《流体流动特性》课件

流体流动特性课程简介课程目标本课程将引导学生深入理解流体流动特性，掌握相关理论知识，并能够运用这些知识分析和解决实际问题。课程内容课程内容涵盖流体的基本性质、流体运动的基本定律、流体静力学和流体动力学，以及各种流体流动现象和工程应用实例。什么是流体液体液体能自由流动，且其体积保持不变。例如：水、油。气体气体能够自由流动，且其体积可变。例如：空气、氧气。流体的性质粘度流体抵抗剪切变形的能力。例如，蜂蜜比水更粘稠。表面张力液体表面抵抗拉伸或破裂的能力。例如，水滴的形状是由表面张力决定的。压缩性流体在压力作用下体积变化的能力。例如，气体比液体更易压缩。流体运动的基本定律1质量守恒定律流体质量守恒，流入和流出流体的质量相等。2动量守恒定律流体动量守恒，流体受到的合外力等于动量变化率。3能量守恒定律流体能量守恒，流体能量转化形式多样，但总量不变。牛顿流体理论1粘度流体内部的摩擦力，影响流体流动速度。2剪切应力流体内部层之间由于相对运动而产生的切向力。3剪切速率流体内部层之间相对运动的速度变化率。理想流体的性质不可压缩性密度恒定，不随压力变化。无粘性没有内摩擦力，流体层之间没有相对运动。无热传导流体内部温度均匀，没有热量传递。实际流体的性质粘性实际流体具有粘性，这意味着它们会抵抗流动。粘性是由于流体分子之间的摩擦力造成的。粘性越大，流体流动越困难。表面张力表面张力是流体表面分子之间的吸引力，使流体表面呈收缩趋势。表面张力会影响流体在狭窄空间中的流动。压缩性实际流体可以被压缩，这意味着它们的体积可以随着压力的变化而改变。压缩性是由于流体分子之间的间隙造成的。静止流体的力学1压力流体内部各个方向都存在的压强2浮力浸没在流体中的物体所受的向上浮力3流体静力学研究静止流体的平衡状态和性质流体静压力定义流体静压力是指静止流体内部各点由于自身重力而产生的压力。特点静止流体的压力大小与深度成正比，与流体密度有关。影响因素静止流体的压力还受容器形状和流体性质的影响。流体静压力的应用水坝水坝利用流体静压力来产生能量，并将水流引向发电机。潜水艇潜水艇利用流体静压力来控制其浮力，使之能够潜入水中或浮出水面。医疗血压计利用流体静压力来测量人体血压，而输液泵则利用流体静压力来输送药物。流体动力学运动流体研究流体在运动状态下的规律，例如速度、压力、流量和能量等。重要概念粘性、湍流、边界层、伯努利定理等，帮助理解流体运动的复杂性。应用广泛在航空、水利、机械、化工等多个领域，流体动力学发挥着关键作用。伯努利方程能量守恒伯努利方程是描述理想流体在定常流动状态下能量守恒的数学表达式。它表明流体在流动过程中，动能、势能和压强能的总和保持不变。压强变化伯努利方程揭示了流体速度、高度和压强之间的关系。流体速度增加时，压强降低；流体高度增加时，压强降低。流体流动伯努利方程可用于分析各种流体流动现象，例如飞机升力、管道流动、喷嘴设计等。伯努利方程的应用流体流量测量利用伯努利方程，可以根据流体压力差来计算流体流量。喷嘴和扩散器设计伯努利方程可用于优化喷嘴和扩散器的形状，以提高流体效率。机翼升力伯努利方程解释了机翼上表面流体速度快、压力低，从而产生升力，使飞机升空。流动阻力摩擦阻力流体与固体表面之间的摩擦力，与流体速度、表面积和流体粘度有关。形状阻力物体形状引起的阻力，与物体形状、迎风面积和流体密度有关。管道流动中的阻力损失1摩擦阻力流体与管道壁面之间的摩擦导致的能量损失。2局部阻力流体在管道弯头、阀门等局部元件处产生的能量损失。3流体粘度流体粘度越高，摩擦阻力越大。4流动速度流动速度越高，摩擦阻力越大。边界层理论边界层是流体在物体表面附近形成的一层薄薄的流体层，其流动速度从物体表面的零速度逐渐过渡到主流速度。边界层内存在着明显的粘性力作用，导致流体速度梯度和剪切应力。边界层内的流动可以是层流或湍流。边界层理论可以用来预测流体流动特性，例如摩擦阻力、热传递和质量传递，对于航空航天、流体机械等领域具有重要意义。桑德斯定理和奎尔定理1桑德斯定理分析了液体在管道中流动时，流速与管径的关系。2奎尔定理描述了流体在弯曲管道中流动时，由于惯性力的作用，流体压力会降低。气体动力学基础气体分子气体是由快速运动的分子组成的，分子之间相互作用很弱。气体压力气体压力是由气体分子撞击容器壁产生的力。气体流动气体流动是指气体在容器或管道中移动的过程。超音速流动速度流体速度超过声速的流动称为超音速流动。马赫数马赫数是流体速度与声速的比值，用来描述超音速流动的程度。特点超音速流动具有压缩性、可压缩性、非线性等特点。激波波前的跳跃条件质量守恒通过激波波前的质量流量守恒。动量守恒通过激波波前的动量守恒。能量守恒通过激波波前的能量守恒。激波波前的参数变化密度气体通过激波时，密度会急剧增加。压力压力会在激波波前显著上升。温度气体温度也会在激波波前升高。速度气体速度会在激波波前下降。激波波前的热力学分析热力学第一定律：能量守恒热力学第二定律：熵增原理热力学第三定律：绝对零度不可达高超声速流动飞行速度高超音速飞行器的速度极高，超过5马赫。气动加热高超声速飞行时，空气与飞行器表面摩擦产生的热量非常高。设计挑战高超声速飞行器的设计需要克服气动加热和气动力的挑战。层流与湍流层流流体粒子沿着平滑且有序的路径流动，没有横向混合。湍流流体粒子以无序和随机的方式流动，存在明显的横向混合。雷诺数区分层流和湍流的关键参数，取决于流体粘度、速度和特征长度。湍流边界层理论流动特性湍流边界层流动具有更复杂的多尺度结构和非线性特征。湍流边界层中存在着能量级联和涡旋结构。数学描述描述湍流边界层需要考虑各种湍流模型和数值模拟方法。常用的模型包括k-ε模型和雷诺应力模型。能量传递湍流边界层中能量传递更加复杂，包括动量传递、热量传递和物质传递。湍流可以显著提高能量传递速率。湍流模型1雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)通过对湍流变量进行时间平均来简化湍流方程，并引入湍流模型来描述湍流的统计性质。2大涡模拟(LES)直接模拟大尺度涡旋，而将小尺度涡旋通过模型进行处理，适用于计算复杂流动。3直接数值模拟(DNS)直接求解所有尺度的湍流方程，计算量巨大，适用于研究基本湍流现象。数值模拟方法有限差分法该方法将连续的微分方程离散化，用差分方程近似求解。有限元法将求解区域划分成有限个单元，在每个单元上采用近似函数进行计算。有限体积法该方法以控制体积为基础，对控制体积内的守恒方程进行积分求解。流体流动应用举例流体流动现象广泛存在于自然界和工程领域，在各个领域发挥着重要作用。例如：飞机