fluent-流體力學(xué)基礎(chǔ)

什么是流體（Fluid）固體在靜止?fàn)顟B(tài)下，能夠抵抗一定的壓力、拉力和剪切力。流體在靜止?fàn)顟B(tài)下，能夠抵抗一定的壓力。靜止時(shí)，不能抵抗任何剪切力，在剪切力的作用下，會(huì)一直發(fā)生變形，直到剪切力消失?？諝?、水、油等易于流動(dòng)的物質(zhì)被稱為流體。利用流體進(jìn)行力傳遞、進(jìn)行功和能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械稱為流體機(jī)械。（如水泵、風(fēng)機(jī)、水力發(fā)電機(jī)等）研究流體運(yùn)動(dòng)的方法：實(shí)驗(yàn)方法；以近年發(fā)展起來(lái)的計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。什么是流體（Fluid）第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)1.1概述1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)

1.3能量損失與總流的能量方程1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述1.1概述1流體的密度、重度和比重

均質(zhì)流體：非均質(zhì)流體：顯然牢記1.1概述1流體的密度、重度和比重

流體的比重流體的比重為與零上4℃時(shí)水的密度之比。1.1概述2流體的黏性

流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。粘性是流體阻止發(fā)生剪切變形和角變形的一種特性。當(dāng)流體處于靜止或各部分之間相對(duì)速度為零時(shí)，流體的粘性就表象不出來(lái)，其內(nèi)摩擦力也就等于零。1.1概述2流體的黏性

現(xiàn)象：a.速度分布不均勻；

b.變形-有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

c.作用力。牛頓內(nèi)摩擦定律1.1概述實(shí)驗(yàn)證明內(nèi)摩擦力T

的大?。孩芘c壓力大小無(wú)關(guān)。①與流層的接觸面積A成正比；②與速度梯度成正比；③

與流體的種類有關(guān)；即

動(dòng)力粘滯系數(shù)

表征單位速度梯度作用力下的切應(yīng)力，反映了粘滯性的動(dòng)力性質(zhì)。運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)

衡量流體的流動(dòng)性。常用單位為，稱為斯托克斯（St）。

1.1概述取決于流體種類，其大小反映流體粘性的大小。20℃時(shí)流體/Pa?s/m2/s/kg/m3原油72×10-48.4×10-6856甘油149×10-411.84×10-61258水10.02×10-41.003×10-6998空氣1.81×10-51.5×10-51.2051.1概述1.1概述3理想流體與粘性流體理想流體流體所具備的這種抵抗兩層流體相對(duì)滑動(dòng)速度，或普遍說(shuō)來(lái)抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。當(dāng)流體的粘性較小，甚至可以忽略不計(jì)時(shí)，這樣的流體稱為理想流體。粘性流體當(dāng)流體的粘性較大，不能忽略時(shí)，這樣的流體稱為粘性流體?！钫嬲睦硐肓黧w在客觀實(shí)際中是不存在的，它只是實(shí)際流體在某些條件下的一種近似模型。

1.1概述4牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體符合牛頓切應(yīng)力公式，且動(dòng)力粘度為常數(shù)實(shí)際流體稱為牛頓流體。（水、空氣、潤(rùn)滑油等為牛頓流體）。非牛頓流體符合牛頓切應(yīng)力公式，且動(dòng)力粘度不為常數(shù)實(shí)際流體稱為非牛頓流體。（油脂、油漆、牛奶等為非牛頓流體）。

1.1概述5

流體的壓縮性

可壓縮流體流體的壓縮性是指在外界條件發(fā)生變化時(shí)，其密度和體積發(fā)生了變化。研究流體流動(dòng)的過(guò)程中，若考慮流體的壓縮性，則稱其為可壓縮流動(dòng)，相應(yīng)流體稱為可壓縮流體。（水中的爆炸、高速氣流）不可壓縮流體若不考慮流體的壓縮性，則稱其為不可壓縮流動(dòng)，相應(yīng)流體稱為不可壓縮流體。（水和油的流動(dòng)）1.1概述6液體的表面張力液面上的分子受液體內(nèi)部分子吸引而使液面趨于收縮，表現(xiàn)為液面任何兩部分之間具有拉應(yīng)力，稱為表面張力?！钇浞较蚝鸵好嫦嗲?，并與兩部分的分界線相垂直1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)1作用在流體上的力

作用在流體上的所有外力F可以分為兩類：質(zhì)量力和表面力，分別用FB、FS表示，于是：

質(zhì)量力：與流體微團(tuán)質(zhì)量大小有關(guān)并且集中作用在微團(tuán)質(zhì)量中心上的力稱為質(zhì)量力。它屬于非接觸性的力，例如重力、離心力等。

1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)1作用在流體上的力

表面力：表面力是指作用在所考察對(duì)象表面上的力。

任一面所受到的應(yīng)力均可分解為一個(gè)法向應(yīng)力（垂直于作用面，記為ii）和兩個(gè)切向應(yīng)力（又稱為剪應(yīng)力，平行于作用面，記為ij，ij），例如圖中與z軸垂直的面上受到的應(yīng)力為zz（法向）、zx和zy（切向），它們的矢量和為：1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)1作用在流體上的力

類似地，與x軸、y軸相垂直的面（參見(jiàn)圖1-2）上受到的應(yīng)力分別為：1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)靜止流體所受的外力有質(zhì)量力和壓應(yīng)力兩種,流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。（1）壓力單位

在國(guó)際單位制（SI制）中，壓力的單位為N/m2，稱為帕斯卡（Pa），帕斯卡與其它壓力單位之間的換算關(guān)系為：

1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=1.033at（工程大氣壓）=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O

以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱為絕對(duì)壓力，它是流體的真實(shí)壓力；以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱為表壓或真空度、相對(duì)壓力，它是在把大氣壓強(qiáng)視為零壓強(qiáng)的基礎(chǔ)上得出來(lái)的。絕對(duì)壓強(qiáng)是以絕對(duì)真空狀態(tài)下的壓強(qiáng)（絕對(duì)零壓強(qiáng)）為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng);表壓強(qiáng)簡(jiǎn)稱表壓，是指以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮簽槠瘘c(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)。兩者的關(guān)系為：

絕對(duì)壓=大氣壓+表壓1.2流體靜力學(xué)基本概念2絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)與真空度

1.2流體靜力學(xué)基本概念2絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)與真空度

圖1絕對(duì)壓力、表壓與真空度的關(guān)系1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)3液體的氣化壓強(qiáng)

1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)3靜壓、動(dòng)壓和總壓

1.2流體力學(xué)中的力與壓強(qiáng)3靜壓、動(dòng)壓和總壓

1.3能量損失與總流的能量方程1沿程損失與局部損失

沿程損失：

流體在直管段中流動(dòng)時(shí)，管道壁面對(duì)于流體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙其運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力（沿程阻力），流體流動(dòng)中為克服摩擦阻力而損耗的能量稱為沿程損失。通常采用達(dá)西-維斯巴赫公式計(jì)算，即1.3能量損失與總流的能量方程1沿程損失與局部損失

局部損失

流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)斷面變化處、轉(zhuǎn)向處、分支或其他使流體流動(dòng)情況發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)有阻礙運(yùn)動(dòng)的局部阻力產(chǎn)生，為克服局部阻力所引起的能量損失稱為局部損失。計(jì)算公式為：

hj=ξu2/(2g)

流體在流動(dòng)過(guò)程中的總損失等于各個(gè)管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有沿程損失和局部損失之和，即

h=∑hl+∑hj

1.3能量損失與總流的能量方程2總流的伯努利方程

1.3能量損失與總流的能量方程3入口段與充分發(fā)展段

1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述1定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)

定常流動(dòng)流體流動(dòng)的物理量（如速度、壓力、溫度等）不隨時(shí)間變化，稱為定常流動(dòng)。

☆工程中絕大部分穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備可采用定常流動(dòng)來(lái)描述。如：鍋爐燃燒、風(fēng)機(jī)運(yùn)行、化工過(guò)程。非定常流動(dòng)流體流動(dòng)的物理量（如速度、壓力、溫度等）隨時(shí)間變化，稱為非定常流動(dòng)。☆許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常流動(dòng)，如水泵、風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)階段。1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述2跡線與流線

流線是指同一時(shí)刻不同質(zhì)點(diǎn)所組成的運(yùn)動(dòng)的方向線。跡線是指同一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)在空間運(yùn)動(dòng)中所形成的軌跡線，它給出了同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)間的速度的方向。1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述3流量與凈通量

流量：

流體流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)流斷面的流體體積稱為流體的體積流量，一般用Q表示，單位為L(zhǎng)/s。單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，以ms表示，單位為kg/s或kg/h。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：

ms=Qρ體積流量、過(guò)流斷面面積A與流速u之間的關(guān)系為:

Q=Au1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述3流量與凈通量

凈通量：

在流場(chǎng)中取整個(gè)封閉曲面作為控制面A，封閉曲面內(nèi)的空間稱為控制體。流體經(jīng)一部分控制面流入控制體，同時(shí)也有流體經(jīng)另一部分控制面從控制體中流出，此時(shí)流出的流體減去流入的流體，所得出的流量稱為流過(guò)全部封閉控制面A的凈流量（或凈通量）。對(duì)于不可壓流體來(lái)說(shuō)，流過(guò)任意封閉控制面的凈通量為0。

1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述4層流與湍流

層流流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則，各部分分層流動(dòng)互不摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的，而且流動(dòng)穩(wěn)定。

湍流（紊流）流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無(wú)章，而且流場(chǎng)極不穩(wěn)定。1.4流體運(yùn)動(dòng)的描述5有旋流動(dòng)與有勢(shì)流動(dòng)

流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可分解為：1、隨其他質(zhì)點(diǎn)平動(dòng)；2、自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；3、自身變形運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)過(guò)程中，若流體質(zhì)點(diǎn)自身作無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，則稱其為有勢(shì)流動(dòng)。流動(dòng)過(guò)程中，