哈尔滨工业大学流体力学课件教学文案.ppt

流体力学，哈尔滨工业大学-精品课程-流体力学，流体力学的相关教材，包括流体力学的研究任务、方法和流体的主要力学性质在内的流体静力学的基础明水路流堰流和闸门孔流出渗流气体动力学的基础湍流射流。 本书满足人才培养目标和课程的基本要求，深度适当，科学理论和概念阐述正确，重视理论联系实际。 与本书配套的是教育软件和试题库，读者可以使用。 流体力学，流体力学，第一章绪论，第二章流体静力学，第三章流体力学，第四章相似和维分析，第五章管的流动，第六章节流孔和间隙的流动，第七章气体的一元化流动，第一章绪论，1-1流体力学研究的内容和方法，1-2流体的概念及其建模，1-3流体的主要第二章流体静力学、2-1平衡流体的作用力、2-2流体的平衡微分方程、2-3重力场中的平衡流体、2-4静压的计算、2-5平衡流体对壁面的作用力、2-6液体的相对平衡、第三章流体力学、3-1流体运动的两种方法、3-2流体运动的基本概念、3-3连续方程式， 3-4理想流体的运动微分方程3-5伯努利方程及其应用，3-6动量方程及其应用，第四章类似和维数分析，4-2定理和维数分析的应用，4-1类似原理，第五章管中流动的5-1雷诺实验，5-2圆管中流动的层流，5-3圆管中流动的湍流，5-4圆管中81声速和马赫数、8-2元气流的基本方程式和流动特性、8-3理想气体的一元等熵流动特征、8-4收缩喷嘴和拉伐尔喷嘴的计算、第一章绪论、流体力学研究的主要内容： 1、描述流体平衡和运动规则的基本方程式的建立2 .流体在各种通路中流动时的速度， 确定压力分布规律3 .探讨流体运动中的能量转换和各种能量损失的计算方法4 .解决流体和限制其流动的固体壁面之间的相互作用力。1-1流体力学研究的内容和方法，流体力学的研究方法： 1，严密的数学推理2 .实验研究3 .数值计算。1-2流体的概念及其建模，流体的物质属性1，流体和固体，流体：耐压力，抗拉力，抗剪力能力极弱。 易流动性通过极小的剪断力，不断地(连续地)剪切变形(流动)到流体没有剪断力为止。 流体没有一定的形状。 固体有一定的形状。 固体：能承受压力、拉伸力和剪切力两者，在一定范围内变形会因外力消失而消失。2、液体和气体的气体具有比液体大得多的流动性。 气体因外力而显示出很大的压缩性。 二、流体质点的概念和连续介质模型流体质点流体中由大量流体分子构成，宏观尺寸很小，微观尺寸足够大的物理实体。 连续介质模型 (包括宏物理量、t、p、v等)中的流体是无限多、无限小、彼此紧密相邻、由连续流体的质点构成的绝对无间隙的连续介质。1-3流体的主要物理性质，另一方面，密度limmgkg/m3v流体密度是空间位置和时间的函数。v.mp(x，y，z )，z，x，y，p=，kg/m3，均质流体：二，压缩性压缩性流体，具有根据其压力的强变化体积(密度)变化的性质。(m2/N )，式中：相对于v的dV流体体积的增量V压力变化前(p的情况)的流体体积dp的压力相对于p的增量。 体积压缩率(体积压缩系数):k难以压缩。 液体被认为是不能压缩的(p、t、v不发生很大变化的“静态”的情况)。 常数，体积(弹性)弹性模量：或者：(N/m2 )，三，液体的粘性1，粘性概念和牛顿内摩擦定律，流体分子间的凝聚力流体分子和固体壁面间的附着力。内摩擦力在邻接的流层间，与流层表面平行的相互作用力。 在流体运动时，其内部的邻接流层间产生抵抗相对滑动(抵抗变形)的内摩擦力的性质叫做流体的粘性。 y，x，v。 v dvv，y，dy，v0，f，内摩擦力：式中： 流体的种类及其与温度相关的比例常数； 速度梯度(流体流速的法线方向的变化率)。牛顿内摩擦定律，2、粘度及其表现方法的粘度表示粘性大小的物理意义：发生单位速度梯度，相邻流层作用于单位面积的内摩擦力(剪切应力)的大小。 常用粘度表示方法有：运动粘度单位： pas (帕斯卡秒)1Pas=1N/m2s、相对粘度其他流体对水的粘度编码器粘度： e中、罗， 德国塞德粘度：SSU美国雷达粘度：R英国巴瑟粘度：B法国用不同的粘度计测定运动粘度：单位： m2/s工序中常用： 10-6m2/s (厘米) mm2/s，油液品种：摄氏40C下油液运动粘度的平均厘米(mm2 ) 3、粘压关系和粘温关系1粘压关系压力不考虑分子间距离(压缩)凝聚力粘度一般不考虑压力变化对粘度的影响。 (2)粘度关系(相对于液体)温度凝聚力、粘度温度变化时，必须重视对流体粘度的影响。 理想流体的概念理想流体虚拟的没有粘性的流体。=0=0的实际流体实际上是有粘性的流体。总结、1、流体力学的任务是研究流体的平衡和宏观机械运动规律。 2、引入流体质点和流体的连续介质模型，把流体视为无缝的连续介质，流体的所有物理量都可以视为时空的连续函数，可以把连续函数理论作为分析工具。 3、流体的压缩性一般可以用体积压缩系数k和体积弹性模量k来描述。 压力变化较少时，液体可以视为不可压缩的流体。 4、粘性是流体最重要的物理性质。 这是流体运动时产生的内摩擦力，是抵抗剪切变形的性质。 不同流体粘性的大小通过动态粘度或运动粘度来反映。 温度是影响粘度的因素，液体的粘度随着温度的升高而下降。 理想流体是无视粘性的虚拟流体。 重点应该理解和掌握的主要概念是流体的质点、流体的连续介质模型、粘性、粘度、粘度关系、理想流体。 流体被区别于固体的特性。 牛顿内摩擦定律及其应用也必须熟练掌握。第二章流体静力学，平衡(静止)，绝对平衡流体整体相对于地球没有相对运动。 相对平衡流体整体相对于地球有相对运动，但流体的质点间没有相对运动。 平衡流体不显示粘性，所以不存在剪切应力。 作用于、2-1平衡流体的力一，质量力质量力与流体的质量有关，作用于某个体积流体的所有质点的力。 (重力、惯性力等)、fx，fy，fz单位质量力在正交坐标系中向x、y、z轴的投影。 单位质量力单位质量流体所受到的质量力。 单位质量力(数值等于流体加速度)。 二、表面力表面力是因v流体与被周围的物体接触而产生的，分布作用于该体积流体的表面. 单位面积的表面力(应力):法线成分limfna0a压力KPa，MPa，pP，摘要2点： 1，平衡流体不存在切线应力，表面力为法线应力(即静压) 2，绝对平衡流体受到的质量力只有重力，相对平衡流体受到各种质量力的作用、三、流体静压两个重要特性。 1 .流体静压的方向总是沿着作用面的内法线方向。 2 .平衡流体内任何点处的静压的数值与其作用面的方向无关，只是该点的空间坐标的函数。证明：从平衡流体中提取微小四面体ABOC，考察外力作用下的平衡条件。表面力、各面上的静压力、ABC斜面面积、质量力的话，质量力在三个坐标方向上的投影、x方向上的力平衡方程式(fx=0)px1/2dydzpnabcos(n，x) 1/6dxdydzfx=0为ABCcos(n x)=1/在2dydz(ABC在yoz平面上的投影)中，1/2dydz(px-pn)/6dxdydzfx=0省略三阶微量dxdydz。 px=pn，同样地，如果在y方向上py=pn在z方向上有pz=pn，则px=py=pz=pn，即，在平衡流体的某点受到的静压是各向同性的。 静压是标量。 其大小由该点所在的空间位置决定。 p=p(x，y，z )，2-2流体的平衡微分方程(欧拉平衡微分方程)平衡规则：在静止条件下，流体受到的静压力和质量力达到平衡。 平衡微分方程的导出：从平衡流体中取出微小正平行六面体。 分析体积：微正长方体微团的受力：一、质量力dfmx=dxdydzzxdfmy=dxdydzfdz=dxdydzzzz，二、表面力首先研究沿x轴方向的表面力。 形心A(x，y，z )处的静压为pA(x，y，z )，a点在x轴方向的1/2dx处的前、后两个面上的表面力分别为：三，平衡微分方程式在x轴方向上Fx=0:简化整理后，方程式的两侧为微小六面体的质量dxdydz，得到的静止流体的平衡微分方程式(欧拉平衡微分方程式)，方程式的物理意义：是静止流体，与作用于单位质量流体的质量力作用，同样地：四、综合式分别乘以dx、dy、dz，相加：静压的全微分，该式容易积分。 各种不同质量力作用的下游体内的压力分布规律可以将其积分得到。则：欧拉平衡微分方程的综合式，五、质量力的势函数，对于非压缩流体，=常数。 假设p/=w，则p=p(x，y，z )的：w=w(x，y，z )是d (p/)=fxxdxfydyfzdz=dw=(w/x ) dx (w/y ) dy (w/z ) dz的：fx=(w/x )，f z )和质量力之间有上述关系，所以函数w是称为质量力的势函数的质量，2-3重力场的平衡流体是重力的作用，不能压缩平衡流体的压力分布规律。 另一方面，对于静压基本式(方程式)图所示的容器中的流体，单位质量流体受到的质量力的各坐标方向的成分，将上述结果代入欧拉平衡微分方程式的综合式中，对均质的非压缩流体，=常数积分上式，式中： c为积分常数，重力，连续、均质、非压缩流体的如果、图1、2的两点是流体中的任意两点，则上式为：或：2，静压分布规则取流体中的任意一点a，在这一点上考察静压。 在a点和液面上的点c列上写静压基本式：或者gzp=gzp0p0，整理为p=p0g(z0z)=p0gh式中： hA点处的液深。 上式给出了非压缩均质流体在重力作用下的压力分布规律，是流体静力学中最常用的公式。 对、静压分布规则、式的要点进行说明： 1、任意点的静压，由液面压力p0和液重引起的压力gh 2，任意点的压力包含液面压力(帕斯卡原理) 3、HP，直线有规则地分布4 .距液面深度相同的各点的压力全部等等压面是一群水平面。三，静压基本式的物理意义mgz位置势z单位重力流体相对于某基准面的位置势(位置水头)。 所以：物理意义：在重力的作用下，单位重力流体在静止流体中任意点的位置势和压力势之和(总势)是恒定的。静止流体中的a、b2点列的静压的基本式是以单位的重力流体的压力势能(压力水头)、24静压的计算基准(表示方法)绝对压力以绝对零值(绝对真空)为计算基准，显示出的压力。 仪表压力(相对压力、表压力) 以当地的大气压为计算基准，表示的压力。 真空度是以当地的大气压为计算基准，比大气压小的部分。三者之间的关系如下。 绝对压力=大气压力计显示压力=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力、二、静压力的测量单位1、应力单位： Pa(N/m2 )、KPa、MPa (法定测量单位)、二、液柱高单位：海外： bar (巴)1bar=105Papsi (总线) 用不同介质的液柱高度表示压力时的换算关系：三、压力的测定、金属式压力计3354机械式、压力传感器电气测定法、液柱压力计3354静压力基本式，考察、一、作用于固体平面壁的力(大小、方向、作用点)作用于平面壁AB的力。 创建坐标lom。1、平板上的力(大小)微面积dA上的压力： p=p0 gh微面积dA上的微小力是dfdf=(p0gh)da=(p0glsin)da，平板AB整体的力f是f=ADF=AP0daaglsinda=P0 gsinalda式： als ，f=p0agsinkl=(p0ghc)a=pca式中在：hC平面a形心c处的液深； pCC点的压力。 上式表示由于重力，静止液体在平面壁上的力等于平面中心处的静压力和平面面积的积。2、压力中心(压力作用点) FlD=AldF式中： lD平面a压力中心d点的l轴坐标。 如果将f和dF的式代入上式，则(p0ghc)ald=a(p0glsin)lda，Im平面a相对于m轴的惯性力矩ICm平面a通过其形状中心c，检查相对于与m轴平行的cc轴的惯性力矩(典型平面的ICm值) 如果、p0=0(液面为大气压)，则可以得到简单的形式。 如果压力中心d (作用点)液深：平面a关于l轴不对称，则两者之间的距离需要求出点d的m轴坐标，并确定压力中心d的位置，用D(mD，lD )式表示：Iml平面a相对于m轴和l轴的惯性积。 作用于、二、曲面壁的力研究静止在图像的二维曲面(圆柱)上的液体的作用力f。 有受到液体压力