第三章流体动力学

第三章流体动力学Chapter3Hydrodynamics

流体动力学是研究流体在外力作用下的运动规律，即研究作用在流体上的力与流体流动行为之间关系。 在流体静力学中，主要研究作用在静止或相对静止流体体系上的质量力(体积力)与表面力的平衡关系。这种力是外界或通过外力场作用在流体体系上的，所以称之为外力。 当流体体系处于任意的流动状态时，流体除了仍然受到以上提到的力的作用外，根据牛顿粘性定律，处于不均匀流速流动状态的流体内部会产生抵抗流动不均匀性的粘性力。当流动不稳定时，还会产生惯性力。于是，外界作用力、粘性力和惯性力等力的平衡关系共同决定了特定流体体系的流动行为。 流体动力学就是基于有关的物理定律，通过建立相应的平衡数学方程，来定量描述流体的流动行为，如：流动方式，速度的方向、大小和分布等。流体动力学所涉及到的三个基本物理定律：1、3定律在传热、传质篇中要用到，如：流动传质方程和流动传热方程；描述流体及流动还涉及到一些辅助的定律，如理想气体定律等。3.1流体动力学有关基本概念三、流线Streamline流线：在某一时刻从某质点A起流速方向上的相邻质点的依次连线称为在该时刻通过该质点A的流线。流线的性质：①在任意时刻下，流场中的任何流线均不相交；②

在非稳定流动中，通过质点A的流线的形状是随时间t变化的，只有在稳定流动中，A质点流线的形状才不会发生改变，且与A质点的轨迹线重合。四、流管、流束与流量流管：在流场中作一本身不是流线又与流线相交的封闭曲线，通过这一封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面；流束：流管内部的流体；有效截面：处处与流线相垂直的流束的截面积；流量：单位时间内流过某一有效截面的流体量[m3/s]数学上流量的表达式为：式中：u—为流速，dA—有效截面微元面积流量有体积流量和质量流量之分，(3-3)为体积流量,质量流量为：平均流速：流过某一有效截面A的体积流量Vs与有效截面积A的比值称为通过该面积的平均流速，表示为：总流：在流动边界内的全部液流或气流称为总流。按流动边界的性质，总流可分为三类，即有压流、无压流和射流。有压流：流体充满管道并沿其轴线流动。无压流：总流边界的一部分为固体边界所限制，而另一部分与空气接触形成自由面。射流：气体由管嘴喷射到一个比较大的空间去，由于气体脱离了限制它的管道，不再受固体界面的约束，凭着出口时所具有的动量和惯性，在自由空间内不断卷吸周围的气体介质，从而形成逐渐扩展流动的喷射流，这种流动方式称为射流。五、动量率及动量通量

RateofMomentumandMomentumFlux

流体本身具有质量，当处于流动速度时，流体就具有动量，为表示动量强度的大小，要定义动量率和动量通量的概念。动量率：单位时间内流体传输的动量;动量通量：流体在单位时间内，通过单位面积流体所传输的动量，其值为：

单位：动量率和动量通量均为矢量。①对流动量通量

ConvectionalMomentumFlux

流体的流动及粘性均会产生流体动量的传递，所以相应地，动量通量又分为对流动量通量和粘性动量通量。若流体的质量为m，速度为u，则单位时间内通过单位面积的就是对流动量通量：

[例]流体沿x轴方向流动，速度为ux，流过的面积Ax=dydz，单位时间内流过Ax面积的质量为：单位时间内流过Ax面的动量率为:在x方向的动量通量为：②粘性动量通量：

ViscousMomentumFlux若流体沿x轴方向流动，速度为ux，根据牛顿粘性定律，粘性力与速度梯度的关系为：y方向的单位时间内通过面积Ay=dxdz的粘性动量率为：

y方向的粘性动量通量为：式中ρux的单位为（kg/m