《风电控制技术及应用》课件-2.风力机空气动力学

风力发电技术流体力学基

础目录01

流体及其物理性质03

流体运动学02

流体静力学04

平行流绕过圆柱体的平面流动流体及其物理性质PA

R

T 0

1流体及其物理性质所

谓流流体体定义即 流动的物质。力学特征表现为受任何微小剪切力的作，用都能连续变形的物质。自然界物质形态：固态、液态、气态。其中后二者为流体。流体具有易变形的特征。流体与固体的区别受只持要续作剪用切时应间力足作够用长时，，其固变体形变可形以一很大般是甚微至小无和限有大限。的；对流体而言剪切应力停止作用，固体变形恢复或部分恢复；流体则不做任何恢复。流体及其物理性质流体的构成微观：流体是由大量做无规则热运动的分子组成的，分子间存有间隙，在空间是不连续的。宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子间距质大点的）多。。所取最小流体微元应为体积无穷小流体微团（流体流体及其物理性质流体微团（流体质点）定义包统含计足平够均多值流表体了分该子流的体流在体这微一团位，置其的内宏分观子属的性各。物理量的采用连续介质假设的优点避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。流体及其物理性质表面力作用在所取分离体表面上的力。通常指分离体以外的其他物体通过分离体的表面作用在分离体上的力。应力流体及其物理性质质量力某种力场作用在流体的全部质点上的力，是与流体的质量成正比的力。xyz

dV

aa

dVg

dV

a重力惯性力离心力电磁力……流体及其物理性质流体的密度流体单位体积内所具有的质量。表征流体在空间某点的密集程度。该点处的密度单位：kg/m3流体及其物理性质流体及其物理性质流体的相对密度

ρf：流体的密度（kg/m3)

ρw：4oC时水的密度（kg/m3)流体的比容单位质量流体所占有的体积单位:

m3/kg流体及其物理性质混合气体密度--

混合气体中各组分气体的密度--

混合气体中各组分气体所占的体积百分比流体及其物理性质例氮：占空7气8．中0主8％要，成氧分占是2氮0．气9和5氧％气，，试按估体算积标分准数状计态算下空气的密度3。氮气

1.25kg/m3氧气

1.43kg/m（1.29kg/m3）流体及其物理性质流体的压缩性和膨胀性随着压强的增高，体积便缩小；随着温度的升高，体积便膨胀。压缩系数:是在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率。单位：m2/Nk大，体积变化率大，较易压缩k小，体积变化率小，较难压缩流体及其物理性质液体：一般不可压缩气体 一般可压缩低速时可作为不可压缩处理可压缩流体和不可压缩流体所有流体都是可以压缩的，但可压缩程度不同。不可压缩流体并不是在外力或温度作用下不可压缩的流体，而是其密度随速度的变化可以忽略的流体。流体及其物理性质流体的粘性粘性的定义流体内部各流体微团之间发生相对滑移时，流体内部会产生切向阻力的性质，称为流体的粘性。流体粘性所产生的两种效应流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体将粘附于它所接触的固体表面。牛顿内摩擦定律vh实验证明:μ: 流体的动力粘度,取决于种类、温度、和压强

Pa·s(N·s/m2)流体及其物理性质影响粘度的因素：温度：液体:气体:分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑流体种类:油>水>

气分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计流体及其物理性质A:

牛顿流体B:

理想塑性体

(牙膏)C:

拟塑性体

(纸浆)D:胀流型流体牛顿流体和非牛顿流体理想流体弹性固体流体及其物理性质粘性流体和理想流体不具有粘性的流体称为理想流体粘性作用表现不出来的场合。直接求解粘性流体的精确解很困难。先不计粘性，得到的解用修正系数修正；对粘性为主要影响因素的问题，按由简到繁的原则，先研究理想流体流动。流体及其物理性质工程流体力学的任务是研究流体的宏观机械运动。流体在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。引入了连续介质模型假设，把流体看成没有空隙的连续介质。粘性是流体的主要物理性质，它是流动流体抵抗剪切变形的一种性质。不同的流体粘滞性大小用动力粘度或运动粘度来反映。温度是粘度的主要影响因素：随温度升高，气体粘度上升、液体粘度下降。牛顿内摩擦定律,它表明流体的切应力大小与速度梯度或角变形率或剪切变形速率成正比。根据是否遵循牛顿内摩擦定律，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。流体静力学PA

R

T 0

2流体静力学流体静力学研究在外力作用下流体处于平衡的力学规律及其在工程技术中的应用。静止、相对静止平衡流体微团无相对运动粘性作用表现不出来本章得出的结论对粘性流体和理想流体均适用dydvx

0dy

dvx

0流体静力学流体静力学基本方程当作用在流体上的质量力只有重力时代入压强差公式对均质不可压缩流体流体静力学基本方程式流体静力学适用条件:均质、不可压缩流体只受重力,处于静止状态。流体静力学物理意义单位重力流体的位势能单位重力流体的压强势能压强所做的功 位势能在重力作用下的连续均质不可压缩静止流体中，各点的单位重力流体的总势能（位势能＋压强势能）保持不变。流体静力学单位重力流体所具有的能量可以用液柱高度来表示，称为水头。位置水头：某点所在位置到基准面的高度。压强水头：压强作用下在完全真空的测压管中测得的高度位置水头与压强水头的和称静水头流体静力学在重力作用下有自由表面的均质不可压缩静止流体中的压强计算公式重力场中静止流体的压力分布对淹深为h的某点a和自由液面上的某点列静力学基本方程式流体静力学压强的计量绝对压强：计示压强：绝对压强总是正的，而计示压强则可正可负以完全真空为基准计量的压强。以当地大气压强为基准计量的压强流体静力学压强的计量【例】

如图所示，有一未盛满水的封闭容器。当水面压强

po=

1.2x105Pa时，求水面下深度

h=0.8m处B

点的静压强。流体静力学压强的计量【例】

如图所示，有一未盛满水的封闭容器。当水面压强

po=

1.2x105Pa时，求水面下深度

h=0.8m处B

点的静压强。流体静力学压强的计量【例】如图所示，在盛有油和水的圆柱形容器顶部加荷重

F=5788N

的活塞，已知h1=50cm，h2=30cm，大气压强

Pa=105Pa，活塞直径d=0.4m，ρ油g=7840N/m3，求B点的静压强流体静力学测压管优：简单、准确缺：量程小，不能自动测量流体静力学U型管差压计工程技术中要经常测量同一容器不同位置的压强差或者不同容器的压强差。流体静力学流体静力学解：流体静力学一封闭容器盛以水，当其从空中自由下落时（不计空气阻力），其单位质量力为Ａ. 0 ；√ Ｂ. -g ； Ｃ. mg ；Ｄ. –mg 。在密闭的容器上装有U形水银测压计（如图），其中1、2、3点位于同一水平面上，其压强关系为A. p1=p2=p3

； B. p1>p2>p3

；C. p1<p2<p3 。空气水流体运动学PA

R

T 0

3流体运动学按流体性质有无粘性（μ）压缩性大小（K）粘性流体流 理想流体流 可压缩流体 不可压缩流动 动 流动 体流动按坐标变量数目一维流动二维流动三维流动流体运动学按运动状态定常流动非定常流动有旋流动无旋流动层流流动紊流流动亚音速流动超音速流动流体运动学定常流动和非定常流动流动参量不随时间变化的流动称为定常流动。流动参量随时间变化的流动称为非定常流动。准时定间常间流隔动内：，流可动以参近数似非的常认缓为慢是的定随常时流间动变化，在较短的v

v(

x,

y,

z

)p

p(

x,

y,

z

)

(

x,

y,

z

)流体运动学迹线流体质点的运动轨迹称为迹线。描述流场中同一质点在不同时刻的运动情况。流线流线是这样的一条曲线：在某一瞬时，此曲线上的每一点的速度矢量总是在该点与此曲线相切。流体运动学流线特征流体运动学流体运动学不可压缩理想流体在重力场中一维定常流动对于理想流体取微元流管做为控制体, 则CS为微元截面而对微元截面的积分便是被积函数本身沿流线成立

01112222p p2v

2 v

2

1

u

gz

2u

gz

常数p

2u

gz

v

2伯努利方程流体运动学不可压缩理想流体在重力场中作稳定流动时，沿流线单位质量流体的动能、位势能和压力势能之和是常数。p

gh

常数2

v

2理想流体微小流束能量方程式

1

+v2

�1

v2

�22� ρg 2� ρg+ℎ1=

2

+ +

ℎ2v22��ρgℎ称为速度水头， 称为压强水头，

为位置水头伯努利方程流体运动学不可压缩理想流体在与外界无热量交换的条件下，流体的内能等于常数。—伯努利方程丹·伯努利（Daniel

Bernoull，1700-1782）：瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。伯努利以《流体动力学》（1738）一书著称于世，书中提出流体力学的一个定理，反映了理想流体（不可压缩、不计粘性的流体）中能量守恒定律。这个定理和相应的公式称为伯努利定理和伯努利公式。他的固体力学论著也很多。他对好友欧拉提出建议，使欧拉解出弹性压杆失稳后的形状，即获得弹性曲线的精确结果。1733-1734年他和欧拉在研究上端悬挂重链的振动问题中用了贝塞尔函数，并在由若干个重质点串联成离散模型的相应振动问题中引用了拉格尔多项式。

他在1735年得出悬臂梁振动方程；1742年提出弹性振动中的叠加原理，并用具体的振动试验进行验证；他还考虑过不对称浮体在液面上的晃动方程等。

常数

pgz

2v

2流体运动学伯努利方程的应用皮托管对B、A两点列出伯努利方程v

2BAB2

(

p

p )

2

ghv

B

pB

pA2

p

gHB 0pA

g(

H

h

)0流体运动学例：测量水流中某点的速度，已知水的密度为ρ=1000kg/m3，压差计的读数h=0.8m，重力加速度g=10m/s²，求该点的流速v。流体运动学例：在如图所示的装置测量油管中某点的速度。已知油的密度为ρ=800kg/m3，水银密度为ρ’=13600

kg/m3，水银压差计的读数h=60mm，重力加速度g=9.8m/s²，求该点的流速v。v=4.34m/s流体运动学流体中各个过流断面上的平均流速与有效截面面积的乘积均相等，且等于常数。v1

A1

v2

A2连续方程流体运动学对1、2截面列伯努利方程由连续方程

22v

2p v

p

1