工程流体力学基本知识.ppt

工程流体力学基本知识,重庆大学潘良明,Theconceptofafluid/流体的定义,Asolidcanresistashearstress(剪切应力)byastaticdeformation,afluidcannot.Anyshearstressappliedtoafluid,nomatterhowsmall,willresultinmotionofthatfluid.Thefluidmovesanddeformscontinuouslyaslongastheshearisapplied.,TheFluidasaContinuum(连续介质）,Density(密度),Elementalvolume（流体微团、流体质点）*Largeenoughinmicroscope（微观）10-9mm3ofairatstandardconditionscontainsapproximately3107molecules.,Sodensityisessentiallyapointfunctionandfluidpropertiescanbethoughtofasvaryingcontinuallyinspace.,*Smallenoughinmacroscope（宏观）.Mostengineeringproblemsareconcernedwithphysicaldimensionsmuchlargerthanthislimitingvolume.,Theelementalvolumemustbesmallenoughinmacroscope,Suchafluidiscalledacontinuum（连续介质）,whichsimplymeansthatitsvariationinpropertiesissosmooththatthedifferentialcalculuscanbeusedtoanalyzethesubstance.,流体质点假设,流体质点无线尺度；流体质点具有宏观特性；流体质点的物理量值为周围临界体积范围内物理量的统计平均值。,1.1流体的密度,一、密度二、相对密度s、比体积v三、混合气体的密度,1.2流体的压缩性和膨胀性,流体的压缩性流体的体积随压力变化而变化的属性称为流体的压缩性。用体积压缩系数或体积模量K来表征体积膨胀系数随种类、温度和压力而变化。通常液体的体积膨胀系数很小，气体的体积膨胀系数很大。,思考题,流体内微小扰动波的传播速度就是声速，与流体的可压缩性有关。流体可压缩性越小，声速越：（a）小；（b）大；水中声速比空气中的声速（a）小；（b）大；,可压缩流体与不可压缩流体,在一般情况下，液体的可压缩性可以忽略，建立不可压缩流体模型（=常数）。在常温常压下气体作低速流动时(v100m/s），要考虑其密度变化带来的影响，称之为可压缩流体。,用不可压缩流体的模型分析流动的范围是很广泛的，但下列情况中哪些不符合不可压缩流体模型：原油在输油管道中的流动；压缩空气的低速流动；反应堆二回路里的水蒸气流动。反应堆二回路中温度变化大，水蒸气的密度变化大，要考虑其可压缩性。压缩空气是指处于高于大气压的环境中的空气，但如果流动较慢，压强变化较小，仍可按不可压缩模型处理。,1.5SomePropertiesoffluids,1.viscosity(粘性)*Definition：Whenafluidissheared（剪切）,itbeginstomove.Subsequently,apairofforcesappearontheshearsurface,whichresiststheshearmotionofthefluid.Thisiscalledviscosity,Thisresistantforceisshearstress.(剪切应力,内摩擦应力),Infact,thisshearmotionofafluidisakindofdeformation（变形）,m:Coefficientofviscosity(粘性系数)FT/L2n=m/r:Kinematicviscosity(运动学粘性系数)L2/T,Velocitygradient,*Newtonianlawofviscosity(牛顿粘性定律，牛顿内摩擦定律),Shearstress,Thelinearfluid,whichfollowNewtonianresistancelawiscalledNewtonianflow.（牛顿流动、牛顿流体）,Thevelocitygradientisinfactakindofdeformation.,Realfluid(Viscous),Idealfluid(Inviscidd.沿涡线/a,b成比例;e沿螺旋线，b,c成比例,重力条件下的伯努利方程,对不可压流体有：对重力流体：U=gz对定常流动:则：z:单位重量流体具有的位置势能。:单位重量流体具有的压强势能。单位重量流体具有的动能。单位重量的流体从位置1到位置2所消耗的机械能。整个公式是能量的守恒与转换定律在流体力学上的一个数学表达式。,几何意义,z位置水头压强水头速度水头H总水头测压管水头总水头线是沿流动方向向下倾斜的曲线，如为理想流体，则为水平线，则压管水头=静压头+位置水头，以上三项之和为总水头H。,思考题,在伯努利方程的水头线图（如右示）中，理论总水头线（实线）保持水平，但实际水流的总水头线（虚线）是逐渐下降的,这是因为？下游坡度变陡；下游水中压强增大；水的粘性影响。,伯努利方程的特例,1）对于水平流动，z1=z2，则该式表明，流速大，动能高时，压能随之减少，这在自然界，工程应用中是普遍存在的。2）若质点流速不变，则动能为常数，方程变为：这个公式与静力压中一致3）当p1=p2时，位能和动能可以相互转换。,三、总流的伯努利方程,1.缓变流动及其断面特征,1）缓变流动：流线间夹角很小，近于平行直线的流动，这种流动可以略流体质点作加速运动时的惯性力和运动的离心惯性力，保证质量力只有重力。,2）断面特性,断面特性满足即在缓变流动的同一个断面上，压强分布规律与重力流体静压强分布规律相同，但即使在缓变流的同一段中，任意两个过流截面上的常数C值是不相等的，只是在同一过渡截面上各点，于是过流截面上任何一点的都代表该断面的值。证明：,3）动能修正系数,总流（如管道）过流截面上速度分布一般不是处处相等的，管壁上的速度为Q，愈接近管轴心流速愈大，轴心处的速度最大，它的分布总是按一定规律变化的。于是我们计算单位时间内通过流断面的流体动能就有两种方法，一是用过流断面上按其曲线规律分布的真实流速计算动能，即为通常用平均流速v计算动能，则,与一样的道理，当用断面平均流速计算单位时间通过某一过流截面的动量时，也必须乘以动量修正系数，一般1和都反映了过流断面上实际流速分布的不均匀性，很显然，流速分布愈不均匀，系数的值越大，所以，流动状态不同，这两个系数值是不同的。圆管层流时：=2,=4/3圆管湍流时：=1.06,=1.02在一般的工程计算中，湍流时均取=1,=1,粘性总流的伯努利方程,在粘性总流中取一微元流速，其过流断面为dA1，dA2,相应断面上的流速为v1,v2，因为dA为微元面积，可以认为dA1，dA2上各点速度压强等流动系数分别相同，当dA0就是流线，所以沿流线的伯努利方程同样适用于微元流束,方程成立必须满足五个条件,a.不可压缩流体b.重力流体（质量力只有重力）c.定常流动：d.流量沿程不变e.计算断面（过流载面）定在缓变流区域。,机械功输入的伯努利方程,有机械功输入时E取正号，输出取负号,伯努利方程的应用,伯努利方程在水力计算中占有决定性的地位，它往往和连续性方程动量方程一起使用来解决工程问题。一般使用伯氏方程解决工程问题时分四个步骤：1选断面；2选基面；3写方程；4求速度等各项。,皮托管,在式中，p2=p，V2=V，并且（Z2-Z1）很小，可忽略不计，则,如用U型压差计的液柱高度h来表示，则有：,文特里管流量计,虹吸现象,生活中的例子：金鱼缸换水，司机抽油。,伯努利方程应用心得,对不可压缩流体，在重力场中作定常流动时，运用伯努利方程应注意以下事项：1必须满足五个前提条件!2基准面层的水平面，可选在任何水平面上；3计算断面（过流截面）：断面必须垂直于流动方向，一般应选取欲求参数的断面；或者选取已知量最多的断面，如水平面。4缓变流只限于两个计算断面附近管段，而断面间的情况影响关系不大。5p可用相对压强，也可用绝对压强，但取的方法一样。6用m或mm作能量单位时，必须标明液柱如mH2O、mmHg。7管流为层流时=2，湍流为=1。8在运用总流伯努利方程时，常与连续方程联合使用。,第九节动量方程及其应用,定常流动的动量方程,动量定理：根据雷诺转换定理，当=v时定常流动时，则所以：,一元流动的动量方程式,净流出微元流管的动量流量为对于总流有所以，用平均动量代替得到：,动量方程的应用,1.流体对变截面管的作用力动量变化量：同理，y分式,渐变弯管两种特例,1).因：所以2).,2自由射流的冲击力,1).若则,2).若则,3.管道末端喷管内流体对喷管壁的作用力,整理得故,第一节流体流动的两种状态，临界雷诺数,常将水头损失hw分