同济_流体力学_第三章__流体运动学基础

.流体力学，汽车大学，第三章流体运动学基础，同济大学TongjiUniversity，上海地面交通工具风洞中心shanghaiautomotivewintunnelenter，第三章流体运动学，第三章工作，3-1，3-2，3-3，3-6；3-7、3-8、3-13、3-16；第八章第三章运营，目录，介绍第一章流体和主要物理特性第二章流体静力学第三章流体力学基础第四章流体力学基础第五章相似性原理和尺寸分析第六章理想流体不可压缩流体的恒定流第七章粘性流体流动第八章固定一元可压缩气流第九章计算流体力学，第一章流体运动的数学描述方法和几何描述方法；2、流体运动分类；3、流体微组运动和变形。不伴随运动变化的原因，即力的作用是只研究其运动过程，第三章流体运动学，1说明流体运动方法2流动场的几何描述了3流动的分类4流体微观质量的运动分析，1说明了流体运动方法，第一章定义了连续介质模型。构成流体的最小物理实体不是流体分子，而是流体粒子。也就是说，流体是由无限大、无限相邻、连续的流体粒子组成的一个无限连续介质。a)流体粒子的宏观大小很小。b)流体粒子的微观大小足够大。c)流体粒子是一个有足够分子的物理实体，具有一定的宏观物理量。d)流体粒子的外观，包括质量、密度、温度、压力、速度、加速度、动量、动能等，可以任意指定。流体粒子的四个特征：对该量的说明集中在粒子和粒子通过的空间点上，说明流体运动的两种观点和方法，说明流体流动的两种方法，1)拉格朗日方法，拉格朗日方法是随时利用粒子的坐标位置确定粒子的运动路径流。要研究整个流体流动，必须将所有流体粒子的运动结合起来，然后重点研究能够得到整个流体运动规律的每个流体粒子。描述了一流体运动方法，拉格朗日方法选择了用不同值区分不同粒子的初始时间，作为每个粒子初始坐标的标记。1)拉格朗日法，1流体粒子的坐标可以表示为时间和初始位置的函数。称为拉格朗日变量，用位置矢量描述：用直角坐标描述：1是流体运动方法，流体粒子的坐标：流体粒子的速度：流体粒子的其他物理量：1说明了流体运动的方法，2)欧拉方法，欧拉方法关注空间中固定点的流动，即流体粒子通过特定空间点的速度、压力、密度等变化的规律，在不同时间点记录了大量空间点的流体粒子运动，就知道了整个流体的运动规律。显然，欧拉方法不研究单个流体粒子的运动规律，也不研究流体粒子从哪里来，到哪里去。因此，欧拉方法不能直接指定流体粒子的运动轨迹，但可以很容易地测量在不同时刻通过该点的粒子速度，所以用速度向量描述了流体在空间点的运动变化。1说明流体移动方法、速度、密度、温度等物理量的欧拉方法是空间和时间的函数，可以用场论知识进行分析，因此可以说明空间分布概念，从而形成速度场、密度场、温度场等。解决项目实际问题时，欧拉方法在流体力学研究中应用广泛，因为只要知道通常速度场、压力场等物理量场就能圆满解决这些问题。1是流体移动方法，3)物理体积的粒子导出(物质导出)，移动中流体粒子的物理量(例如速度、压力、密度、温度、质量、动量、动能等)的时间变化率是物理量的粒子导出(内嵌衍生或物质导出)，根据此公式，拉格朗日方法和欧拉方法说明了不同的结果。P45，1描述了流体粒子在特定空间点以瞬时速度搬运特定物理量，流过流场的流体运动方法。由于时间的推移、粒子到达点、流场的异常和不均匀性，粒子所具有的物理量不仅在运动中经历了时间的变化，还经历了空间的变化。欧拉方法的描述方法：P45，1说明了与粒子位移相关的空间变化和时间相关的流体移动方法。因此，流体粒子包含的物理量是复合函数，质量的粒子微分必须根据多个复合函数推导。1说明流体移动方法，2是局部导数、局部导数或时变导数。在没有空间变化的情况下，表示粒子在特定空间点相对于时间的变化率，反映流场的非正则性。1说明流体运动方法，讨论：1，物理量的粒子微分由两部分组成。、3、项是位变量、对流或迁移微分。表示当粒子经过时间处于不同位置时，物理量相对于反映流场不均匀性的时间的变化率。1表示流体移动方法，4表示每个物理量的内嵌导数，压力变化：密度变化：加速度：温度变化：不可压缩流体的数学表示：不可压缩流体，均匀密度场，随时间变化的均匀密度场，恒定均匀密度场，密度不随空间坐标变化，也不是时间的函数。密度是常数，1说明流体移动方法。1说明流体运动方法，不适合说明流体微元素的运动变形特性，拉格朗日方法Euler方法，3)说明流的两种方法的比较，说明有限粒子的轨迹，同时说明所有粒子的瞬时参数的两种方法，简单表示复杂表达式，不反映直接参数的空间分布不直接反映参数的空间分布，拉格朗日观点是重要的流体力学最常用的分析方法，示例1在速度分布中查找粒子轨迹。t=在0小时内位于点(a，b)的流体粒子的轨迹。可用于求解一阶常微分方程(a)，已知：用欧拉方法表示的流场速度分布定律为，(a)，(b)，(b)，自下而上的C1，C2是积分常数，t=0瞬时流体粒子，可确定，(b).第三章流体运动学，第一章流体运动方法第二流动场的几何描述第三流动的分类第四流体微观质量的运动分析，2流场中的几何描述，1，跟踪，1这在拉格朗日研究法中使用。2，在流线-欧拉方法中，流线是流场的瞬时平滑曲线，曲线上每个点的切线方向与该点的瞬时速度方向一致。外形图方程式：2流场中的几何描述，3，流微分方程，设定粒子在特定点的瞬时速度：流线的微元素段向量：根据流定义，速度向量与流线相切。也就是说，速度矢量与流线的微元素段矢量方向一致，并且矢量积以0:投影记录的话。2流域的几何描述，a，流线和示意图的共同点都是与速度相切的曲线。但是有线是在同一时刻，由不同粒子形成的曲线。迹线是同一粒子在不同时刻经过的位置的轨迹。b，在给定时刻空间中，一点只能是一条流线。由于同一点处不能同时存在多个流向，因此流线不能相交或突然折叠。4，有线和外形图的性质，2流域的几何描述，c，恒定流时流线的形状始终不变，无论时间如何。任意流体粒子必须沿一定的流线移动，其痕迹与流线一致。e，只能从流线或跟踪线获取每个粒子的速度方向，其速度大小未知。f，流场中的流线不会中断，流场中的示意图可以有起点和终点。d，在非定常流动时，流线的形状总是相对于时间发生变化。通过某个点的有线在每个瞬间都可能有不同的形状。也就是说，始终没有与示意图匹配的有线。2流动场的几何描述，5，染色线，定义：在一定时间内通过一定空间点的粒子瞬时连接。在也称为静脉、烟线或条纹线的实验室中，通过有色液体或烟不断注入液体或气体，形成染色线，观察流场结构和特性，以便直接观察流场结构。1)不是跟踪线，也不是流线2)在一段时间内连续流动相同空间点的手指的瞬时连接，也是不同流体粒子的连接3)在一段时间内外形、流线和染色线匹配，4)在异常流动时外形、流线和染色线不匹配，以及。流动管：由流线包围的管，因为流动速度永远与流线相切，流体无法通过流动管流动或流动，因此被流线包围的管。2流动场几何描述，2，流动管道，梁和总流动，*，2流动场几何描述，慢流和紧急流：流动束内流动线之间的角度较小，流动曲率非常大，几乎平行的线的流动是平滑流。不符合上述条件的流动会突变。*，*，4流管道和流、3、流面、流管道、束束、微元素流和总流、a、流面和流管道通过流场中任意曲线每个点的所有流线形成的表面将成为流面。由通过闭合曲线上每个点的流线组成的管曲面称为流动管道。流动速度始终与流动线相切，因此流体不能通过流动的管道流动或流动。b，在光束管内部流动的流体称为束。流动管内垂直于束的流动管剖面称为有效过流剖面。c，微和总流管横截面无限小，流管横截面的物理量均匀，这是微元素流管。此流管的梁称为微流。有限截面的流动管道和梁的流动称为总流动。4流管道和流，4，过流横断面，湿周，水压半径和等效直径，水压半径：总流横断面面积与湿周比率，过流剖面：与所有流线垂直的横断面，湿周：在整个流横断面中与流体接触的固体边壁周长，等效直径：总流横断面面积的4倍与湿周比率、4流和流、5、流、截面平均速度、流-单位时间内通过截面的流体量，流动管有效剖面的体积流计算公式：流量分为体积流、质量流和重量流，计算通过任意曲面的流量时，剖面线必须将速度的分量乘以微元素面积，然后计算为平均值。平均流速通过有效截面时的流量：第3章流体运动学，第1章流体运动方法第2流场中的几何描述第3流的分类第4流微观组的运动分析，第1章为便于流体流的分类，第1章为便于流体流的研究，为便于理想流体流和粘性流体流分类，第2章为不可压缩流体流，按流体运动状态进行正常流和非旋转流，层流和湍流流，亚音速流和超音速流3 三维流，三维流，a)速度字段，速度字段是最基本的字段，可用的速度配置文件(截面)是空间线或面的速度分布，二维速度配置文件，速度组件：三维速度配置文件，一维速度配置文件，b)一维、二维和三维流，1。确定流维：三维流：速度字段是三向坐标的函数，二维流：速度字段是两空间坐标的函数，一维流：速度字段是一向坐标的函数，2 .典型的简化流形式：(1)二维流：平面流、轴对称流，(2)一维流：沿曲线的粒子流v=v(s)，沿管道的流体平均速度v=v(s)，c)正常和非正常流，a .正常流，b .准正常流，c .周期谐波脉动流，d .周期非谐波脉动流(生理波)，e .非周期脉动流(衰退波)，f .随机流(湍流)，d)层流和湍流，2 .雷诺数、v流、d特性长度、流体密度、粘度、管临界雷诺数、e)内流和外流、管流(不可压缩流体)、喷嘴流(可压缩流体)、明渠流、流体机械、内流，能量守恒定律(热力学第一定律)，质量守恒定律，动量定律(牛顿第二定律)，基本物理定律，微元素和系统-控制体分析，微分和积分分析，尺寸分析，基本分析方法，第三章流体运动学，第一流体运动方法说明第二流动场的几何说明第三流动的分类第四流体微块的运动分析，5流体微团的运动分析，1，平移运动2，线变形运动3，角度变形运动4，旋转运动，流体微团运动分析，刚体运动通常可以分解为移动和旋转两部分，流体微团的运动通常可以分解为平移、线变形、旋转和角度变形。P49，5流体微观质量的运动分析，转换速度分量，线性应变，也称为相对延伸率，可以通过P49P53的推导得到。因此体积变化：相对体积膨胀率=相对伸长率，总相对体积膨胀率：张艺论中称为速度的发散：角度变形速度应变：旋转角度速度，5流体微观质量的运动分析，粘性流动内部，剪切应力和角度应变，剪切应力会引起流体微观质量的变形。流体微组的角速度矢量为：用场论表示：由此可以看出，流体微组中的每个速度分量中，第一个是转换速度分量，第二个是线变形运动，第三个是角度变形运动，第四个是旋转运动，流体运动的线速度是由上述每个分量引起的。5流体微组运动分析，涡流通量：速度环：5流体微观组运动分析，表示速度分量内每个项目的物理意义，线性应变：1，速度表达式的物理意义，转换运动部分的速度。2，每个运动方向的速度部分微分的物理意义是指线性变形运动部分的速度梯度，线性变形率。它表示速度配置中具有旋转运动的速度。5流体微组运动分析，3，沿运动垂直速度部分导出等物理意义，5流体微组运动分析，根据流体微组是否旋转，流体流可以分为两大类型：1，流体微组旋转角速度不等于0的流称为旋转流。2、流体微块的旋转角速度等于0的流称为无旋转流。需要指出的是，在无旋转流中，由于角速度为零，因此每个流体微团只能决定