流体力学_流体动力学

1、授课:陈礼 余华明使用教材:制冷流体机械流体动力学流体动力学工业生产中，流体常处于流动状态。研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问题就是流体力学的任务。流体力学是研究流体宏观运动规律的学科，主要研究流体的运动规律，流体之间或流体与固体相互作用力，及流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。第一节第一节 基本概念基本概念一、流场与流速场1、流场概念:流体流动的空间2、流速场：定义为在任一瞬时由空间点上速度矢量构成的场，又称速度分布。在直角坐标系中速度分布的分量式为),(),(),(zyxuuzyxuuzyxuuzzyyxx一、流场与流速场一、流场与流速场3、稳定流与非稳定流、稳定流与非稳定流稳定

2、流动定义为流动参数不随时间变化的流动，否则称非稳定流动。稳定流动定义为流动参数不随时间变化的流动，否则称非稳定流动。a为速度恒定，代表稳定流；为速度恒定，代表稳定流；b为速度作小幅变化，可近似为稳定流；为速度作小幅变化，可近似为稳定流；c为周期性谐波脉动流（正弦波）；为周期性谐波脉动流（正弦波）；d为周期性非谐波脉动流（生理波）；为周期性非谐波脉动流（生理波）；e为非周期性脉动流（衰减波）；为非周期性脉动流（衰减波）；f为随机流动（湍流）。为随机流动（湍流）。3、稳定流与非稳定流一、流场与流速场4、描述流体运动的两种方法拉格朗日法和欧拉法。比喻：城市公共交通部门采用两种方法统计客运量。在每一辆

3、公交车上设记录员，记录每辆车在不同时刻（站点）上下车人数，此法称为随体法；即拉格郎日法在每一站点设记录员，记录不同时刻经过该站点的车辆上下车人数，此法称为当地法。即欧拉法。二、流线和迹线1、流线的定义 流线（stream line）是表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线，曲线上任一点的切线方向与该点的流速方向重合2、迹线的定义 迹线(path line)某一质点在某一时段内的运动轨迹线。 三、一、二、三元流动一元流(one-dimensional flow二维流动三、一、二、三元流动三维流动很多流动，特别时管内流动都可视为一元流，它是本章重点讨论对象。四、流量与平均流速1、过水断面的概念2、体积

4、/质量流量定义为单位时间内流过一假想曲面的体积/质量。体积流量（m3/s）： 质量流量（kg/s）： 3、断面平均流速、断面平均流速u 总流过水断面上各点的流速是不相同的，所以常采用一个平均值来代替各点的实际流速，称断面平均流速u。五、渐变流与急变流、均匀流与非均匀均匀流与非均匀流流的概念1、如流动变化缓慢，流线的曲率很小接近平行，过流断面上的压力基本上是静压分布者为渐变流(gradually varied flow)，否则为急变流。 2、均匀流流线是平行直线的流动非均匀流流线不是平行直线的流动练习练习问题1：恒定流是： A、流动随时间按一定规律变化； B、流场中任意空间点的运动要素不随时间变

5、化； C、各过流断面的速度分布相同； D、各过流断面的压强相同。 问题2：何谓均匀流及非均匀流？以上分类与过流断面上流速分布是否均匀有无关系？ 问题3：何谓渐变流，渐变流有哪些重要性质？问题4：一元流动是： A、均匀流； B、速度分布按直线变化； C、运动参数是一个空间坐标和时间变量的函数； D、 限于直线流动。 问题5：实际水流中存在流线吗？引入流线概念的意义何在？ 问题6：只有当过水断面上各点的实际流速均相等时，水流才是均匀流”，该说法是否正确？为什么？ 问题7：欧拉法、拉格朗日方法各以什么作为其研究对象？对于工程来说，哪种方法是可行的？ 问题8：在什么流中，流线与迹线重合。 问题9：判断

6、：在均匀流中，任一过水断面上的流体动压强呈静压强分布特征问题10：判断：均匀流过水断面是一平面，渐变流过水断面近似平面。问题11： 在静止流体中，各点的测压管水头是否相等？在流动流体中？问题12：想一想：为什么在总流分析法中需引入断面平均流速？ 问题13：判断：渐变流任意两个过水断面的 问题14：一等直径水管，A-A为过流断面，B-B为水平面，1,2,3,4为面上各点，各点的运动物理量有以下关系： 问题15:判断：静水压强可以用测压管来测量，而动水压强则不能用测压管来测量。 问题16：问题1：实际流体在等直管道中流动，在过流断面1，2上有A，B，C点，则下面关系式成立的是：问题17:如图所示管

7、路系统中流体作实际运动，恒定。圆管等直径，则下述判断正确的是： A.该管路系统上点3和5的测压管水头相等；C.该管路系统上点1的动水压强p1=g水h1；B.该管路系统上点7的测压管水头大于6点的测压管水头； D.该管路系统上点2和8的动水压强p1=p8=pa。 第二节第二节 流体动力学基本方程流体动力学基本方程 一、不可压缩流的连续性方程 1、对于不可压缩流体有：=const 物理意义：对于不可压缩流体，断面平均流速与过水断面面积成反比，即流线密集的地方流速大 ，而流线疏展的地方流速小。适用范围：固定边界内的不可压缩流体，包括恒定流、非恒定流、理想流体、实际流体。 一、不可压缩流的连续性方程

8、2、 分叉流的总流连续性方程 问题：变直径管的直径d1=320mm，d2=160mm， 流速1=1.5m/s，2为： A.3m/s； B.4m/s； C.6m/s； D.9m/s。 二、稳定流能量方程 1、实际流体恒定总流的能量方程 问题：水平放置的渐扩管如图所示，如忽略水头损失，断面形心点的压强有以下关系： A.p1p2； B.p1=p2 ； C.p1p2； D.不定。 二、稳定流能量方程 问题： 能量方程中 表示：A.单位重量流体具有的机械能；B.单位质量流体具有的机械能；C.单位体积流体具有的机械能；D.通过过流断面单位重量流体的总机械能。二、稳定流能量方程 问题： 能量方程中 表示：A

9、.单位重量流体具有的机械能；B.单位质量流体具有的机械能；C.单位体积流体具有的机械能；D.通过过流断面单位重量流体的总机械能。判断：在位置高度相同，管径相同的同一管道的两断面上，其势能、动能都相等。 判断：运动水流的测压管水头线可以沿程上升，也可以沿程下降。 二、稳定流能量方程 2.总流能量方程在推导过程中的限制条件总流能量方程在推导过程中的限制条件1）恒定流；2）不可压缩流体；3）质量力只有重力；4）所选取的两过水断面必须是渐变流断面，但两过水断面间可以是急变流。5）总流的流量沿程不变。6）两过水断面间除了水头损失以外，总流没有能量的输入或输出。7）式中各项均为单位重流体的平均能（比能），

10、对流体总重的能量方程应各项乘以gQ，即二、稳定流能量方程3.水头概念及水头概念及串串、水头线水头线的绘制的绘制速度、压力、测压管、总水头概念及表达式。速度、压力、测压管、总水头概念及表达式。注意：注意： 1.理想流动流体的总水头线为水平线；理想流动流体的总水头线为水平线； 2.实际流动流体的总水头线恒为下降曲线；实际流动流体的总水头线恒为下降曲线； 3.测压管水头线可升、可降、可水平。测压管水头线可升、可降、可水平。 4.若是均匀流，则总水头线平行于测压管水头线，即若是均匀流，则总水头线平行于测压管水头线，即J=JP。 5.总水头线和测压管水头线之间的距离为相应段的流速水头。总水头线和测压管水

11、头线之间的距离为相应段的流速水头。 二、稳定流能量方程3.水头概念及水头概念及串串、水头线水头线的绘制的绘制速度、压力、测压管、总水头概念及表达式。速度、压力、测压管、总水头概念及表达式。不同固体边界下的水头线：不同固体边界下的水头线：二、稳定流能量方程3.水头概念及水头线的绘制水头概念及水头线的绘制注：出口为自由出流时，注：出口为自由出流时，P-P线末端应落在出口断面的管轴线上。线末端应落在出口断面的管轴线上。不同出口流速时的水头：不同出口流速时的水头：下游水池流速为零下游水池流速为零 下游水池流速不为零下游水池流速不为零即管道出口处的测管水头线、总水头线与下游水位持平。即管道出口处的测管水

12、头线、总水头线与下游水位持平。 即管道出口处的总水头线高即管道出口处的总水头线高 于下游水位。于下游水位。 问题问题1.拿两张薄纸，平行提在手中，当用嘴顺纸间缝隙吹气时，问薄拿两张薄纸，平行提在手中，当用嘴顺纸间缝隙吹气时，问薄纸是不动、靠拢、还是张开？为什么？纸是不动、靠拢、还是张开？为什么？ 问题问题2：在应用恒定总流的能量方程，可选用图中的那几个断面，作：在应用恒定总流的能量方程，可选用图中的那几个断面，作为计算过水断面。为计算过水断面。 A.1，2，3，4，5； B.1，3，5；C.2，4； D.2，3，4。问题问题3：粘性流体总水头线沿程的变化是：粘性流体总水头线沿程的变化是： A.

13、沿程下降；沿程下降；B.沿程上升；沿程上升；C.保持水平；保持水平；D.前三种情况都有可前三种情况都有可能。能。 问题问题4：粘性流体测压管水头线的沿程变化是：粘性流体测压管水头线的沿程变化是：A.沿程下降；沿程下降；B.沿程上升；沿程上升；C.保持水平；保持水平；D.前三种情况都有可能。前三种情况都有可能。问题问题5.问题：设有一水平压力管流，当不考虑水头损失的影响时，其问题：设有一水平压力管流，当不考虑水头损失的影响时，其测压管水头线沿程下降、上升或水平的条件各是怎样的？测压管水头线沿程下降、上升或水平的条件各是怎样的？二、稳定流能量方程3.能量方程的解题步骤能量方程的解题步骤 三选一列三

14、选一列 1.选择基准面选择基准面:基准面可任意选定，但应以简化计算为原则。例如选基准面可任意选定，但应以简化计算为原则。例如选过水断面形心（过水断面形心（z=0），或选自由液面（），或选自由液面（p=0）等。）等。 2.选择计算断面：计算断面应选择均匀流断面或渐变流断面，并且应选择计算断面：计算断面应选择均匀流断面或渐变流断面，并且应选取已知量尽量多的断面。选取已知量尽量多的断面。 3.选择计算点：管流通常选在管轴上，明渠流通常选在自由液面。对选择计算点：管流通常选在管轴上，明渠流通常选在自由液面。对同一个方程，必须采用相同的压强标准。同一个方程，必须采用相同的压强标准。 4.列能量方程解题列

15、能量方程解题 注意与连续性方程的联合使用。注意与连续性方程的联合使用。例题1 例题2 例题3想一想：右图中，过水断面上的动压强分布符合静压强分布规律的为： 直管处 还是弯管处判断：当流速分布比较均匀时，则动量修正系数越接近于零。 判断：测压管水头线若低于管轴心，则该处水流一定处于真空状态。 三、气体能量方程气体是可压缩流体，但是对流速不很大（u60m/s）压强变化不大的系统，如工业通风管道、烟道等，气流在运动过程中密度的变化很小，在这样的条件下，伯努利方程仍可用于气流。由于气流的密部空气的密度是相同的数量级，在用相对压强进行计算时，需要考虑外部大气压在不同高度的差值。 三、气体能量方程 设恒定气流如图，气流的密度为，外部空气的密度为a 这里p1，p2称为静压； 称为动压。 （a-）g为单位体积气体所受有效浮力，（z2-z1）为气体沿浮力方向升高的距离，乘积（a-）g（z2-z1）为1-1断面相对于2-2断面单位体积气体的位能，称为位压。 当气流的密度和外界空气的密度相同a=，或两计算点的高度相同z2=z1时，位压项为零，式简化为 例题1.毕托管测速毕托管测速 当水流受到迎面物体的阻碍，被迫向两边（或四周）分流时，在物体表面上受水流顶冲的A点流速等于零，称为滞止点（或驻点）。在滞止点处水流的动能全部转化为压能。毕托管就是利用这个原理制成的一种量测流速的仪