绪论流动气体基本知识方程市公开课获奖课件省名师优质课赛课一等奖课件

1/30绪论流动气体基本知识方程

介绍气体动力学基本内容和流动气体基本知识

流动气体基本知识和连续方程连续方程应用2/222/30§1—1气体连续介质模型一、流体质点与连续介质模型处于流体状态物质，不论是液体还是气体，都是由大量不停运动着分子所组成。从微观角度来看，流体物理量在空间是不连续，这是因为分子之间总是存在间隙，而且分子内部质量分布也不连续。同时，因为分子随机运动，又造成任一空间点上流体物理量对于时间不连续性。3/30不过在气体运动力学中，我们所讨论问题特征尺寸往往大于气体分子平均自由程（指1个分子在连续两次碰撞之间所经过平均旅程），而人们感兴趣是气体宏观特征。即大量分子统计平均特征。这么，我们有理由不以分子作为研究对象，而是引进流体连续介质模型，并以连续介质作为我们研究对象。为了建立连续介质模型概念，让我们首先观察一个很有启发性试验结果。4/30如图2—1—1a所表示，取包含点微元。在此体积中流体质量为。体积中流体平均密度为。我们绕P点取大小不一样，测出其中质量，计算出其中平均密度。实测结果如图2—1—1b所表示。5/30在包含P点微元体积向逐步收缩过程中，其平均密度逐步趋于一个确定极限值，而且当体积继续收缩时其平均密度不再改变。此时分子个性并未显示出来。只有当体积收缩到比更小时，此时中分于数已降低到这么程度，随机进入和飞出此体积分子数不能随时平衡，所以体积中分子数也将随机波动，从而引发体积内流体平均密度随机波动，这时流体表现出分子个性，比值不再含有明确必定数值，如图2—1—1b中波动曲线所表示。

6/30由此可见，是一个特征体积，从宏观上看，它几何尺寸与研究工程问题中物体尺寸相比要小得多，但从微观上看，它又包含有足够多分子数目，从而使统计平均值有确切意义。我们把微元体积中全部流体分子总体称作流体质点。利用流体质点这个概念，能够得出流体连续介质模型定义：流体是由连续分布流体质点所组成。

7/30流体既被看成是连续介质，则反应宏观流体各种物理量，就都是空间坐标连续函数。所以，在以后讨论中都能够引用连续函数解析方法，来研究气体处于平衡和运动状态下相关物理参数之间数量关系。不过当我们所研究问题特征尺寸靠近或小于质点特征尺寸时连续介质模型将不再适用。可见流体连续介质模型是一个含有相对意义概念。8/30二、气体物理量依据连续介质模型，气体中每一点都被对应气体质点所占据。所谓空间任意点上气体物理量(如密度、速度、压强等)就是指位于该点上气体质点物理量。(一)气体中一点处密度和速度依据连续介质概念，密度数学定义为（2—1—1）所以，密度就是单位体积内所含质量。9/30在任意时刻，空间任意点上气体质点密度都含有确定数值，所以密度是坐标点及时间t函数。令V表示一点处气体运动速度，是指给定瞬间经过该点气体质点瞬时速度，类似于密度，它也是连续函数速度V是个矢量，它在空间坐标方向上三个分量分别为。

同理，也能够建立连续介质中一点处比容v，比重r和温度概念。10/30(二)气体中一点处压强一个受力固体元件，在内部任意切出一个剖面，在这个剖面上，普通现有法向力又有切向力。一样，在流动着气体内部任意取出一个面积为剖面来看，剖面上普通也有法向力和切向力，如图2—1—2所表示。这里切向力完全是由粘性产生，而气体粘性又只有在流动时才会表现出来。法向力总是有，不论气体是静止还是流动。

11/30法向应力定义为气体中法向应力，即垂直作用在单位表面面积上力称为压强，(或又叫压力)压强以压迫力（箭头指向气体中某点)为正，吸引力为负。12/30依据连续介质模型，它也是连续函数切向应力定义是气体中切向应力叫做摩擦应力。在静止气体中，不存在粘性摩擦应力。有些运动着气体粘性摩擦应力，也很小，能够忽略不计，这种忽略粘性应力气体叫做理想气体，在理想气体中任一点压强大小与方位无关，即气体从任一方向压向该点压强在数值上是一样。

13/30§1—2气体基本属性在气体基本属性中，与气体流动相关韵是热力学属性(已在工程热力学中说明)和气体压缩性，粘性和导热性。一、气体压缩性

气体密度伴随压力或温度改变而改变物理性质，叫做气体压缩性。

14/30流动气体，因为速度改变，会引发压力或温度对应改变，从而使密度发生改变。气体密度改变又会影响气体流动。所以，这里所说气体可压缩性，不是指静止气体在外加压力作用下压缩性，而是指气体在流动过程中因为本身压力改变所引发密度改变。通常我们用却这个量来衡量气体压缩性大小。显然，改变单位密度所需压力改变量越大，即却，说明气体难压缩或压缩性小；反之，小，说明气体易压缩或压缩性大。以后会证实，等于音速平方，所以压缩性与音速有直接关系。

15/30压缩性对流动气体影响通惯用马赫数M表示，定义以下其中C为局部气体速度，为局部音速。计算表明，气体低速流动时，因为气流速度改变而引发气体密度相对改变量很小，在此情况下，能够近似地假定气体密度是不变。当气体以高速流动时就必须考虑压缩性影响了。

16/30二、气体粘性气体流动时，因为气体与固体壁面附着力和气体本身之间分子运动和内聚力，使气体各处速度产生差异。比如假设有一股平直均匀气流，以速度流过平板，如图2—1—3所表示。测量子板表面附近各层气体流速，就会发觉：紧贴平板那层气体流速降低为零；沿平板法线方向向外，气流速度逐步增大，直到离开平板一段距离后，速度才和原来气流速度。没有显著差异。速度沿平板法线方向这种改变，正是气体粘性表现。17/30运动较快流层能够带动较慢流层，反之运动较慢流层则又阻滞运动啊较快流层，不一样速度流层之间相互制约，产生类似固体摩擦过程力。称为内摩擦力。气体流动时产生内摩擦力这种性质叫做气体粘性。依据牛顿内摩擦定律，流体在运动时，内摩擦力F与流体速度沿法线方向改变率(速度梯度)成比，与接触面积A成正比，与流体性质(粘性)相关而与流体内压强无关，它数学表示式为：18/30内摩擦力F除以接触面积A，即得气体内切应力这里是表征气体粘性百分比系数，称为粘度或粘性系数。在国际单位制中，粘度单位是。不一样流体介质值各不相同，同一介质值随温度而改变。这里尤其需要指出是，粘度是反应流体本身固有特征系数；而摩擦应力则取决于粘度和当地速度梯度。我们所说理想流体，是指和都小因而流体，不是指流体粘度等于零。19/30现在我们分析气流各层之间摩擦力本质。由物理学知道，不论气体是处于静止状态还是处于运对状态，气体分子总是不停地进行着不规则热运动，这种热运动使不一样流层中气体质量进行交换，而假如各层气流速度不相等话，相邻两层中气体分于动量必定不相同，因而就有动量交换。单位时间时经过相邻两层分界面单位面积上动量交换便是摩擦应力。假如流体不是一层一层地流动(称为层流)而是紊乱地流动(称为紊流)，则相邻两层不但有分子运动带来动量交换，20/30而且又因为流体微团乱动带来动量交换，后者比前者大得多，所以紊流比层流摩擦阻力大得多。在许多气体动力学问题里，粘性力与惯性力同时存在，往往把和写成组合参数，并以符号表示即

称为运动粘度。而与此相对应，把称为动力粘度。21/30三、气体导热性同固体传热类似，气体中温度不均匀地方，也会出现热传导现象。单位时间内经过垂直于n方向单位面积所传递热量q按傅立叶导热定律确定为为气体导热系数，为温度梯度。负号表示热量传递方向永远气温度梯度方向相反。式中22/30§2—1连续方程

连续方程是质量守恒定律应用于流动气体所得到关系式。质量守恒定律在一维定常管流中详细形式就是流过任何截面流量是相等。设有一维定常管流，如图2—2—1所表示。在流管中任取垂直于管轴截面1—1和2—2，设截面1—1管截面积是，流速是，密度是;截面2—2管截面积是，流速是，密度是。23/30因为是定常流动，各截面全部参数都不随时间改变，那么，每秒钟经过两截面质量分别是和,而流过其它任一截面质量是。按质量守恒定律可得等式

24/30上式称为连续性方程。对于不可压流=常数，上式写为

上式表明，在一维定常不可压流里，流管沿程各截面上流速是与横