《工程流體力學(xué)》多媒體課件3

1、12研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法 流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念 流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程 理想流體的運(yùn)動(dòng)方程理想流體的運(yùn)動(dòng)方程實(shí)際流體總流的能量方程實(shí)際流體總流的能量方程定?？偭鞯膭?dòng)量方程與動(dòng)量矩方程定常總流的動(dòng)量方程與動(dòng)量矩方程空化和空蝕空化和空蝕3第三章第三章流體運(yùn)動(dòng)的基本概念和基本方程流體運(yùn)動(dòng)的基本概念和基本方程4第三章第三章流體運(yùn)動(dòng)的基本概念和基本方程流體運(yùn)動(dòng)的基本概念和基本方程567 流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn) 著眼于流體各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，研究各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)歷著眼于流體各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，研究各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)歷程，通過(guò)綜合所有被研究流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)

2、情況來(lái)獲得整個(gè)程，通過(guò)綜合所有被研究流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)獲得整個(gè)流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法8流體質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)：流體質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)： 流體質(zhì)點(diǎn)速度：流體質(zhì)點(diǎn)速度： 流體質(zhì)點(diǎn)加速度：流體質(zhì)點(diǎn)加速度： ),(),(),(tcbazztcbayytcbaxxdtdzvdtdyvdtdxvzyx ，222222 dtzdadtydadtxdazyx，研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法9研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法 著眼于著眼于流場(chǎng)流場(chǎng)中各空間點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)綜合流場(chǎng)中各空間點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)綜合流場(chǎng)中所有被研

3、究空間點(diǎn)上流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，來(lái)獲得中所有被研究空間點(diǎn)上流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，來(lái)獲得整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性。整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性。 流場(chǎng)流場(chǎng)充滿運(yùn)動(dòng)流體的空間。充滿運(yùn)動(dòng)流體的空間。 10流速場(chǎng)：流速場(chǎng)： 壓強(qiáng)場(chǎng)：壓強(qiáng)場(chǎng)： ),(),(),(tzyxuutzyxuutzyxuuzzyyxx),(tzyxpp 密度場(chǎng)：密度場(chǎng)： ),(tzyx其他物理量（其他物理量（N N）場(chǎng)：）場(chǎng)： ),(NNtzyx研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法11（1 1）加速度）加速度 dtdzzvdtdyyvdtdxxvtvdtdvaxxxxxxdtdzzvdtdyyvdtdxxvtvadtdzzv

4、dtdyyvdtdxxvtvadtdzzvdtdyyvdtdxxvtvazzzzzyyyyyxxxxxvvtva)(或或研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法12（1 1）加速度）加速度 vvtva)(當(dāng)?shù)丶铀俣犬?dāng)?shù)丶铀俣? :表示通過(guò)固定空間點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)速度表示通過(guò)固定空間點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)速度 隨時(shí)間的變化率；隨時(shí)間的變化率；遷移加速度遷移加速度: :表示流體質(zhì)點(diǎn)所在空間位置的變化表示流體質(zhì)點(diǎn)所在空間位置的變化 所引起的速度變化率。所引起的速度變化率。tvvv)(研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法13（2 2）其他物理量的時(shí)間變化率）其他物理量的時(shí)間變化率 vtd

5、td密度：密度： vtdtdzvyvxvtdtdyyx研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法14分別描述有限質(zhì)點(diǎn)的軌跡分別描述有限質(zhì)點(diǎn)的軌跡表達(dá)式復(fù)雜表達(dá)式復(fù)雜不能直接反映參數(shù)的空間分布不能直接反映參數(shù)的空間分布不適合描述流體微元的運(yùn)動(dòng)變形特性不適合描述流體微元的運(yùn)動(dòng)變形特性拉格朗日觀點(diǎn)是重要的拉格朗日觀點(diǎn)是重要的同時(shí)描述所有質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)參數(shù)同時(shí)描述所有質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)參數(shù)表達(dá)式簡(jiǎn)單表達(dá)式簡(jiǎn)單直接反映參數(shù)的空間分布直接反映參數(shù)的空間分布適合描述流體微元的運(yùn)動(dòng)變形特性適合描述流體微元的運(yùn)動(dòng)變形特性 流體力學(xué)最常用的解析方法流體力學(xué)最常用的解析方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種

6、基本方法15流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念161. 1. 定常流動(dòng)定常流動(dòng)流動(dòng)參量流動(dòng)參量不隨不隨時(shí)間變化的流動(dòng)。時(shí)間變化的流動(dòng)。),(),(),(zyxzyxppzyxvv特點(diǎn)：流場(chǎng)內(nèi)的速度、壓強(qiáng)、密度等參量只是坐標(biāo)的函數(shù)，特點(diǎn)：流場(chǎng)內(nèi)的速度、壓強(qiáng)、密度等參量只是坐標(biāo)的函數(shù)， 而與時(shí)間無(wú)關(guān)。而與時(shí)間無(wú)關(guān)。0（）t即：即：流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念172. 2. 非定常流動(dòng)非定常流動(dòng)流動(dòng)參量流動(dòng)參量隨隨時(shí)間變化的流動(dòng)。時(shí)間變化的流動(dòng)。特點(diǎn)：流場(chǎng)內(nèi)的速度、壓強(qiáng)、密度等參量不僅是坐標(biāo)的函數(shù)，特點(diǎn)：流場(chǎng)內(nèi)的速度、壓強(qiáng)、密度等參量不僅是坐標(biāo)的函數(shù)， 而且與時(shí)間有關(guān)。而且

7、與時(shí)間有關(guān)。0t（）即：即：),(),(),(tzyxtzyxpptzyxvv流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念18流動(dòng)參量是幾個(gè)坐標(biāo)變量的函數(shù)，即為幾維流動(dòng)。流動(dòng)參量是幾個(gè)坐標(biāo)變量的函數(shù)，即為幾維流動(dòng)。)(xvv),(zyxvv),(yxvv一維流動(dòng)一維流動(dòng)二維流動(dòng)二維流動(dòng)三維流動(dòng)三維流動(dòng)1. 1. 定義定義實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題均為三元流動(dòng)。工程中一般根據(jù)具實(shí)際流體力學(xué)問(wèn)題均為三元流動(dòng)。工程中一般根據(jù)具體情況加以簡(jiǎn)化。體情況加以簡(jiǎn)化。流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念19流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。是流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。是拉格朗日方法拉格朗日方法研究的內(nèi)容。研究的內(nèi)容。1.1.跡線定

8、義跡線定義流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念2.2.跡線跡線微分方程微分方程20在同一瞬間，位于某條線上每一個(gè)流體微團(tuán)的速度矢量都與此在同一瞬間，位于某條線上每一個(gè)流體微團(tuán)的速度矢量都與此線在該點(diǎn)的切線重合，則這條線稱為流線。適于線在該點(diǎn)的切線重合，則這條線稱為流線。適于歐拉方法歐拉方法。3. 3. 流線定義流線定義u21uu2133u6545u46u流線流線流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念214. 4. 流線微分方程流線微分方程u21uu2133u6545u46u流流線線0d svdsdvvzvdsdyvvyvdsdxvvxvzyx),cos(),cos(),cos(z

9、yxvdzvdyvdx流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念225. 5. 流線的性質(zhì)流線的性質(zhì)（1 1）流線彼此不能相交。）流線彼此不能相交。（2 2）流線是一條光滑的曲線，）流線是一條光滑的曲線， 不可能出現(xiàn)折點(diǎn)。不可能出現(xiàn)折點(diǎn)。（3 3）定常流動(dòng)時(shí)流線形狀不變，）定常流動(dòng)時(shí)流線形狀不變， 非定常流動(dòng)時(shí)流線形狀發(fā)生變化。非定常流動(dòng)時(shí)流線形狀發(fā)生變化。v1v2s1s2交點(diǎn)v1v2折點(diǎn)s流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念23四、流管、元流、總流和過(guò)流斷面四、流管、元流、總流和過(guò)流斷面流管由流線構(gòu)成的一個(gè)封閉的管狀曲面dA元流充滿以流管為邊界的一束液流總流在一定邊界內(nèi)具有一定大小

10、尺寸的實(shí)際流動(dòng)的水流，它是由無(wú)數(shù)多個(gè)元流組成過(guò)流斷面與元流或總流的流線正交的橫斷面 過(guò)水?dāng)嗝娴男螤羁梢赃^(guò)水?dāng)嗝娴男螤羁梢允瞧矫嬉部梢允乔妗Ｊ瞧矫嬉部梢允乔妗?41.1.有效截面有效截面處處與流線相垂直的流束的截面處處與流線相垂直的流束的截面單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一規(guī)定表面的流體量單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一規(guī)定表面的流體量2.2.流量流量dAxvvqAv),cos(dAvqAv3.3.平均流速平均流速流經(jīng)有效截面的體積流量除以有效截面積而得到的商流經(jīng)有效截面的體積流量除以有效截面積而得到的商Aqvva有效截面：有效截面：流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念251.1.濕周濕周在有效截面上，流體同固

11、體邊界接觸部分的周長(zhǎng)在有效截面上，流體同固體邊界接觸部分的周長(zhǎng)2.2.水力半徑水力半徑R=2R=AB+BC+CDABCD=ABCABC有效截面積與濕周之比稱為水力半徑有效截面積與濕周之比稱為水力半徑XARh流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)基本概念262728圖 3-12 流場(chǎng)中的微元平行六面體29tzytzyxxutzyxxddd,2d,2dtzyxxuuxxtzyxxutzyxuxxtzyxxxddd2d2dddd2d),(2d),( tzyxxuuxxxddd2d2d tzyxuxtzyxxuxxuxxxdddd)(ddddd 30tzyxuyydddd)( tzyxuzzdddd)(

12、 tzyxzuyuxuzyxdddd ttttzyxd)d,(31tzyxtzyxzyxttddddddddddd 0 zuyuxutzyx 0t 0 zuyuxuzyx 320 zuyuxuzyx0 yuxuyx3334圖 3-13 流場(chǎng)中的微元流束35常數(shù) AAAAuAuAuddd21222111 1V2V222111AVAV362211AVAV373xu4yv2zw09 zwyvxu38yxxusin2yxyvsin20)sin2(sin2yxyxyvxu392V2V22221144dVdV5 . 015 . 02222112ddVV40圖 3-14 輸水管道412dxxpp2dxxpp

13、42圖 3-15 推導(dǎo)歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程用圖43DtDuxDtDuzyxzyxxppzyxxppzyxfxxddddd2ddd2dddd DtDuxpfxx 1DtDuypfyy 1DtDuzpfzz 144zuuyuuxuutuzpfzuuyuuxuutuypfzuuyuuxuutuxpfzzzyzxzzyzyyyxyyxzxyxxxx 11145460t0zwyvxu47zwwywvxwuzpfzvwyvvxvuypfzuwyuvxuuxpfzyx11148zzwwzywvzxwuzzpzfyzvwyyvvyxvuyypyfxzuwxyuvxxuuxxpxfzyxdddd1ddddd1ddd

14、dd1d49wwzzwwyywwxxwwzzpzfvvzzvvyyvvxxvvyypyfuuzzuuyyuuxxuuxxpxfzyxddddd1dddddd1dddddd1dwwvvuuzzpyypxxpzfyfxfzyxdddddd1)ddd(50pzzpyypxxpdddd2222d21)(d21dddVwvuwwvvuu0d21d1d2Vpzg常數(shù)22Vpgz常數(shù)gVgpz2251gVgpzgVgpz2222222111常數(shù)gpz525354圖 3-16 總水頭線和靜水頭線5556tVmVmF1212dd)(dVtqVtqVmVV57圖 3-24 推導(dǎo)動(dòng)量方程用圖58111222dd)(

15、 dVtqVtqVmVVVVVqqq21tFVmVVtqVd)(d)(d1122FVVqV)(112259zVyVxVFwwqFvvqFuuq)()()(1122112211226061圖 3-256242. 13 . 041 . 042211dqvV18. 32 . 041 . 042222dqvVgvgpgvgp222222112/ )(222112vvpp2/ )18. 342. 1 (1000106 .172233102 .176343.123 . 04106 .1723111ApP40. 52 . 04102 .1723222ApP)cos(cos1221vvqRPPVx64應(yīng)用動(dòng)量方程可以確定液流與邊界之間總作用力的大小和方向，但不能給出作用力的位置。如