不可壓縮理想流體的平面規(guī)律運動

不可壓縮理想流體的平面規(guī)律運動

是指整個流場中流體速度都平行于某一平面，且流體各物理量在與該平面垂直的方向上沒有變化的流動。例如空氣橫向繞過塔設備、高樓等的流動,可視為垂直于柱體的平面流動。在工程實際中，常見的是不可壓縮理想流體的平面運動。

研究不可壓縮理想流體的平面流動，首先要建立運動微分方程，然后結(jié)合邊界條件求解。流體微團的運動分析

在流體流動時，流體微團除了平動和轉(zhuǎn)動之外，還伴有變形運動。在對流體微團進行變形運動分析時，不是看其變形量的大小，而是看其變形速度的大小。分析流體微團運動的基本量：線變形速度剪變形速度平均旋轉(zhuǎn)角速度一、線變形速度首先看一維情況。t時刻，在x軸上取一微小流體線段AB=?x，A點的速度為vx，按泰勒級數(shù)展開，B點的速度可表示為ABA?B?x?xvx?t(vx+(dvx/dx)?x)?ttt+?t經(jīng)過?t時間后，AB運動到A?B?，其長度的改變量為：ABA?B?x?xvx?t(vx+(dvx/dx)?x)?ttt+?t則單位長度在單位時間內(nèi)長度的改變量為：把εx叫做線段AB在x軸的線變形速度。εx正值負值拉伸壓縮對于三維空間，流體微團的速度是空間坐標的函數(shù)，即則有下標x,y,z表示變形發(fā)生的方向。這就是不可壓縮流體的連續(xù)方程。

對于不可壓縮流體，在變形過程中，體積不發(fā)生改變，則有二、剪變形角速度ABCDvxvyvx?txyαβ

經(jīng)?t時間后，流體微團發(fā)生變形，AB邊轉(zhuǎn)過的角度為α，BC邊轉(zhuǎn)過的角度為β。則則定義剪變形角速度為即單位時間內(nèi)直角改變量的一半。同理對三維空間可寫出

剪變形角速度是流體微團中某一直角的減小速度的一半。三、平均旋轉(zhuǎn)角速度yxI(α+β)/2βαD?C?B?DCBAI?

虛線是初始位置，經(jīng)過?t時間后，流體微團運動到AB?C?D?。由幾何關系則單位時間內(nèi)角平分線轉(zhuǎn)過的角度為對于三維問題同理可得出yxI(α+β)/2βαD?C?B?DCBAI?矢量式為有旋運動和無旋運動

一般來說，粘性流體的流動是有旋的，而理想流體的流動可能是無旋的，也可能是有旋的。流動究竟是有旋還是無旋，是根據(jù)流體微團本身是否旋轉(zhuǎn)來確定的，而不是根據(jù)流體質(zhì)點的運動軌跡是否彎曲來判定。根據(jù)旋度的概念：速度場的旋度與平均旋轉(zhuǎn)角速度相比較:

所以平均旋轉(zhuǎn)角速度不僅是分析流體微團在運動過程中旋轉(zhuǎn)運動的特征量，同時也是判斷流體的運動是有旋運動還是無旋運動的標準。

流體運動中的有旋運動與剛體的旋轉(zhuǎn)運動是兩個完全不同的概念。流體的有旋與無旋不是通過宏觀上流體運動的特征來判斷。也就是說，宏觀上作圓周運動的流場可能是無旋運動，而宏觀作直線運動的流場也可能是有旋的。例：如圖一維剪切流動中，流體速度分布為其中c為常數(shù)。判斷流動是否無旋？v0vxyx由判斷條件故運動是有旋的。例：圖示為流體質(zhì)點繞某一圓心的旋轉(zhuǎn)運動。已知流體速度分布為其中c為常數(shù)，試判斷流動有旋還是無旋？r在極坐標系下的判斷條件為代入速度分布可得故該流動是無旋的。不可壓縮理想流體平面勢流的基本方程

工程上有許多問題可簡化為理想流體的無旋流動問題，如流體機械內(nèi)的流動。利用無旋流動的特性，可建立線性運動方程來求解流體的速度分布，從而避開求解歐拉方程的困難。速度勢函數(shù)

對于無旋流動，速度的旋度為零，即此時流體質(zhì)點都要滿足以下條件由數(shù)學分析，上面的三個方程是成為某一函數(shù)的全微分的充分必要條件，該函數(shù)記為φ(x,y,z,t)。當以t為參數(shù)時，該函數(shù)的全微分是所以有按矢量分析有函數(shù)φ稱為速度勢函數(shù)，簡稱速度勢。速度勢的梯度就是流場中的速度。

當流體作無旋流動時，不論其是否可壓縮，總有速度勢存在，所以無旋流動又稱為有勢流動。對于不可壓縮流體，有下式存在稱為拉普拉斯方程。?稱為拉普拉斯算子。推導在平面極坐標中，速度和速度勢之間的關系是拉普拉斯方程為速度勢函數(shù)的意義：

在勢流中，如果已知速度勢函數(shù)φ，則可根據(jù)速度與速度勢之間的關系很容易地計算出速度矢量分量，從而將求解速度場的問題轉(zhuǎn)化為求解速度勢函數(shù)φ的問題。例題：已知一個平面不可壓縮定常有勢流動的速度勢函數(shù)為求在點(2.0,1.5)處速度的大小。練習：不可壓縮流體平面流動的勢函數(shù)試確定：1.該平面流動的速度場。2.該流動有旋還是無旋？3.該流動是否滿足連續(xù)性方程?vx=2x+1,vy=-2y無旋滿足關于速度勢φ的重要性質(zhì)：1）等勢面與流線垂直

將流場中速度勢相等的點連接起來，形成一個空間曲面，稱為等勢面。在平面流中，稱為等勢線。即因為dl是等勢面上的有向線段，所以等勢面與流線垂直。2)速度勢在任何方向上的偏導數(shù)，等于速度在該方向上的投影

根據(jù)數(shù)學上方向?qū)?shù)的概念，φ在任意方向l上的方向?qū)?shù)為3)速度勢與積分的關系

在勢流場中，沿任意曲線的速度的線積分等于終點和起點的速度勢之差。AB7.3.2流函數(shù)

在平面流動中，對不可壓縮流體，由微分形式的連續(xù)性方程得該式是

成為某一函數(shù)ψ(x,y)全微分的充要條件，即因此有平面流動的流線方程為所以在流線上有在每條流線上函數(shù)ψ都有不同的值，故ψ被稱為流函數(shù)。在引出流函數(shù)時，并未涉及到流體的粘性和是否為有勢流動，只要是不可壓縮流體的平面流動，就必然存在流函數(shù)。在三維流動中一般不存在流函數(shù)，軸對稱流動除外。關于流函數(shù)的物理意義

經(jīng)A、B兩點的實線為流場中的兩條流線，虛線AB與流場中的所有的流線正交，現(xiàn)求通過虛線AB的流量。oIIIvyvxdydxBAyx流線dl

在虛線AB上取一微元弧段dl，顯然，vxdy是經(jīng)dl從區(qū)I進入?yún)^(qū)II的流量，vydx是經(jīng)dl從II區(qū)進入I區(qū)的流量，那么經(jīng)dl從I區(qū)進入II區(qū)的凈流量為對虛線積分可得到兩條流線之間的總流量

流函數(shù)的物理意義是：平面流動中兩條流線之間通過的流體流量，等于兩條流線上流函數(shù)的差。而且，沿流線全長兩流線之間的流量保持不變。

在不可壓縮流體的平面有勢流動中，必然同時存在速度勢和流函數(shù)。由無旋流動的條件將速度與流函數(shù)的關系式代入上式有因此，流函數(shù)也滿足拉普拉斯方程。φ與ψ的關系：由速度與速度勢及流函數(shù)的關系可得上式表明，等勢線與流線相互正交。流函數(shù)和勢函數(shù)的求解方法例：設平面流動的速度分布為

求:(1)是否滿足連續(xù)性方程(2)勢函數(shù)(3)流函數(shù)解：(1)所以滿足連續(xù)性方程。（2）是無旋流動，存在勢函數(shù)積分路徑如圖。所以o(x,y)(x,0)yx(3)因為滿足連續(xù)方程，所以存在流函數(shù)積分路徑同上，則練習試求下面不可壓縮流場的流函數(shù)及速度勢：其中k為常數(shù)。－－7.4簡單的平面勢流及其疊加一、直均流

所謂直均流，就是流體質(zhì)點以相同的速度相互平行地作等速直線運動。如圖，流動方向為x軸。其速度分布為xyv0因為所以是無旋運動，存在速度勢在極坐標系中將速度分布函數(shù)帶入連續(xù)性方程，因為滿足所以存在流函數(shù)ψ在極坐標系中

因直均流(平行流)中各點的速度相同，由伯努利方程得如果忽略重力的影響，則有即在流場中各處的壓強都相等。二、源或匯

流體從平面一點均勻地向四周流出，一直流向無窮遠處，這樣的流動稱為平面點源。流體流出的點稱為源點，單位時間流出的體積流量稱為源強，用qv表示。將坐標原點取在源點處，得極坐標系中速度分布yx

滿足勢函數(shù)和流函數(shù)的存在條件的證明：勢函數(shù)存在的條件為無旋流動，在該平面流場中所以存在勢函數(shù)。而流函數(shù)存在的條件為連續(xù)性方程只有兩項的平面流。極坐標系下連續(xù)性方程為該流場顯然滿足要求，因此存在流函數(shù)。勢函數(shù)為流函數(shù)為

流函數(shù)的等值線是θ為常數(shù)的射線族。匯是流體從無窮遠處均勻地流向一點。，是源，是匯yx如果xoy面是無限大的水平面，由伯努利方程有式中，p∞是在r→∞時的壓強，該處速度為零。將速度表達式帶入上式y(tǒng)x可見，壓強隨著半徑的減小而降低，設r=r0時，p=0，則三、簡單平面勢流的疊加

在勢流理論中，經(jīng)常通過解拉普拉斯方程或利用流場疊加的方法得到速度勢，再利用速度勢求速度和壓強場，最后求得流體對物體的作用力。用疊加法求速度勢的基本點是要保證滿足所求問題的內(nèi)外邊界條件。要滿足內(nèi)邊界條件，就必須形成一條流線與物體表面完全重合。這條流線的作用與物體表面完全相同。下面舉例說明疊加法的基本思想。例1：如圖為理想流體在寬為H的渠道中流動，求流場的速度勢。Hvyx

顯然這是直均流，在該流場中，相距為H的兩條流線的作用與渠道兩壁的作用完全相同，因此所求的速度勢就是直均流的速度