流體力學(xué)3-3-4流體運(yùn)動學(xué)

流體力學(xué)3-3-4流體運(yùn)動學(xué)目錄contents流體運(yùn)動學(xué)基本概念流體運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)方程流體微團(tuán)運(yùn)動分析不可壓縮流體運(yùn)動學(xué)特性可壓縮流體運(yùn)動學(xué)特性復(fù)雜流動現(xiàn)象分析01流體運(yùn)動學(xué)基本概念流體是指能夠流動的物質(zhì)，包括液體和氣體。流體定義流體主要性質(zhì)流體與固體的區(qū)別流體具有易流動性、無固定形狀、能傳遞壓力等性質(zhì)。流體與固體在力學(xué)性質(zhì)上存在顯著差異，如流體不能承受剪切力等。030201流體及其主要性質(zhì)通過追蹤流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡來描述流體運(yùn)動。拉格朗日法通過固定空間點(diǎn)上的流體參數(shù)隨時(shí)間的變化來描述流體運(yùn)動。歐拉法描述流體質(zhì)點(diǎn)物理量隨時(shí)間的變化率。質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)流體運(yùn)動描述方法根據(jù)流體運(yùn)動參數(shù)是否隨時(shí)間變化進(jìn)行分類。定常與非定常流動根據(jù)流體運(yùn)動參數(shù)在空間上是否均勻進(jìn)行分類。均勻與非均勻流動根據(jù)流體微團(tuán)是否繞自身軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分類。有旋與無旋流動根據(jù)流體密度是否隨壓力變化進(jìn)行分類。可壓縮與不可壓縮流動流體運(yùn)動分類與特點(diǎn)

研究流體運(yùn)動學(xué)意義揭示流體運(yùn)動規(guī)律通過流體運(yùn)動學(xué)的研究，可以揭示流體運(yùn)動的內(nèi)在規(guī)律。指導(dǎo)工程實(shí)踐流體運(yùn)動學(xué)在工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如水利工程、航空航天、能源動力等。推動學(xué)科發(fā)展流體運(yùn)動學(xué)作為流體力學(xué)的重要分支，其研究成果將推動整個流體力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。02流體運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)方程123表示流體在運(yùn)動過程中質(zhì)量守恒的方程，即單位時(shí)間內(nèi)流入與流出控制體的質(zhì)量之差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的增量。連續(xù)性方程的物理意義對于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程可簡化為速度場的散度等于零，即?·v=0。連續(xù)性方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式在流體力學(xué)中，連續(xù)性方程是求解流體運(yùn)動問題的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于流體動力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)等領(lǐng)域。連續(xù)性方程的應(yīng)用連續(xù)性方程動量方程的物理意義表示流體在運(yùn)動過程中動量守恒的方程，即流體微團(tuán)動量的變化率等于作用在微團(tuán)上所有外力的合力。動量方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式根據(jù)牛頓第二定律，可推導(dǎo)出流體動量方程，其一般形式為ρDv/Dt=ρF+?·P，其中ρ為流體密度，v為流體速度，F(xiàn)為單位質(zhì)量流體所受外力，P為應(yīng)力張量。動量守恒原理的應(yīng)用動量守恒原理是流體力學(xué)中的基本原理之一，廣泛應(yīng)用于飛行器設(shè)計(jì)、水利工程、管道輸送等領(lǐng)域。動量方程與動量守恒原理能量方程的物理意義表示流體在運(yùn)動過程中能量守恒的方程，即流體微團(tuán)能量的變化率等于進(jìn)入微團(tuán)的凈熱量與外力對微團(tuán)所做的功之和。能量方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可推導(dǎo)出流體能量方程，其一般形式為ρDe/Dt=ρq+P:?v-?·q，其中e為單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，q為單位質(zhì)量流體所吸收的熱量，P為應(yīng)力張量，?v為速度梯度。能量守恒原理的應(yīng)用能量守恒原理是熱力學(xué)和流體力學(xué)中的基本原理之一，廣泛應(yīng)用于熱力發(fā)電、制冷技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域。010203能量方程與能量守恒原理伯努利方程及應(yīng)用伯努利方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式對于不可壓縮理想流體，其伯努利方程可表示為p+ρgz+(1/2)ρv2=C，其中p為流體壓力，ρ為流體密度，g為重力加速度，z為垂直高度，v為流體速度，C為常數(shù)。伯努利方程的物理意義表示理想流體在重力場中作穩(wěn)定流動時(shí)，沿流線各點(diǎn)的壓力、勢能和動能之和保持不變的方程。伯努利方程的應(yīng)用伯努利方程是流體力學(xué)中的重要方程之一，廣泛應(yīng)用于水利工程、航空航天、管道輸送等領(lǐng)域，如計(jì)算水壩的蓄水壓力、飛行器的升力等。03流體微團(tuán)運(yùn)動分析流體微團(tuán)定義在流場中選取的一個微小六面體空間及其所包含的流體。流體微團(tuán)性質(zhì)具有質(zhì)量、體積和形狀，并隨流場運(yùn)動而運(yùn)動。流體微團(tuán)與質(zhì)點(diǎn)區(qū)別流體微團(tuán)考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，而質(zhì)點(diǎn)僅考慮平動。流體微團(tuán)概念及性質(zhì)流體微團(tuán)在外力作用下發(fā)生的線應(yīng)變和角應(yīng)變。變形運(yùn)動流體微團(tuán)繞自身某一點(diǎn)或某一軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變形和旋轉(zhuǎn)是流體微團(tuán)運(yùn)動的兩種基本形式，且相互影響。變形與旋轉(zhuǎn)關(guān)系流體微團(tuán)變形與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動環(huán)量定義流體速度沿一條封閉曲線的線積分，表示流體在該曲線上的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。渦量定義描述流體微團(tuán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物理量，等于流體速度矢量的旋度。渦量與環(huán)量關(guān)系渦量是環(huán)量的密度，環(huán)量是渦量在一定區(qū)域上的積分。渦量與環(huán)量概念及關(guān)系亥姆霍茲定理內(nèi)容01在無粘性、正壓流體中，若初始時(shí)刻某流體微團(tuán)內(nèi)的渦量場無散度，則在此后的任何時(shí)刻，該流體微團(tuán)內(nèi)的渦量場始終保持無散度。渦線保持性定義02渦線在流場中隨時(shí)間變化的規(guī)律，即渦線在流場中的保持性。亥姆霍茲定理與渦線保持性關(guān)系03亥姆霍茲定理是渦線保持性的理論基礎(chǔ)，渦線保持性則是亥姆霍茲定理在流場中的具體表現(xiàn)。亥姆霍茲定理與渦線保持性04不可壓縮流體運(yùn)動學(xué)特性03舉例水在低速流動時(shí)，可近似看作不可壓縮流體。01定義不可壓縮流體是指在一定壓力范圍內(nèi)，其體積或密度幾乎不會隨壓力改變的流體。02性質(zhì)具有恒定的密度，無論受到多大的外力作用，其體積和密度都保持不變。不可壓縮流體定義及性質(zhì)聲波在不可壓縮流體中的傳播速度取決于流體的密度和彈性模量。聲波傳播速度由于流體的粘性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，聲波在傳播過程中會逐漸衰減。聲波衰減當(dāng)聲波遇到流體界面時(shí)，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。聲波反射和折射不可壓縮流體中聲波傳播特性渦旋是指流體中旋轉(zhuǎn)的流動現(xiàn)象，具有渦量和旋度。渦旋定義渦旋產(chǎn)生渦旋穩(wěn)定性渦旋對流體運(yùn)動的影響流體在受到外部擾動或流經(jīng)障礙物時(shí)，容易產(chǎn)生渦旋。在一定條件下，渦旋可以保持穩(wěn)定并持續(xù)存在。渦旋會改變流體的流動方向和速度分布，從而影響流體的整體運(yùn)動。不可壓縮流體中渦旋運(yùn)動特性湍流是指流體中一種高度復(fù)雜、無序的流動狀態(tài)。湍流定義當(dāng)流體速度增加到一定程度時(shí)，層流會失去穩(wěn)定性并轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。湍流產(chǎn)生湍流具有隨機(jī)性、擴(kuò)散性和高能量耗散等特點(diǎn)。湍流特性湍流會增加流體運(yùn)動的阻力和能量損失，降低流體機(jī)械的效率。同時(shí)，湍流也會增強(qiáng)流體中的混合和擴(kuò)散作用。湍流對流體運(yùn)動的影響不可壓縮流體中湍流現(xiàn)象05可壓縮流體運(yùn)動學(xué)特性03在高速流動或壓力變化較大的情況下，流體的壓縮性對流動的影響不可忽視。01可壓縮流體是指流體密度在外力作用下會發(fā)生變化的流體。02可壓縮流體的壓縮性與其彈性模量有關(guān)，彈性模量越小，壓縮性越大?？蓧嚎s流體定義及性質(zhì)聲波在可壓縮流體中傳播時(shí)，會引起流體密度的周期性變化，從而形成壓縮和稀疏的交替過程。聲波傳播速度與流體的壓縮性、密度和溫度等因素有關(guān)。在可壓縮流體中，聲波傳播的特性對于研究流體的動力學(xué)行為和聲學(xué)現(xiàn)象具有重要意義。可壓縮流體中聲波傳播特性激波是可壓縮流體中一種重要的物理現(xiàn)象，它是由于流體速度突然變化而產(chǎn)生的強(qiáng)壓縮波。激波的傳播速度與流體的物理性質(zhì)、流動條件和激波強(qiáng)度等因素有關(guān)。激波會對流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮、加熱和混合作用，對于研究高速流動、爆炸和沖擊等物理問題具有重要意義?？蓧嚎s流體中激波現(xiàn)象邊界層是指在流體流過固體表面時(shí)，由于粘性力的作用而在固體表面附近形成的一層流速梯度較大的流動區(qū)域。邊界層效應(yīng)對于研究流體的摩擦阻力、傳熱和傳質(zhì)等問題具有重要意義。同時(shí)，在航空航天、汽車和能源等領(lǐng)域中，邊界層控制技術(shù)也是一項(xiàng)重要的技術(shù)手段。在可壓縮流體中，邊界層效應(yīng)會更加顯著，因?yàn)榱黧w的壓縮性會使得邊界層內(nèi)的密度和速度變化更加劇烈?？蓧嚎s流體中邊界層效應(yīng)06復(fù)雜流動現(xiàn)象分析多相流動定義同時(shí)存在兩種或兩種以上不同相態(tài)物質(zhì)的流動現(xiàn)象。多相流動特點(diǎn)各相之間存在界面，相界面可能隨時(shí)間變化；各相物理性質(zhì)不同，導(dǎo)致流動復(fù)雜；相間可能發(fā)生質(zhì)量、動量和能量交換。常見多相流動氣液兩相流、液固兩相流、氣固兩相流等。多相流動現(xiàn)象及特點(diǎn)不滿足牛頓黏性定律的流體。非牛頓流體定義塑性流體、假塑性流體、脹流性流體等。非牛頓流體分類黏度隨剪切速率變化；可能出現(xiàn)剪切稀化或剪切增稠現(xiàn)象；流動過程中可能出現(xiàn)屈服應(yīng)力。非牛頓流體運(yùn)動特點(diǎn)非牛頓流體運(yùn)動特性基于統(tǒng)計(jì)平均的湍流模型、大渦模擬、直接數(shù)值模擬等。湍流模型分類預(yù)測流體運(yùn)動趨勢，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)；分析流體混合、傳熱和傳質(zhì)過程；研究多相流、化學(xué)反應(yīng)流等復(fù)雜流動現(xiàn)象。湍流模型在復(fù)雜流動中應(yīng)用湍流