冶金传输原理课件-nxj-2013

1、材料加工冶金传输原理材料加工冶金传输原理北京理工大学 材料学院宁先进于本课程关于本课程课程简介：课程简介：本课程为材料加工、电子封装等专业重要的专业基础课程，本课程为材料加工、电子封装等专业重要的专业基础课程，共共40学时，考试课程。学时，考试课程。结课成绩中考试占结课成绩中考试占80%，平时出勤、作业等占，平时出勤、作业等占20%。教材：教材：材料加工冶金传输原理，吴树森，机械工业出版社，材料加工冶金传输原理，吴树森，机械工业出版社，2005。参考书目：参考书目：流体力学，林建忠等，流体力学，林建忠等，2005；冶金传输原理，沈巧珍等，冶金传输原理，沈巧珍等，200

2、6；Fundamentals of aerodynamics, J. D. Anderson, 2001传输现象传输现象(Transport phenomena): 物理量从物理量从非平衡状态非平衡状态向向平衡平衡状态状态转移的过程。转移的过程。传输现象涉及的领域：l材料加工、冶金过程：质量传输、热量传输；材料加工、冶金过程：质量传输、热量传输；l制冷过程：热量传输；制冷过程：热量传输；l流体机械：质量传输、动量传输；流体机械：质量传输、动量传输；l生化工程：质量、热量、动量传输；生化工程：质量、热量、动量传输；l环境工程：质量传输；环境工程：质量传输；平衡状态：平衡状态：物理系统内具有强度性

3、质的物理量不存在梯度；物理系统内具有强度性质的物理量不存在梯度；第一章第一章 绪论绪论l动量传输：在垂直于实际流体流动方向上，动量从高速度区向低速度区的转移；l牛顿粘性定律l热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移；l傅里叶定律l质量传输：物质体系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移；l菲克定律dvdvddyydvdy pppdCdC TdTdyCdyTqyd AAABdjDdyl现象方程通式现象方程通式：扩数浓通量 = -散系度梯度传输过程及其相似性传输过程及其相似性传输过程的研究方法理论研究：物理简化数学建模数学求解实验研究：是数学建模的基础，研究中不可或缺数值模拟：近现代大型工程应

4、用的有力工具，如数值模拟：近现代大型工程应用的有力工具，如Fluent， Star-CD，ProCASTFluent模拟的冷喷涂喷嘴超音速射流流场分布某反应器流场模拟结果温度分布速度分布第二章 流体的性质2.1 2.1 流体的概念：流体的概念：能够流动的物体，如气体、液体。从力学角度来看，流体是一种剪切抗力极低的物质，受剪切力时发生显著的变形，即流动。1. 液体：分子间距与其分子的有效直径相当，具有一定的体积，与容器大小无关，可以形成自由表面，可以认为是不可压缩流体。2. 气体：分子间距远大于分子有效直径，形状和体积完全决定于容器的形状和体积，无自由表面，具有可压缩性。3. 液体与气体的工程处

5、理：气体的压力和温度变化不大，气体速度远低于声速时，可以忽略气体的压缩性，此时气体与液体具有类似的规律。l流体质点的概念：流体质点的概念：定义：流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸足够大的体积中流体分子总体。流体质点的物理含义：宏观尺寸非常小；微观尺寸足够大；包含足够多分子； 形状可以任意划分；l连续介质模型：连续介质模型：流体是有无数流体质点组成的密集而无间隙的连续介质。流体质点是组成流体的最小单位，流体的物理量如速度、密度、温度、压强等均可以看做空间和时间的连续函数连续函数。流体质点与连续性介质假设流场中某一点的密度流场中某一点的密度limPMVcVV2.2 2.2 流体主要物理性质流体主要物理

6、性质l液体的压缩性与膨胀性1TTVVp 等温压缩率：温度不变时，压力增加一个单位，流体体积的相对变化量1vPVVT体积膨胀系数：压力不变时，温度每升高1K时流体体积的相对变化量绝大部分液体的压缩性与膨胀率都很小，工程上一般不考虑其压缩性或膨胀性。但当压力、温度变化较大时（高压锅炉中），必须加以考虑。l气体的压缩性与膨胀性理想气体状态方程：描述气体基本状态量P，V，T之间的关系PVnRTPRTPvRTR为理想气体常数；R=8.314 Jmol-1K-1 R为特征气体常数；对于空气，R=287 Jkg-1K-1，v=1/为比体积：单位质量气体所占的体积盖吕萨克定律：压力不变时，当温度升高1K时，一

7、定量的气体体积增加273K时体积的1/273。2.3 2.3 流体粘性与内摩擦定律流体粘性与内摩擦定律1. 流体粘性概念流体速度分布形成的原因在于流体内部不同速度的层之间存在相互作用，其中快层拉动慢层，慢层阻碍快层，这种性质称流体的粘性。在做相对运动的两层的接触面上，存在大小相等，方向相反的作用力阻止层间相对运动，称为流体的粘性阻力或内摩擦力。2. 牛顿粘性定律v+dvvdy()dvdy 牛顿粘性定律)(0实验结果HvAF3. 流体的粘度动力粘度：单位Pas，为流体的物理性质，在流体运动时显现出来，静止流体不考虑粘度。物理意义：当速度梯度为1单位时，单位面积上摩擦力的大小。dv dy 运动粘度

8、：工程计算中常用参数，单位m2/s。粘度常用单位换算：1 Pas=1000 cp(厘泊)=10 p(泊)l粘度是温度和压强的函数，工程领域中，温度对粘度影响显著，压强对粘度影响不大l温度升高时气体粘度增大；液体粘度减小；熔融金属液体的粘度减小；4. 流体粘度的影响因素1000 /T5. 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体：如气体及大部分低分子液体。dv dy粘塑性流体（宾海姆塑性流体）：如纸浆、牙膏、污水泥浆。0dv dy伪塑性(n1)流体如淀粉、硅酸盐悬浮液ndv dy除牛顿流体外，其他流体统称为非牛顿流体；本课程后续讨论时均为牛顿流体。第三章第三章 流体动力学流体动力学总述总述流体动力学研究方法

9、流体动力学研究方法第一节第一节流体运动的描述流体运动的描述第二节第二节连续性方程连续性方程第三节第三节理想流体动量传输方程理想流体动量传输方程-欧拉方程欧拉方程第四节第四节实际流体动量传输方程实际流体动量传输方程-NS方程方程流体动力学的任务：流体动力学的任务：研究流体在外力作用下的运动规律，内容包括流体运动的方式和速度、加速度、位移等随空间和时间的变化，以及研究引起运动的原因和决定作用力、力矩、动量和能量的方法。流体动力学的研究思路选取合适的流体模型Mass is conservedNewtons second lawEnergy is conserved获得流体物理本质的数学描述运用流体基

10、本方程解决实际问题调用三大基本定律第一节第一节流体运动的描述流体运动的描述1.拉格朗日法流场任一空间点上都对应一个流体质点，拉格朗日法着眼于流体质点描述，通过各流体质点的运动规律，即其位置随时间的变化规律来确定整个流场的运动规律。初始时刻时空间坐标为(a,b,c)的质点，其位置随时间变化的规律可表示为：, , ,rr a b c t( , , , )( , , , )( , , , )xx a b c tyy a b c tzz a b c t拉格朗日变数任一物理量B：( , , , )BB a b c t2.欧拉法着眼于对流场空间点的描述方法，通过在流场中各个固定空间点上对流动的观察，确定流

11、体质点经过该空间点时其物理量的变化规律。任一物理量B均构成物理量的场：( , , , )BB x y z t, , ,rr x y z t欧拉变数例如速度场：T,P ,V标 量 场 ()矢 量 场 (),VV r tuiv jwk , , , , , , ,uu x y z tvv x y z tww x y z t3.流体质点的随体导数背景：流体力学问题中，经常需要求解流体质点的物理量随时间的变化率，这种变化率称为质点的随体导数，也称物质导数或质点导数。(1) 拉格朗日描述中的随体导数：( , , , )BB a b c tBtdB dt 物理量的随体导数为, , ,dr a b c tdr

12、Vdtdt2222, , ,d r a b c td radtdt, , , , , , ,udx a b c tdtvdy a b c tdtwdz a b c tdt222222, , , , , , ,xyzad x a b c tdtad y a b c tdtad z a b c tdt(2)欧拉描述中的随体导数：( , , , )BBB x y z tx,y,ztx,y,zt物理量中的()具有双重含义1.代表流场中的空间坐标；2.代表 时刻某个流体质点的空间位置；从跟踪流体质点的角度看，均为时间 的函数，因此物理量 随时间的变化率为：( , , , )DB x y z tBxByB

13、zBDtxtytzttBBBBuvwxyzt,BijkxyzDBBVBDtt引入哈密尔顿算子=则物理量的全导数当地导数或局部导数，反映固定点流体质点物理量随时间的变化率，表示流场的非定常性。迁移导数，反映同一流体质点从一个空间点迁移至另一空间点的物理量变化率，表示流场的非均匀性。对于定常场(稳定流)，流场物理量不随时间变化，0Bt 对于均匀流场，物理量在不同空间点均相等，0B欧拉描述中的随体导数的例子：速度矢量的全导数欧拉描述中，流体质点的加速度为：DVVVVDttVVVVuvwtxyza xyzuuuuauvwtxyzvvvvauvwtxyzwwwwauvwtxyz4. 迹线与流线、流管与流

14、量(1) 迹线：流体质点在流场运动中的轨迹，即流体质点运动位置的几何表示，每一个流体质点都有一个运动轨迹。针对拉格朗日描述(流体质点的位置)，想办法消去时间t即可得到t=0时刻位于(a,b,c)处质点的迹线方程。( , , , ),( , , , ),( , , , )xx a b c tyy a b c t zz a b c t针对欧拉描述(给出流场速度场)，需要联立积分方程组消去t，从而得到迹线族的表达式，确定具体质点即可得到该质点的迹线。( , , , )( , , , )( , , , )uu x y z tdx dtvv x y z tdy dtww x y z tdz dt迹线族(

15、 , , , )( , , , )( , , , )xu x y z t dtyv x y z t dtzw x y z t dt(2) 流线：流场中一条曲线，某一时刻，位于该曲线上的所有流体质点运动方向均与该线相切，该曲线称为流线。l流线是同一时刻不同流体质点组成的曲线。它给出该时刻不同流体质点的运动方向。:根据流线定义,速度方向与流线切向重合,得流线方程0drV: ( , , , )( , , , )( , , , )xyzdxdydzV x y z tVx y z tV x y z t或注意此处t为常数,( , )( , )vxuy1+ tt = 0a bt = 0a b确定：例题：设流

16、场速度分布为： (1)在时过点的流线方程；(2)在时过点的迹线。试解(1)根据流线的定义( , , , )( , , , )dxdyu x y z tv x y z t(1)dxdytxy两边积分整理得流线方程为：tcyxe流线簇一般不同时刻有不同的流线，称为流谱，t=0时，流谱为：即：cyxet=0,且过(a,b)的流线为：byxa解(2)对速度分量积分，联立得：( , , , )1( , , , )dxxu x y z tdttdyv x y z tydt112xct: yc e解微分方程并消去 得x-2a11t = 0,x = a,y = bc = a,c = b,(a,b)y = be

17、根据时得因此质点的迹线为迹线簇(3) 流线的性质：l通过流场内的任何空间点，都有一条流线，在整个空间中就有一组曲线族，亦称流线族l流线是不能相交的，即某一瞬间通过任一空间上，只能有一条流线（否则某一点出现两个不同速度，与物理事实矛盾）l在不稳定流动下，流线与迹线不重合；稳定流动下，流线与迹线重合。(4)流面：流场中的任意曲线(非流线)，过此曲线每一点做流线, 这些流线所构成的曲面称流面。dA曲线L流管：流场中的任意封闭曲线(非流线)，过此曲线每一点做 流线，这些流线所构成的管状曲面称流管。流管流束或微元流管流管流管特点：l流管不能相交，不能中断；l截面面积很小的流管称流束或微元流管，其极限为流

18、线，可认 为界面上速度处处相同，且界面看为平面(5)流量与平均流速流量：单位时间内通过某一空间曲面的流体的量称为流量，分体积流量、质量流量。 VnVnAdQdAQdA体 积 流 量 VnVnmmAdQdAQdA质 量 流 量1V AQVndAAA平 均 流 速0AVdAdVt V n第二节第二节连续性方程连续性方程单时间单时间单时间质质质位位流流 入入位位流流 出出位位微微 元元微微 元元 体体 的的量量微微 元元 体体 的的量量体体 的的量量 增增 量量 高斯公式(奥高公式)：设空间区域V由分片光滑的闭曲面A围成，函数P(x,y,z)，Q(x,y,z)，R(x,y,z)在V内具有一阶连续偏导

19、，则有：(coscoscos )AAVPQRdAPdydzQdzdxRdxdyPQRdVxyz微分形式的连续性方程基本条件：取流场中t时刻以m(x,y,z)为中心的六面体微元控制体；2. 控制体内部无源、无汇；控制体足够小，每个面上的速度和密度可以认为均匀相等；( , , )ABCDEFGH,.2222tm(x,y,z)V u v wu dxu dxdxdxuuxxxx假设 时刻处的速度为，密度为 ，三对面上的速度和密度利用泰勒展开取一阶小量，以和面为例，其上速度分别为，密度为分别为，连续性方程反映质量守恒定律这一物理事实：单 位 时 间 流 入单 位 时 间 流 出单 位 时 间 微 元微

20、元 体 的 质 量微 元 体 的 质 量体 的 质 量 增 量()()()ux dxdydzvy dxdydzwz dxdydzdxdydzt x方向单位时间净流入质量：y方向单位时间净流入质量：z方向单位时间净流入质量：质量增量：()()()0uvwxyzt注意该项的解释或推导，其中密度为平均密度的概念()()()0uvwxyzt()()()0uvwxyztuvwuvwtxyzxyzVVtDVD t连续方程适用条件： 直角坐标系中微分形式连续方程适用于任何流体的三维、非定常、可压缩流动特殊流场的连续方程稳定流动：0t()()()0uvwxyz不可压缩流动：const0uvwVxyz 一维总流

21、的连续性方程12dAdA工 程 常 见 的 一 维 流 动 ， 流 场 物 理 量 仅 与 一 个 空 间 变 量 有 关 。同 一 微 小 流 束 的 两 个 不 同 断 面 分 别 为和时 ，沿 微 小可 压 缩流 体稳 定 流流 束时 的 连动续 方 程 为 ：111222u dA =u dA111,u ,dA222,u ,dA12111222AAu dA =u dA 为面A1、面A2上的平均密度， 为面A1、面A2上的平均速度。111222u A =u A可压缩流体稳定流时，沿流程的质量流量保持不变,12,12uu课后作业：课后作业：1.参考直角坐标系连续方程推导方法，试推导柱坐标系和

22、球坐标系的连续性方程。2.课本p.43 第3、4 题。第三节 理想流体的动量传输方程(欧拉方程)1.理想流体：无粘性的流体，不考虑粘性产生的内摩擦力l质量力（也称体力）如重力、惯性力、电磁力等t时刻任一体积为V的流体微团，表面积为A，点(x,y,z)处密度为，则该点处的单位质量力为：1( , , , )dFdFf x y z tdmdV流体微团上的总质量力为：( , , , )VFf x y z t dV2.理想流体中的作用力l表面力如压力、粘性剪切力等t时刻任一体积为V的流体微团，表面积为A，A面上点(x,y,z)处密度为，则该点处的表面力为：( , , , )nnntdPp x y z t

23、p npdA 流体微团表面上的总表面力为：( , , , ) VPp x y z t dA对于静止或理想(非粘性)流体：( , , , )nnp x y z tp npn iAVdAdVt VV nVF理想流体动量传输方程积分形式+=单时 间 净 流 入 控 制 体 的 动 量单 位 时 间 控 制 体 内 流 体 动 量 增 量控 制 体 内 流 体 所 受 总 力位位矢量方程，三个分量上均满足高斯定理：AAVuuduAdAVd VV nV nxyzuutvvtwwt VFVFVFxuuFt V0t VxuuuuFtt VV以x方向为例：展开后得：由连续性方程：在x方向上有：xD uFD t

24、在y方向上有：yD vFD t在y方向上有：zD wFD t理想流体动量传输方程微分形式推导maF流场中取出包含点m(x,y,z,t)的微元六面体，根据牛顿第二定律，X方向上：22xxxxp dxp dxFppdydzf dxdydzxxpfdxdydzxDumadxdydzDt1xD upfD tx111xyzD upfD txD vpfD tyD wpfD tz同理可得：1DVfpDt 课本27页公式3-30表示方法不准确！对于x方向的加速度展开有误！xDuuuuuuvwDttxyz在 方向上：流场中任一点上的应力状态过流场中M点的三个正交表面上的应力矢量分别为,xyzPPP 根据表面力的

25、性质，又可以分解为法向应力和切应力，而切应力可以分解为两个方向，因此对于M点的应力，对应有三个法向应力和六个切向应力xxyxzxxyyyzyxzyzzzP当过M点的三个面很小并趋向于M点时，这九个量表示了M点的应力状态：第四节 实际流体动量传输方程-NS方程亥姆霍兹速度分解-选读t时刻，流场中包含M0处取一流体微团，M0的位置矢径为 速度为( , , )x y zr000( , , , )( , , , )( , , , )ux y z tvx y z tw x y z t 0Vijk在M0点泰勒展开，略去二阶小量得：uuxuyuzxvvxvyvzywwxwywzz ()Mxyzxyz 00V

26、VVVVVV直角坐标系下， 表示为：V亥姆霍兹速度分解（续）-选读1 2()1 2()1 2()1 2()1 2()1 2()uxuyvxuzwxvxuyvyvzwywxuzwyvzwz 01 2()1 2()1 2()01 2()1 2()1 2()0uyvxuzwxvxuyvzwywxuzwyvz xxyxzxxyyyzyxzyzzz 000zyzzyz正应变率剪切应变率涡旋运动量实际流体微元的受力分析FmaX方向上：11(+)2211(+)2211(+)22xxxxxxxxxxyxyxyxyxzxzxzxzxFf dxdydzdxdxdydzxxdydydxdzyydzdzdxdyzzx

27、dumadxdydzdtuVu dxdydzt 因此X方向上：yxxxzxxdufdtxyz同理：yxxxzxxyyxyzyyyzxzzzzdufdtxyzdvfdtyxzdwfdtzxyStokes三个假设： 应力张量与应变张量成线性关系； 这种线性关系在流体中是各向同性的；1. 当流体静止时，应变为零，流体中的应力就是静压强；公式 1Stokes通过数学演绎法得出可压缩牛顿流体的本构方程（直角坐标系）：223223223xxyyzzupxvpywpz VVV()()()yxxyyzzyzxxzuvyxvwzyuwzx代入公式1，在x方向上：22222222223xxyxzxpuxxxxuv

28、uwyyx yzzx z ； V在x方向上，右边为：22222222222222222222323xxpuuvuwfxxxyx yzx zpuuuuvwfxxyzxx yx zx VV在x方向上，公式1变为：xV2uu13xdupfudtxx V1313yzdvpfvdtyydwpfwdtzz VV在y,Z方向上：课本p29页公式有误！3dpdt VfVV可压缩、粘性牛顿流体的纳维-斯托克斯方程（N-S方程）讨论1：当流体不可压缩时（大多数液体） N-S方程为：0Vdpdt VfV讨论2：如果流体无粘性时， N-S方程变为欧拉方程：0dpdtVf质量 乘加速度 等于压力( )、粘滞力 、质量力

29、 之和。ddtVpV f第五节 理想和实际流体的伯努利方程答案：欧拉方程在特定条件下的积分-伯努利方 程，注意积分条件的选择如何针对具体工程应用。问题：如何应用欧拉方程解决实际问题？5.1 无粘、不可压、定常流动的伯努利方程1. 单位质量力（fx,fy,fz）定常有势，其势函数W=W（x,y,z）的全微分为：xyzWWWdWf dxf dyf dzdxdydzxyz2. 流体为不可压缩流体，即：const3. 流动为定常流动，即：0;0uvwtttt 且流线与迹线重合，即对流线有：,dxudt dyvdt dzwdt理想流体动量守恒方程的积分条件：111xyzd upd xf d xd xd

30、txd vpd yf d yd yd tyd wpd zf d zd zd tz1uduvdvw dwdWdp2()02Vpd W22VpWC o n st222VuvwV分别乘dx、dy、dz后三式相加注意对于流线上任意两点1、22211221222VpVpWW特别对于重力场0,xyzfffg 则d Wg d z 因此重力场中无粘不可压缩流体伯努利方程为：2211221222pVpVzzgg5.2 有粘、不可压、定常流动的伯努利方程1. 单位质量力（fx,fy,fz）定常有势，其势函数W=W（x,y,z）的全微分为：xyzWWWdWf dxf dyf dzdxdydzxyz2. 流体为不可压

31、缩流体，即：const3. 流动为定常流动，即：0;0uvwtttt 且流线与迹线重合，即对流线有：,dxudt dyvdt dzwdt有粘流体动量守恒方程的积分条件：xxxd upfud txd vpfvd txd wpfwd tx两边分别乘dx,dy,dz相加注意2()2Vd()pd W()u d xvd yw d z 2()02Vpd Wu d xvd yw d z RdWudxvdyw dz 单位质量的流体所受切应力在流线微元长度上所做粘性应力功：22()022RRpVd WWpVWWC对于重力场中流线上任意两点1、22211221221()22RRpVpVz gz gWW摩擦阻力损失

32、2211221222whpVpVzzggg粘性、不可压缩稳定流的伯努利方程5.3 伯努利方程的几何意义和物理意义位置水头、压力水头、速度水头总称总水头；位置水头和压力水头总称静水头；压力头表示某点的压力潜能，即将流体压升到某一高度的能力；速度水头表示具有一定速度的流体能够自由冲上的高度；几何意义物理意义2211221222wpVpVz gz gh比位能比压能比动能总比能损失 无粘不可压缩稳定流场中，单位质量流体沿流线 总机械能守恒；2.有粘不可压缩稳定流场中，单位质量流体沿流线总机械能存在由粘性耗散导致的损失。5.4 实际流体总流的伯努利方程实际流体总流的伯努利方程适用条件：流道（流管）中流线

33、之间的夹角很小，流线趋于平行且近似于直线2211221222wpVpVz gz gh12221122111222()()22wAAQpVpVz gV dAz gV dAhdQ流束上的质量流量1122V dAV dA连续性方程12221122111222()()22wAAQpVpVz gV dAz gV dAhdQ221122112222WpVpVz gz gh或221122112222WhpVpVzzggg伯努利方程及其应用、动量方程应用为学习重点和考试重点之一！注意使用条件！例：毕托管是用来测量流场中一点流速的仪器，其测量原理如图所示，试求毕托管测速公式？解：2222112221pgzvpg

34、zv在流线上1.2两点列伯努利方程：22212122pvpv20v ，故21122vpp21122ppvhg21ppg h注意总压、动压、静压的概念作业：P43.第5、6、7题第七节 稳定流的动量方程及其应用iAVdAdVt VV nVF控制体包含有其他物体时inVAdVp dAtFfR包含物对流体的总作用力简化：1. 定常流动：AdA V V nF2. A1面流入，A2面流出：212211AAdAdA 222111V VnV VnF3. 不可压缩流体，且A1、A2面上速度按照平均量计算：A1面的内法线方向21mmQQ 21VVF21mmmQQQ()mQ 21VVF7.1 稳定流动的动量方程微

35、元流束1-2的过水断面为dA1、dA2,其上压强为p1,p2,速度为 , 单位时间后，1-2的流体运动到1-2，因而其动量发生变化。2 21 1212122211ddmdmV dAV dA1MMMVVVV流束1-2在单位时间：质量流量总流在单位时间：212211AAdV dAV dA21MVV考虑到断面上速度的不均匀性，对速度取平均值，并定义动量修正系数：A2V dAV A2 1V2V2121()mdQMVV此处已换为平均速度矢量取21121()mQ FVV此处为质量流量，教材为体积流量物理含义：作用在所研究流体上的外力总和等于单位时间内流出与流入控制体的动量之差在直角坐标系中：212121(

36、)()()xmymzmFQuuFQvvFQww7.2 稳定流动的动量方程应用例：射流处在大气压下且忽略重力1.证明：V2=V3=V12.求射流对固定壁面的冲击力A1，V1，Q1V2，Q2V3，Q3?R x解：1.利用伯努利方程在一维分流或汇流中的推广：第四章 层流与湍流本章任务：针对实际流体（有粘流体）的不同流动状态分析，解决流体流动过程中的能量损失问题。第一节 流动状态及阻力分类雷诺（雷诺（Osborne Reynolds，18421921，英国工程师兼物理学家，维，英国工程师兼物理学家，维多利亚大学（曼彻斯特）教授）最早详多利亚大学（曼彻斯特）教授）最早详细研究了管道中粘性流体的流动状态及

37、细研究了管道中粘性流体的流动状态及其影响因素。其影响因素。加大流速或减小粘性时HC甘油和水的混合液，可变混合比例泾渭分明层流与层流边界层 层流：流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和渗混，流线呈平行状态的流动 流态从层流到湍流的过渡称为流态从层流到湍流的过渡称为转捩转捩。 实验表明流态的转捩不是单单取决于某一个流动实验表明流态的转捩不是单单取决于某一个流动参数参数V ,等，而是取决于无量纲的相似组合参数等，而是取决于无量纲的相似组合参数雷诺数雷诺数，记为，记为：eVdR0.065eldRl 层流边界层：层流流场中，从壁面处至流体速度达到均匀流速度0.99倍处的流体层称为层流边界层；l 边

38、界层厚度：流场中速度达到0.99倍均匀流速处至壁面的距离；l 边界层厚度随入口距离变化；l 层流起始段长度为：湍流与湍流边界层l 流体质点速度在各个方向上具有脉动特点，速度具有瞬时性；l 管内湍流流动，流体质点具有横向迁移；l 湍流边界层包括层流底层、湍流边界层；l 湍流流动速度分布、流动阻力不同于层流；流动状态判别准则 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义：雷诺数代表作用在流体微：雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与粘性力之比。团上的惯性力与粘性力之比。 强制管流的层流和紊流：强制管流的层流和紊流：层流层流2320eR （与入口扰动和管壁与入口扰动和管壁光滑程度相关光滑程度相关）紊流紊流1300

39、0eR 过渡流过渡流232013000eR 雷诺数计算中的特征长度雷诺数计算中的特征长度：过水断面：过水断面/润湿长度润湿长度对于圆管：直径；对于圆管：直径；对于平板：板长对于平板：板长对于圆球绕流：直径对于圆球绕流：直径运动阻力分类l1.沿程阻力，也叫摩擦阻力对于层流：主要由流层之间粘性摩擦；对于紊流：边界层内粘性摩擦、流体质点迁移和脉动；l2. 局部阻力：流动过程中局部障碍产生；局部障碍：流道弯曲、截面变化、限流装置；第二节 圆管中定常不可压缩层流流动圆管中充分发展层流思路：1.写出总流伯努利方程；2.据牛顿粘性定律求出速度分布；220()4fhVrrl速度抛物线规律分布0222000ma

40、x()24128rffAAVdAhhVrrrdrrlldAV平均速度为最大速度一半管中层流沿程损失的达西公式0222000max()24128rffAAVdAhhVrrrdrrlldAV208flhVr沿程损失水头与平均速度成正比变形为速度水头（ ）形式：22Vg2642fel VhR dg令 为沿程阻力系数64eR2222fffl Vhdgl Vphd达西公式 作业：p44 第9，10题第三节 平行平板间的定常不可压缩层流运动dpdt VfV0ddtV问题的前提条件：1.不可压缩、定常流动；2.无限大平板间层流；公式推导思路：从连续性方程、N-S方程在特殊情况下的形式进行推导。0ux220u

41、zpxpypzg 22d updzl 2122puzC zCl 讨论：1.剪切流0p上板以速度u0向右移动0(1)2uzuh应用实例：轴承在高速、小负荷下转动时润滑油的间隙流动2. 压差流00,0pu22()2puhzl2. 压差流平均速度（板宽为B，忽略y方向上边界层）2max12233hhQphuuBdzuAhBl水头损失：22224112222fhpuuhRehghg 作业p63，第1、6、7题第四节 圆管湍流运动 1. 湍流脉动现象湍流脉动现象湍流最主要的特征是脉动，即使在宏观稳定的湍流中，湍流的主要参数，如速度、压力、密度、温度等，也总要产生脉动，从本质上这是一种非稳定现象。脉动性是

42、一种随机现象，即使保持相同的条件重复做试验，每次得到的速度脉动曲线也是不相同的，但时均速度曲线大致相同：随机现象个别试验的结果可能没有规律性，但大量试验结果的平均值是有一定规律的。 2. 速度的时均化速度的时均化速度时均原则：在一段时间内，某点处平均速度在一定面积上形成的体积流量等于同时间段内真实速度在同一面积上形成的体积流量。01TVVdtTVVV时均速度脉动速度 定常湍流的概念 在湍流场中，任一点的运动参数的时均值不随时间变化变化时，称为定常湍流流动。 3. 水力光滑管和水力粗糙管水力光滑管和水力粗糙管湍流的速度结构 （1）粘性底层：靠近管壁的薄层区域，粘性力起主要作用，速度分布呈线性，速

43、度梯度很大（2）湍流核心区：中心区域，粘性的影响逐渐减弱，脉动比较剧烈，速度分布较均匀，完全湍流状态；（3）过渡区：粘性底层与湍流核心区之间，范围很小，速度分布接近湍流核心区管壁的粗糙部分低于粘性底层，粗糙度对湍流核心几乎无影响，管道近似于完全光滑，称水力光滑管；水力光滑管；管壁粗糙部分高于粘性底层，粘性底层被破坏，产生漩涡，加剧湍流，增大能量损失，粗糙度对湍流产生直接影响，称水力粗糙管水力粗糙管。 4. 圆管湍流的速度分布圆管湍流的速度分布湍流流动中的附加切应力湍流流动中的附加切应力- -雷诺应力雷诺应力dt时间内，经微元dA，以v脉动速度沿y轴流入b层质量为：mv dAdt该流体质量进入b

44、层后，立即具有b层的运动参数，从而使b层在x负方向产生脉动-u，而这一质量在b层产生动量变化为： ，这种由脉动引起的b层切应力为：0v u雷诺切应力雷诺切应力v u 湍流流动中总切应力为：d uu vd yudAdtv时均值为：时均值为：普朗特混合长度理论：普朗特混合长度理论：d uu vd y湍流流动的难点转至如何求雷诺应力基本思想：把湍流脉动与分子运动相类比，因而类似于层流牛顿粘性定律，雷诺应力表示为：td ud y湍流粘性系数混合长度理论关键在于建立雷诺应力与时均速度之间的关系How？ Prandtl引进长度l(与分子自由行程相当) 假设：在l距离内流体质点不与其他质点碰撞并发生动量交换

45、22d uldy对于管内湍流：lkyPrandtl提出假设，Karman测定近壁处距离壁面的距离22d ud uld yd y或dyudlu dyudlv 圆管中的湍流速度分布圆管中的湍流速度分布dudy粘性底层：0uy湍流核心区：22220dudulkydydy1/201dudyky1/201lnuyCk具有速度的量纲，称为阻力流速01lnmaxfuuyukr 由于脉动造成的动量交换，中心附近速度平均化5. 湍流管流沿程压力损失湍流管流沿程压力损失 沿程压力损失（实验结果实验结果）( , , , , , )pf ud l 平均流速管径、管长管壁粗糙度理论公式无法得出，由量纲分析法得：22lu

46、pd Re,d 形式上与层流的达西公式完全相同，差异在于沿程阻力系数22fluhdg或第五节 沿程阻力系数的确定尼古拉茨实验层流区层流区过渡区过渡区水力光滑管区水力光滑管区光滑光滑-粗糙过渡区粗糙过渡区水力粗糙管区水力粗糙管区 层流区：粗糙度对阻力系数无影响，根据达西公式确定； 过渡区：按照水力光滑管或经验公式处理； 水力光滑管：根据雷诺数，分段处理； 光滑-粗糙过渡区：经验公式处理； 水力粗糙管：尼古拉茨粗糙管阻力系数公式第七章 相似原理与量纲分析l数学分析法物理概念数理方程边界条件下求解物理过程研究物理过程研究缺点：复杂过程很难求解l实验法物理量直接测量总结结果得出规律缺点：实际局限很大，

47、精度和手段难以保证 流体力学实验中经常采用模型实验 问题： 1. 如何设计模型及保证模型实验的条件？ 2. 模型实验数据如何换算至实物中去？第一节 相似概念 相似概念：来源于几何学，主要表征空间意义上的相似，即边界形状和一切对应线性尺寸成比例。llCConstl2lACConstA3lVCConstV 物理现象相似概念：空间相对应的点与时间相对应的瞬间，表征该现象特征的所有物理量必然各自保持一定的比例关系：物理相似转化为几何相似ixiixCx 相似变换 运动相似A、B两质点沿几何相似的路径做匀速运动，速度为： Vl t Vl t系统一： Vl t系统二：相似常数：VVCVllClltCt相似指

48、标：VtlC CCC 为了保证物理现象相似，其相似指标等于1：1VtlC CCC 在相似系统的对应点上，不同物理量组成的量量纲为纲为1 1的综合数群的综合数群的数值必须相等，该量纲为1的量称为无量纲量，综合数群称相似准数。 除了运动相似外，还存在动力相似、时间相似、温度相似等，均有相应的相似常数存在。第二节 流动过程中的相似准数1. 不可压缩流动相似准数的导出不可压缩流动相似准数的导出(仅从仅从X方向推导方向推导) 不可压缩流动中需要满足的控制方程为连续性方程与N-S方程，可用来导出不可压缩流动中的相似准数0uvwxyz222222uuuuuuupuvwgtxyzxyzx 系统一：系统二：0u

49、vwxyz222222 uuuuuuupuvwgtxyzxyzxlCllzzyyxx vuvwCuvwtCtC gCgg C pCpp 0uvwxyzvlCC根据系统一、二的相似变换：系统二的连续方程变换为：系统二的N-S方程变换为：22222222vrvtlpvgllC CC CCCCC CuuuuuC CvwtxyzuuupxyCzCgx 系统二的控制方程必须与系统一成比例，因此：glplvlvvCCCCCCCCCCCCC22任意数lvCC且相似指标1lvCCC1CCCClv12vpCCC12vlgCCCHolvlvlv Re vllvlvEuvpvpvp 222Frvglvlgvlg 2

50、22均时性数弗劳德数欧拉数雷诺数从一个方程中所能导出的独立相似准数的个数等于方从一个方程中所能导出的独立相似准数的个数等于方程中不同结构的项数减程中不同结构的项数减1.1.vllvHolvvvl2Re2vpEu22vglvglFr整个系统流动过程进行时间与流体质点通过系统中某一定性尺寸距离所需要的时间的比值重力位能与动能的比值或重力与惯性力的比值流体压力与惯性力的比值流体惯性力与粘性力的比值2. 相似准数的物理意义：相似准数的物理意义：第三节 相似三定律第一定律彼此相似的现象必具有数值相同的同名相似准数定解问题相似l必为同类现象，必须服从自然界中同一基本规律l必须发生在几何相似的空间，并且具有

51、相似的初、边值条件l描述物性的参量必须具有相似的变化规律相似定律作用：判定现象是否相似、解决相似现象中的问题第二定律凡同一种类现象，如果定解条件相似，同时由定解条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等，则这些现象必然相似。l同类现象，形式相同的控制方程组第一个必要条件l定解条件相似第二个必要条件l独立相似准数在数值上相等第三个必要条件现象相似的充要条件：第三定律描述某现象的各种量之间的关系可以表示成相似准数之间的函数关系，即 ，称准数方程。12(,.)0nF 任何定解问题的积分结果都可以表示成准数方程的形式；便于实验 已定已定已定未定miif,21nmi, 2 , 1FrHofEuRe,例如对

52、于不可压缩等温流动，第四节 量纲分析基础相似准数相似准数定解问题通过相似变换方法获得能写出微分方程的问题量纲分析法量纲分析法从所研究问题包含的物理量的量纲着手，运用形式逻辑推理形式逻辑推理来研究问题的一种方法理论根据理论根据：物理方程量纲的一致性特点：l不必深入研究内部过程的细节，只需了解过程遵守的基本定律；l边界上哪些物理量有重要作用；l定解条件中包含哪些物理量。4.1 量纲和谐性物理量所属的种类种类，反映物理量的本质，与与单位之间存在密切的联系，又有一定的区别单位之间存在密切的联系，又有一定的区别。量纲：量纲：基本量纲：基本量纲：彼此独立，不能用其他量的组合表示流体力学中：长度L L，质量M M，时间T T，温度量纲和谐原理量纲和谐原理在一个有意义的方程中，任意