第12講流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)：運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面間的作用力 層流與紊流

回顧伯努利方程（）1=（）2+hw1-2第三章

流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容描述流體運(yùn)動(dòng)的方法流場的若干概念質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)與系統(tǒng)導(dǎo)數(shù)流體運(yùn)動(dòng)的基本物理定律及基本方程平行直線流斷面上的壓強(qiáng)關(guān)系式定常流動(dòng)中的機(jī)械能關(guān)系運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面間的作用力層流與湍流第七節(jié)運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面間的作用力上節(jié)導(dǎo)出了伯努利方程—機(jī)械能關(guān)系式，要分析運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面的相互作用力，還必須從流體系統(tǒng)的受力及運(yùn)動(dòng)的角度來建立相應(yīng)的關(guān)系—?jiǎng)恿糠匠?。推?dǎo)依據(jù)：牛頓第二定律在流場中取一固定的有限體積V，它的表面積為S

t時(shí)刻，占據(jù)該體積的流體系統(tǒng)具有的動(dòng)量為

作用在體積V上的總質(zhì)量力為作用在表面S上總的表面力為

于是，動(dòng)量定理可寫為

動(dòng)量定理應(yīng)用系統(tǒng)導(dǎo)數(shù)關(guān)系，上式可改寫為總質(zhì)量力

總表面力

對于定常流，控制體內(nèi)流體的動(dòng)量不隨時(shí)間變化動(dòng)量方程的表達(dá)式為

動(dòng)量方程是一個(gè)矢量方程，計(jì)算時(shí)采用分量形式的表達(dá)式方便動(dòng)量方程分量形式的表達(dá)式定常流動(dòng)動(dòng)量方程的特點(diǎn)在計(jì)算過程中只涉及控制面上的流動(dòng)參數(shù)，而不必考慮控制體內(nèi)部的流動(dòng)狀況。一維流動(dòng)動(dòng)量方程的簡化形式一維不可壓縮流體定常流動(dòng)的動(dòng)量方程為上式的分量形式為適當(dāng)?shù)剡x擇體（控制面）；完整地表達(dá)出控制體和控制面上的外力；注意流動(dòng)方向和投影的正負(fù)號。應(yīng)用時(shí)注意：求解運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面相互作用力的一些討論方程可改寫為動(dòng)量方程為此，可按如下步驟求解運(yùn)動(dòng)流體與固壁間的作用力求解運(yùn)動(dòng)流體與固壁間的作用力的具體步驟例題3-12示意圖

依據(jù)力平衡關(guān)系，有

將數(shù)據(jù)代入方程得第八節(jié)層流與湍流一、雷諾實(shí)驗(yàn)黏性流體的流動(dòng)存在著兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)，即層流和紊流。在1883年英國物理學(xué)家雷諾（Reynolds）雷諾實(shí)驗(yàn)示意層流—湍流（或紊流）—各流體層之間互不干擾，互不相混，整個(gè)流場中呈一簇互相平行的流線，如圖（a）所示。流動(dòng)處于完全無規(guī)則的混亂狀態(tài)，流場中，流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜的無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，如圖（c）。二、雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù)上臨界速度下臨界速度層流湍流層流湍流特定流體特定管道層流?湍流流體的流動(dòng)狀態(tài)是層流還是紊流，不僅與流體的斷面平均流速有關(guān)，還與管徑、流體密度和粘度有關(guān)，上述幾個(gè)因素用一個(gè)無量綱數(shù)—雷諾數(shù)表示為層流湍流層流湍流?特定流體特定管道上臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù)層流湍流流態(tài)的判別實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，對于光滑、均勻一致的直圓管；對于一般粗糙程度的圓管，其值略低些，三、層流流動(dòng)的特征四、湍流流動(dòng)的特征湍流是一種隨機(jī)的、非定常的、由各種尺寸的漩渦組成的三維有旋流動(dòng)。在湍流中，流體各點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間和空間作隨機(jī)變化。右圖為湍流流場中用高精度的熱風(fēng)速儀測量得到的某一點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度,該點(diǎn)的速度有兩個(gè)特征：1）速度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)無規(guī)則的隨機(jī)性脈動(dòng)；2）存在著一個(gè)平均值，脈動(dòng)圍繞在平均值附近進(jìn)行，則其速速可表示為：湍流流動(dòng)中，任意流動(dòng)參數(shù)，均可表示為在湍流中，各流動(dòng)參數(shù)采用上述方式表達(dá)后，流體力學(xué)的基本方程的形式將相應(yīng)發(fā)生改變。五、湍流時(shí)均運(yùn)動(dòng)的概念在湍流流場中，各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)都表現(xiàn)出隨機(jī)脈動(dòng)的特征。但就工程應(yīng)用而言，流場中流動(dòng)參數(shù)瞬間小幅度的隨機(jī)脈動(dòng)不具有實(shí)質(zhì)性的工程意義，起作用的是流動(dòng)參數(shù)的時(shí)均值。湍流定常流與非定常流湍流定常流：流場中任意點(diǎn)上流動(dòng)參數(shù)的時(shí)均值不隨時(shí)間改變湍流非定常流：流場中任意