流體力學(xué)課件第十四章

第十四章流體力學(xué)概論流體力學(xué)是研究流體（液體和氣體）的靜止和運動規(guī)律及其與周圍環(huán)境相互作用的學(xué)科。流體力學(xué)的研究范圍涵蓋了自然界中多種現(xiàn)象，例如水流、空氣流動、血液流動等。dsbydrfthgfthsdfgvd流體力學(xué)的定義和研究對象流體力學(xué)是研究流體（液體和氣體）的力學(xué)性質(zhì)及其運動規(guī)律的學(xué)科。它是一門應(yīng)用廣泛的學(xué)科，與日常生活、工程技術(shù)和自然現(xiàn)象密切相關(guān)。流體力學(xué)的研究對象包括流體的靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)，以及流體與固體、流體與流體之間的相互作用。它主要研究流體的壓力、浮力、粘性、湍流等現(xiàn)象，以及流體的運動規(guī)律和能量傳遞。流體力學(xué)的基本假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體被視為連續(xù)的，忽略其微觀結(jié)構(gòu)。不可壓縮性假設(shè)流體的密度保持不變，適用于大多數(shù)液體。無粘性假設(shè)流體之間不存在摩擦力，適用于理想流體。定常流動假設(shè)流體在空間和時間上的流動特性保持不變。流體力學(xué)的基本概念流線流線是流體中的一條假想曲線，其方向在任何一點都與該點的流體速度方向一致。流速流速是指流體在單位時間內(nèi)通過某一截面的體積，也稱為流量。壓強壓強是指流體作用在單位面積上的力，是流體靜力學(xué)中的重要概念。粘性粘性是指流體抵抗剪切變形的能力，是流體動力學(xué)中的重要概念。流體的物理性質(zhì)1密度密度是單位體積的質(zhì)量，決定流體的質(zhì)量分布。2黏度黏度衡量流體抵抗剪切或拉伸變形的程度，影響流體流動阻力。3表面張力表面張力使流體表面具有收縮趨勢，影響液體的形狀和毛細現(xiàn)象。4壓縮性壓縮性描述流體在壓力作用下體積變化的程度，影響流體聲速和聲波傳播。流體壓力的定義和性質(zhì)定義流體壓力是指流體由于自身重量或運動而產(chǎn)生的壓強，它表征了流體對物體表面單位面積的作用力大小。性質(zhì)流體壓力具有以下性質(zhì)：大小相等、方向垂直于接觸面、大小與深度成正比、大小與流體密度成正比。壓強單位流體壓力的單位通常采用帕斯卡(Pa)或千帕(kPa)表示。流體壓力的測量壓力計壓力計是測量流體壓力的常用工具。它利用流體壓力產(chǎn)生的力來改變指示器的指針位置，從而指示流體壓力的數(shù)值。U形管壓力計彈簧管壓力計膜片壓力計壓力傳感器壓力傳感器是一種將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。它通常由壓力敏感元件和信號轉(zhuǎn)換電路組成。壓力傳感器可用于測量各種流體的壓力，包括氣體、液體和固體。電阻式壓力傳感器壓電式壓力傳感器電容式壓力傳感器流體壓力的傳遞帕斯卡定律帕斯卡定律指出，封閉容器中的靜止流體，壓力的變化會等量地傳遞到流體的各個部分。應(yīng)用帕斯卡定律廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中，例如液壓千斤頂、液壓升降機和液壓剎車。原理封閉容器中的流體，壓力傳遞是由于流體分子之間的相互作用力所致。流體靜壓力的應(yīng)用1水壩水壩利用水靜壓力來發(fā)電，它利用水的高度差產(chǎn)生壓力，推動水輪發(fā)電機組發(fā)電。2潛水潛水員在水下受到水靜壓力的影響，潛水深度越大，水靜壓力越高，潛水員需要使用特殊的裝備來抵消壓力。3醫(yī)療領(lǐng)域水靜壓力在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，例如，利用水靜壓力來治療血管疾病。4氣象學(xué)大氣壓力的變化會影響天氣變化，氣象學(xué)家通過測量氣壓來預(yù)測天氣變化。浮力的產(chǎn)生和計算浮力的產(chǎn)生浮力是浸沒在流體中的物體受到的向上托力。當(dāng)物體浸入流體中時，流體對物體上表面和下表面的壓力差導(dǎo)致了浮力。浮力的大小等于物體排開流體的重量。阿基米德原理阿基米德原理表明，浸沒在流體中的物體所受到的浮力，大小等于物體排開流體的重量。該原理為浮力的計算提供了理論基礎(chǔ)。浮力計算公式浮力計算公式為F=ρVg，其中F表示浮力，ρ表示流體密度，V表示物體排開流體的體積，g表示重力加速度。浮力與物體密度浮力與物體的密度息息相關(guān)。當(dāng)物體密度小于流體密度時，物體將浮在水面。當(dāng)物體密度大于流體密度時，物體將沉入水中。浮力的應(yīng)用航海船舶利用浮力在水面上航行。浮力大于船舶的重量，才能使船舶能夠漂浮在水面上。潛艇利用改變自身重量來調(diào)節(jié)浮力，實現(xiàn)潛入和上浮。航空熱氣球利用空氣受熱膨脹的原理，產(chǎn)生向上浮力，實現(xiàn)升空。飛艇利用氫氣或氦氣的密度小于空氣，從而產(chǎn)生浮力，實現(xiàn)飛行。日常生活游泳時，人體利用浮力可以減輕自身的重量，更容易漂浮在水面上。釣魚時，魚漂利用浮力，可以指示是否有魚上鉤。工程技術(shù)浮力在橋梁、水壩等工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。浮力原理也被應(yīng)用于水下機器人、海洋探測設(shè)備等領(lǐng)域。流體動壓力的定義和計算流體動壓力定義流體動壓力是指流體流動時，由于流體本身的速度而產(chǎn)生的壓力。它與流體的密度和速度平方成正比。流體動壓力計算流體動壓力可以使用伯努利方程來計算，該方程描述了流體在流動過程中的能量守恒關(guān)系。動壓力的影響因素流體動壓力的大小受流體速度、流體密度以及流體流動狀態(tài)的影響。當(dāng)流體速度增加時，動壓力也隨之增加。流體動壓力的應(yīng)用飛機升力飛機利用機翼形狀產(chǎn)生升力，使飛機能夠起飛和飛行。汽車行駛汽車行駛時，車身周圍的空氣流動產(chǎn)生動壓力，提供行駛所需的動力。風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機利用風(fēng)力產(chǎn)生的動壓力帶動葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。水生生物運動水生生物利用身體形狀和運動方式，產(chǎn)生動壓力，克服水的阻力，進行游動。流體流動的基本概念層流流體質(zhì)點沿直線并按同一方向流動，各質(zhì)點之間沒有橫向混合，稱為層流。湍流流體質(zhì)點流動無規(guī)則，各質(zhì)點之間互相混合，稱為湍流。穩(wěn)定流動流體在任何時刻，流經(jīng)任一點的流速、壓力等物理量都不隨時間改變。非穩(wěn)定流動流體在任何時刻，流經(jīng)任一點的流速、壓力等物理量隨時間改變。流體流動的分類層流層流是指流體質(zhì)點沿平行于管壁的直線運動，各質(zhì)點之間沒有相互混合。層流通常發(fā)生在流速較低、粘度較大的流體中。紊流紊流是指流體質(zhì)點沿不規(guī)則的路徑運動，各質(zhì)點之間相互混合。紊流通常發(fā)生在流速較高、粘度較小的流體中。過渡流過渡流是指介于層流和紊流之間的一種流動狀態(tài)。過渡流的特性介于層流和紊流之間，流體質(zhì)點既有規(guī)則運動又有不規(guī)則運動。理想流體流動的基本方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程描述了流體流動過程中質(zhì)量守恒的原理。它表明在穩(wěn)定流動條件下，流體流過任何截面的質(zhì)量流量保持不變。伯努利方程伯努利方程描述了理想流體在流動過程中能量守恒的原理。它將流體的動能、勢能和壓強能聯(lián)系起來，用于計算流體在不同位置的能量變化。伯努利方程的推導(dǎo)和應(yīng)用1推導(dǎo)過程伯努利方程是從能量守恒定律推導(dǎo)出的，它描述了流體在流動過程中能量守恒的規(guī)律。2應(yīng)用場景伯努利方程廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、航空航天、水利工程等領(lǐng)域，用于分析和解決各種流體流動問題。3主要應(yīng)用例如，在飛機機翼的設(shè)計中，伯努利方程用于解釋機翼上表面流速快、壓強低，從而產(chǎn)生升力。4計算流速伯努利方程還可以用于計算流體的流速，例如在管道中測量流速。管道流動的基本方程1連續(xù)性方程管道流動中，流體流量保持不變，即單位時間內(nèi)流過管道橫截面的流體質(zhì)量相同。2能量方程管道流動中，流體的能量守恒，即流體在流動過程中，動能、勢能和內(nèi)能的總和保持不變。3動量方程管道流動中，流體動量的變化等于作用在流體上的外力，反映了流體在流動過程中受到的力的作用。4摩擦損失方程管道流動中，流體在流動過程中會產(chǎn)生摩擦損失，導(dǎo)致流體能量的損失，需要通過摩擦損失方程進行計算。管道流動的阻力損失摩擦阻力由于流體與管壁之間的摩擦作用，導(dǎo)致的能量損失。局部阻力管道局部形狀變化，如彎頭、閥門、突然擴大或縮小等，導(dǎo)致的能量損失?？傋枇艿懒鲃又校Σ磷枇途植孔枇Φ目偤?。管道流動的計算阻力損失計算管道流動中存在阻力損失，包括沿程阻力損失和局部阻力損失。管道系統(tǒng)計算管道系統(tǒng)計算需要綜合考慮流體流量、壓力、阻力損失等因素，進行整體的計算和分析。公式和方法常見的管道流動計算公式包括達西-魏斯巴赫公式、謝齊公式等，需要根據(jù)不同的管道流體條件選擇合適的公式。流量測量的基本原理連續(xù)性原理連續(xù)性原理指出在穩(wěn)定流動中，流體通過任何截面的流量保持不變。能量守恒定律能量守恒定律指出，流體在流動過程中，能量總量保持不變。動量守恒定律動量守恒定律指出，流體在流動過程中，動量總量保持不變。流量測量的常用方法容積式流量計容積式流量計通過測量一定時間內(nèi)流體通過的體積來計算流量。常見的容積式流量計包括轉(zhuǎn)子流量計、往復(fù)式流量計和齒輪流量計等。質(zhì)量式流量計質(zhì)量式流量計通過測量一定時間內(nèi)流體通過的質(zhì)量來計算流量。常見的質(zhì)量式流量計包括科里奧利質(zhì)量流量計、熱式質(zhì)量流量計和密度式質(zhì)量流量計等。速度式流量計速度式流量計通過測量流體在管道中的速度來計算流量。常見的速度式流量計包括渦輪流量計、電磁流量計和超聲流量計等。其他流量計除了以上幾種常見的流量計，還有其他類型的流量計，例如差壓式流量計、浮子式流量計等。這些流量計根據(jù)不同的原理進行工作，適用于不同的應(yīng)用場景。流體功率和能量流體功率流體功率是流體做功的速率。它表示流體單位時間內(nèi)所做的功，通常用瓦特(W)表示。流體能量流體能量包括動能、勢能和內(nèi)能。動能是流體運動的能量，勢能是流體位置的能量，內(nèi)能是流體分子運動的能量。能量轉(zhuǎn)換流體機械可以將流體能量轉(zhuǎn)換為機械能或其他形式的能量，例如水力發(fā)電機將水的勢能轉(zhuǎn)換為電能。流體機械的基本概念定義流體機械是指利用流體能量進行工作的機械，包括泵、風(fēng)機、壓縮機等。工作原理流體機械通過改變流體的動能或勢能來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，從而完成工作。分類流體機械可分為旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩類，以及動力式和工作式兩類。應(yīng)用流體機械廣泛應(yīng)用于水利工程、石油化工、航空航天等領(lǐng)域。流體機械的工作原理1能量轉(zhuǎn)換流體機械通過將機械能轉(zhuǎn)換為流體能量或?qū)⒘黧w能量轉(zhuǎn)換為機械能來工作。例如，泵將機械能轉(zhuǎn)換為流體能量，而水輪機將流體能量轉(zhuǎn)換為機械能。2能量守恒流體機械遵循能量守恒原理，即流體機械的輸入能量等于輸出能量加上能量損失。3動力學(xué)流體機械的工作原理基于流體動力學(xué)，即流體在運動中的力學(xué)特性。4效率流體機械的效率取決于能量轉(zhuǎn)換的效率，即輸入能量與輸出能量的比例。流體機械的分類和應(yīng)用按工作原理分類流體機械主要分為兩大類：動力機械和工作機械。動力機械利用流體的能量來做功，例如水輪機、風(fēng)力機等；工作機械利用外界能量來改變流體的狀態(tài)，例如泵、壓縮機、風(fēng)機等。按流體類型分類流體機械還可以根據(jù)流體類型進行分類，例如液體機械和氣體機械。液體機械處理液體，例如泵、水輪機等；氣體機械處理氣體，例如壓縮機、風(fēng)機等。流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用航空航天流體力學(xué)是飛機設(shè)計的基礎(chǔ)，用于優(yōu)化機翼形狀和發(fā)動機效率，提高飛行性能。水利工程流體力學(xué)用于分析水流特性，設(shè)計水壩、水輪機和水力發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)化水資源利用。石油天然氣流體力學(xué)用于模擬和優(yōu)化油氣管道系統(tǒng)，設(shè)計高效的輸送方式，減少能源浪費?；ひ苯鹆黧w力學(xué)用于優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計，提高熱量交換效率，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。流體力學(xué)研究的前沿方向復(fù)雜流動模擬提高湍流、多相流和非牛頓流體的數(shù)值模擬精度和效率。微流控開發(fā)微流控芯片和技術(shù)，用于生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域。仿生流體力學(xué)研究生物體流體動力學(xué)，并將其應(yīng)用于仿生機器人設(shè)計和制造。航天流體力學(xué)研究超高速飛行器、空間飛行器和火箭發(fā)動機等領(lǐng)域的流體力學(xué)問題。流體力學(xué)的發(fā)展趨勢多尺度模擬近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，多尺度模擬技術(shù)在流體力學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。多尺度模擬可以將不同尺度的物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，為解決復(fù)雜流體流動問題提供新的方法。人工智能人工智能技術(shù)在流體力學(xué)中的應(yīng)用也日益廣泛，例如，利用機器學(xué)習(xí)算法可以建立更準(zhǔn)確的流體模型，提高流體流動預(yù)測的精度。本章小結(jié)本章介紹了流體力學(xué)的基本概念和基