工程流體力學(xué)I總結(jié)

1、1工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)中國礦業(yè)大學(xué)中國礦業(yè)大學(xué)電力學(xué)院動力系電力學(xué)院動力系主講：陳更林主講：陳更林 副教授副教授Email:139522019012工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)前言前言 工程流體力學(xué)的研究對象工程流體力學(xué)的研究對象流體力學(xué)是以流體流體力學(xué)是以流體(包括液體和氣體包括液體和氣體)為對象，研究為對象，研究其平衡和運(yùn)動時(shí)宏觀基本規(guī)律的科學(xué)。主要研究流體在其平衡和運(yùn)動時(shí)宏觀基本規(guī)律的科學(xué)。主要研究流體在平衡和運(yùn)動時(shí)的壓力分布、速度分布、與固體之間的相平衡和運(yùn)動時(shí)的壓力分布、速度分布、與固體之間的相互作用以及流動過程中的能量轉(zhuǎn)換等?；プ饔靡约傲鲃舆^程中的能量轉(zhuǎn)換等。3研究方法研究方法:理

2、論分析理論分析: : 根據(jù)實(shí)際問題建立理論模型根據(jù)實(shí)際問題建立理論模型 涉及涉及微分體積法微分體積法 速度勢法速度勢法 保角變換法保角變換法 實(shí)驗(yàn)研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法: : 根據(jù)實(shí)際問題利用相似理論建根據(jù)實(shí)際問題利用相似理論建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?選擇流動介質(zhì)選擇流動介質(zhì) 設(shè)備包括風(fēng)洞、水設(shè)備包括風(fēng)洞、水槽、水洞、激波管、測試管系等槽、水洞、激波管、測試管系等數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法 ：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)學(xué)模型，選擇合適的計(jì)算方法，包括有限差分學(xué)模型，選擇合適的計(jì)算方法，包括有限差分法、有限元法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和法、有限元法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和

3、自編程序計(jì)算，得出結(jié)果，用實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)自編程序計(jì)算，得出結(jié)果，用實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)證。證。流體力學(xué)流體力學(xué)前言前言4 流體的定義和特征流體的定義和特征 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè) 流體的密度流體的密度 流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性 流體的粘性流體的粘性液體的表面性質(zhì)液體的表面性質(zhì)5流動性、流體、連續(xù)介質(zhì)；流動性、流體、連續(xù)介質(zhì)；密度、重度、壓縮性、膨脹性、粘性；密度、重度、壓縮性、膨脹性、粘性；動力粘度、運(yùn)動粘度、恩氏粘度；動力粘度、運(yùn)動粘度、恩氏粘度；表面張力、表面張力系數(shù)、毛細(xì)現(xiàn)象；表面張力、表面張力系數(shù)、毛細(xì)現(xiàn)象；流體的分類：粘性流體、理想流體、牛頓流體、非牛

4、頓流流體的分類：粘性流體、理想流體、牛頓流體、非牛頓流體體速度梯度、變形速度梯度、變形671.1. 流動性與變形。流動性與變形。2.2. 密度與重度：水、空氣、汞。密度與重度：水、空氣、汞。3.3. 壓縮性與膨脹性壓縮性與膨脹性4.4. 動力與運(yùn)動粘度動力與運(yùn)動粘度5.5. 速度梯度與角變形速度速度梯度與角變形速度6.6. 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律7.7. 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象/11/,vdV VddV VkKdpdpkdT g/ dydudtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudtdydu4coshgd8 流體靜壓強(qiáng)及其特性流體靜壓強(qiáng)及其特性 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程

5、式 絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng) 計(jì)示壓強(qiáng)計(jì)示壓強(qiáng) 液柱式測壓計(jì)液柱式測壓計(jì) 液體的相對平衡液體的相對平衡 靜止液體作用在平面上的總壓力靜止液體作用在平面上的總壓力靜止液體作用在曲面上的總壓力靜止液體作用在曲面上的總壓力靜止液體作用在潛體和浮體上的浮力靜止液體作用在潛體和浮體上的浮力 作用在流體上的力作用在流體上的力9一、基本概念一、基本概念表面力表面力( (法向力、切向力法向力、切向力) )和質(zhì)量力和質(zhì)量力壓強(qiáng)及特性壓強(qiáng)及特性當(dāng)?shù)卮髿鈮?、絕對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)、真空度當(dāng)?shù)卮髿鈮骸⒔^對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)、真空度等壓面及判別方法等壓面及判別方法液體的相對平衡液體的相對平衡壓力體壓力體10力的分解與合成力的分解與合成

6、力的平衡力的平衡達(dá)朗伯原理達(dá)朗伯原理111. 壓強(qiáng)及特性壓強(qiáng)及特性2. 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 流體平衡微分方程流體平衡微分方程 等壓面等壓面 重力場中流體靜力學(xué)基本方程重力場中流體靜力學(xué)基本方程010101zpfypfxpfzyx)(dzfdyfdxfdpzyx0dzfdyfdxfzyxrdfgpzgpz2211zxp11基準(zhǔn)面z2p22p0goz1ghpp021ppgh121. 壓強(qiáng)及特性壓強(qiáng)及特性2. 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)基本方程的意義流體靜力學(xué)基本方程的意義Cgpz位位勢勢能能壓壓強(qiáng)強(qiáng)勢勢能能hp總總勢勢能能Cgpz位位置置水水頭頭壓壓強(qiáng)強(qiáng)水水

7、頭頭靜靜水水頭頭測測壓壓管管水水頭頭134. 壓強(qiáng)的單位與度量壓強(qiáng)的單位與度量 Pa、液柱高度、當(dāng)?shù)卮髿鈮?、液柱高度、?dāng)?shù)卮髿鈮?. 液體的相對平衡液體的相對平衡完全真空 p=0大氣壓強(qiáng) p=papo絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)appapp 相對 壓強(qiáng)相對壓強(qiáng)veepppjappp達(dá)朗伯原理達(dá)朗伯原理0Fma gfazsp0ozaxmCgzaxarctanag 0sgzaxghpzzgpps00)(146. 靜止液體對固體表面的作用力靜止液體對固體表面的作用力yoxACDdAabpFdFp hDhCyyCyDhdA(sin)pCFg yAcgh A()pcaFppAAyIyAyIAydAyyccxccxc

8、D22xccxIy AIxAzdcPaohchAxzbadAAdFp()pxCaxFppApAzpzgVhdAgFz15第三章第三章流體動力學(xué)小結(jié)流體動力學(xué)小結(jié)161718),(NNtzyxvtdtd( , , , )NN a b c txyzdxdydzdtvvvAqvvaXARhnCVCSdNdVv dAdtt常數(shù)Ava0)()()(zyxvzvyvxtCgpz19nnCSCVCSv vdAfdVp dA212121()()()xnxynyznzVxxfpVyyfpVzzfpqvvFFqvvFFqvvFFCSnCVCSndAprdVfrdAvrv2022vpzHgg常量速速度度水水頭頭位位

9、置置水水頭頭壓壓強(qiáng)強(qiáng)水水頭頭總總水水頭頭bc1aa2cbH總水頭線靜水頭線gv2/21gp/11zgv2/22gp/22z22vpzHgg常量動動能能位位能能壓壓力力能能總總機(jī)機(jī)械械能能21 waghvpgzzvp2222122111222211122222wpvpvp則 210,azzg設(shè) 設(shè)流動流體是氣體設(shè)流動流體是氣體2212121222jjwppvvzzhgggg22在相似的空間中，表述流動現(xiàn)象的各物理量的場相似。在相似的空間中，表述流動現(xiàn)象的各物理量的場相似。1.1.如何建立模型；如何建立模型；2.2.試驗(yàn)中測量參數(shù)，如何整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)；試驗(yàn)中測量參數(shù)，如何整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)；3.3.試驗(yàn)結(jié)

10、果如何推廣應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果如何推廣應(yīng)用。23一、基本概念一、基本概念幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似；幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似；相似準(zhǔn)則：雷諾數(shù)、歐拉數(shù)、弗汝德數(shù)等；相似準(zhǔn)則：雷諾數(shù)、歐拉數(shù)、弗汝德數(shù)等；決定相似準(zhǔn)則數(shù)、非決定相似準(zhǔn)則數(shù)決定相似準(zhǔn)則數(shù)、非決定相似準(zhǔn)則數(shù)24二、基本原理二、基本原理1.1.相似條件相似條件2.2.近似相似近似相似3.3.物理方程量綱一致性原理物理方程量綱一致性原理4.4.定理定理5.5.瑞利法瑞利法25三、重要結(jié)論三、重要結(jié)論1.1.相似準(zhǔn)則數(shù)相似準(zhǔn)則數(shù)2.2.相似條件相似條件2Re,vdvpFrEuvgl保證流動相似的必要和充分條件。保證流動相似的必要和充分條件。

11、1. 1.相似的流動都屬于同一類的流動，應(yīng)為相同的微分相似的流動都屬于同一類的流動，應(yīng)為相同的微分 方程所描述。方程所描述。2. 2.單值條件相似。單值條件是指把某一特定的流動從無數(shù)個(gè)同類的相單值條件相似。單值條件是指把某一特定的流動從無數(shù)個(gè)同類的相似流動中區(qū)分開來的條件。似流動中區(qū)分開來的條件。幾何條件幾何條件3. 3.由單值條件中的物理量所組成的相似準(zhǔn)則數(shù)相等。由單值條件中的物理量所組成的相似準(zhǔn)則數(shù)相等。邊界條件（進(jìn)口、出口的速度分布等）邊界條件（進(jìn)口、出口的速度分布等）物性條件（密度、粘度等）物性條件（密度、粘度等）初始條件（初瞬時(shí)速度分布等）初始條件（初瞬時(shí)速度分布等）26三、重要結(jié)論

12、三、重要結(jié)論3.3.模型實(shí)驗(yàn)的方法模型實(shí)驗(yàn)的方法1.根據(jù)單值條件相似和相似準(zhǔn)則數(shù)相等的原則去設(shè)計(jì)模根據(jù)單值條件相似和相似準(zhǔn)則數(shù)相等的原則去設(shè)計(jì)模型，選擇模型中的流動介質(zhì)。型，選擇模型中的流動介質(zhì)。3.按相似準(zhǔn)則數(shù)整理的試驗(yàn)結(jié)果，可推廣應(yīng)用到原型及按相似準(zhǔn)則數(shù)整理的試驗(yàn)結(jié)果，可推廣應(yīng)用到原型及其他相似流動中去。其他相似流動中去。2.試驗(yàn)過程中應(yīng)測定相似準(zhǔn)則數(shù)包含的一切物理量，并試驗(yàn)過程中應(yīng)測定相似準(zhǔn)則數(shù)包含的一切物理量，并整理成相似準(zhǔn)則數(shù)。整理成相似準(zhǔn)則數(shù)。27三、重要結(jié)論三、重要結(jié)論4. 定理（泊金漢定理定理（泊金漢定理）：）：如果一個(gè)物理過程涉及到如果一個(gè)物理過程涉及到 n個(gè)物個(gè)物理量和理量

13、和m個(gè)基本量綱，則這個(gè)物理過程可以由個(gè)基本量綱，則這個(gè)物理過程可以由n個(gè)物理量組個(gè)物理量組成的成的n-m個(gè)無量綱量（相似準(zhǔn)則數(shù)個(gè)無量綱量（相似準(zhǔn)則數(shù) i）的函數(shù)關(guān)系來描述。）的函數(shù)關(guān)系來描述。0).(21nxxxF，0).(21mnf，28三、重要結(jié)論三、重要結(jié)論5. 瑞利法瑞利法 瑞利法是用定性物理量瑞利法是用定性物理量x1、 x2、. 、 xn的某種冪次之的某種冪次之積的函數(shù)來表示被決定的物理量積的函數(shù)來表示被決定的物理量y。nanaaxxkxy.2121k為無量綱系數(shù)，由試驗(yàn)確定。為無量綱系數(shù)，由試驗(yàn)確定。a1、 a2、. 、an為待定指數(shù)，根據(jù)量綱一致性原則求出。為待定指數(shù)，根據(jù)量綱一

14、致性原則求出。29 粘性流體的兩種流動狀態(tài)粘性流體的兩種流動狀態(tài) 局部損失局部損失 管路水力計(jì)算管路水力計(jì)算 粘性流體的紊流流動粘性流體的紊流流動 沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究沿程損失的實(shí)驗(yàn)研究 液體的出流液體的出流 不可壓粘性流體的層流流動不可壓粘性流體的層流流動 不可壓縮粘性流體的運(yùn)動不可壓縮粘性流體的運(yùn)動N NS S方程方程 管內(nèi)流動的能量損失管內(nèi)流動的能量損失 301.1. 沿程阻力及沿程阻力損失、局部阻力及局部阻力損失、沿程阻力及沿程阻力損失、局部阻力及局部阻力損失、沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、管路阻力系數(shù)。沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、管路阻力系數(shù)。 2.2. 層流、湍流、雷諾數(shù)、脈動、時(shí)均參

15、數(shù)。層流、湍流、雷諾數(shù)、脈動、時(shí)均參數(shù)。3.3. 湍流、混合長度、紊流附加切應(yīng)力。湍流、混合長度、紊流附加切應(yīng)力。4.4. 粘性底層、水力光滑、水力粗糙。粘性底層、水力光滑、水力粗糙。5.5. 當(dāng)量粗糙度。當(dāng)量粗糙度。6.6. 長管、短管、簡單管路、串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、枝長管、短管、簡單管路、串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、枝狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)。狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)。7.7. 孔口出流、管嘴出流?？卓诔隽?、管嘴出流。8.8. 水擊。水擊。311.1. 雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)- -層流、紊流。層流、紊流。2.2. 粘性流體中的切應(yīng)力及牛頓第二運(yùn)動定律。粘性流體中的切應(yīng)力及牛頓第二運(yùn)動定律。3.3. 層流：牛頓內(nèi)摩擦定律

16、、層流：牛頓內(nèi)摩擦定律、N-SN-S方程。方程。4.4. 湍流：時(shí)均方法、紊流附加切應(yīng)力、普朗特混合長度理湍流：時(shí)均方法、紊流附加切應(yīng)力、普朗特混合長度理論、論、N-SN-S方程。方程。5.5. 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)、莫迪實(shí)驗(yàn)。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)、莫迪實(shí)驗(yàn)。6.6. 管路計(jì)算：簡單管路特性方程、連續(xù)方程、伯努利方程。管路計(jì)算：簡單管路特性方程、連續(xù)方程、伯努利方程。7.7. 水擊水擊- -液體的彈性。液體的彈性。321.1. 流動損失的分類及計(jì)算流動損失的分類及計(jì)算2.2. 臨界雷諾數(shù)：臨界雷諾數(shù)：Recr=Recr=23202320(2000)(2000)3.3. 雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)22fl vhmdg液體

17、22flpv Pad22jvhmg液體22jpv Pajfwhhh2248,iwfjVwwildhhhRqRhhgdO hjvcr vDCBAvcr 334.4. 粘性流體中的切應(yīng)力粘性流體中的切應(yīng)力5.5. N-SN-S方程方程6.6. 層流與湍流的比較層流與湍流的比較xfyfzfxxpzzpyypxzxyzxzyyzyx)(1)(1)(1222222222222222222zvyvxvzpfdtdvzvyvxvypfdtdvzvyvxvxpfdtdvzzzzzyyyyyxxxxx特點(diǎn)特點(diǎn)切應(yīng)切應(yīng)力力速度速度分布分布沿程沿程損失損失動能修動能修正系數(shù)正系數(shù)動量修動量修正系數(shù)正系數(shù)va/vma

18、x沿程損沿程損失系數(shù)失系數(shù)層流層流分層分層1二次二次曲線曲線v24/30.5Re/64湍流湍流脈動、脈動、摻混摻混1+2對數(shù)對數(shù)指數(shù)指數(shù)v1.75-2110.79-0.87Re、/d347.7. 沿程阻力系數(shù)、當(dāng)量粗糙度沿程阻力系數(shù)、當(dāng)量粗糙度8.8. 局部阻力系數(shù)與當(dāng)量長度局部阻力系數(shù)與當(dāng)量長度9.9. 簡單管路及其特性簡單管路及其特性22,22eel vvdldgg2wfjVhhhRq3510.10.串聯(lián)管路及其特性串聯(lián)管路及其特性11.11.并聯(lián)管路及其特性并聯(lián)管路及其特性12.12.節(jié)點(diǎn)流量之和為節(jié)點(diǎn)流量之和為0 0、閉合環(huán)路損失之和為、閉合環(huán)路損失之和為0 0。123vvvvqqqq123wwwwhhhh123RRRR2wVhRq.321vvvvqqqq.321wwwwhhhh1231111RRRR2wVhRq3613.13.管路計(jì)算管路計(jì)算 13.113.1 簡單管路計(jì)算簡單管路計(jì)算 qV、l、d 、 ，求，