的切应力 称为沿程阻力 2 局部阻力和局部水头损失 流体因固体边界急剧改变而引起速度重新分布 质点间进行剧烈动 量交换而产生的阻力称为局部阻力 3 总水头损失 在实际流体总流伯努利方程中 hw 项应包括所取两过流断面间所有 的水头损失 2 实际流体流动的两种型态 层流 紊流的判别标准 临界雷诺数 4 圆管中的层流运动 第六章第六章 孔口 管嘴和有压管道流动孔口 管嘴和有压管道流动 第七章第七章 明渠恒定流动明渠恒定流动 明渠流是一种具有自