《流體力學(xué)復(fù)習(xí)提綱》課件

流體力學(xué)復(fù)習(xí)提綱本課件旨在幫助您復(fù)習(xí)流體力學(xué)的基本概念和理論。1.流體力學(xué)概述研究流體流體力學(xué)研究流體（液體和氣體）的靜止和運(yùn)動狀態(tài)，以及流體與物體相互作用的力學(xué)規(guī)律。廣泛應(yīng)用流體力學(xué)在航空航天、機(jī)械工程、土木工程、環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?；驹砹黧w力學(xué)主要研究三大基本原理：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。1.1流體的定義和性質(zhì)流體的定義流體是指能夠流動、變形并能承受剪切力的物質(zhì)。流體包括液體和氣體。流體的性質(zhì)密度粘度表面張力壓縮性流體的運(yùn)動流體運(yùn)動可以是層流或湍流，這取決于流體的速度、粘度和流動路徑的幾何形狀。1.2流體力學(xué)的基本原理質(zhì)量守恒定律流體在運(yùn)動過程中，其質(zhì)量保持不變，這體現(xiàn)了流體的質(zhì)量守恒性。動量守恒定律流體系統(tǒng)在運(yùn)動過程中，動量保持不變，動量定律描述了流體運(yùn)動的趨勢和變化。能量守恒定律能量守恒定律表明，流體系統(tǒng)能量的總量保持不變，能量可以轉(zhuǎn)化形式，但總量不變。牛頓粘性定律流體的粘性是指流體抵抗變形的能力，牛頓粘性定律描述了粘性流體的應(yīng)力與變形速率的關(guān)系。2.流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)研究靜止流體的平衡狀態(tài)及其規(guī)律。主要內(nèi)容包括靜止流體壓力、浮力等。2.1靜止流體的壓力11.壓力定義靜止流體內(nèi)部各點(diǎn)由于分子間作用力而產(chǎn)生的力稱為壓力。22.壓力單位壓力的國際單位是帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2。33.壓力測量壓力測量儀器，例如壓力計(jì)，用于測量靜止流體的壓力。44.壓力特點(diǎn)靜止流體中，壓力的大小與深度成正比，與流體的密度有關(guān)。2.2裝置內(nèi)的壓力分布靜止流體中的壓力靜止流體內(nèi)部各個(gè)方向上的壓力相等，稱為靜壓。靜壓的大小與流體深度成正比，即越深，壓力越大。壓力分布規(guī)律靜止流體中，壓力沿深度方向線性增加，而在同一深度處，壓力分布均勻。2.3浮力和浮力定律浮力浮力是指浸沒在流體中的物體所受到的向上托力。阿基米德原理物體所受的浮力等于它排開流體的重量。浮力定律物體浮沉條件：浮力大于重力，物體上?。桓×Φ扔谥亓?，物體懸浮；浮力小于重力，物體下沉。3.流體運(yùn)動學(xué)流體運(yùn)動學(xué)主要研究流體的運(yùn)動規(guī)律，而不考慮引起運(yùn)動的原因。內(nèi)容包括流體運(yùn)動的描述、流體運(yùn)動的幾何特征、流體運(yùn)動的動力學(xué)特性等。3.1流線和流管1流線在流場中，與流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向始終相切的曲線稱為流線。2流管由無數(shù)條流線組成的管狀區(qū)域稱為流管。3流線特點(diǎn)流線不會相交，流管內(nèi)流體的質(zhì)量守恒。4應(yīng)用流線和流管概念有助于理解流體運(yùn)動規(guī)律，例如，它們可以用來分析流體在管道中的流動。3.2流體速度場流體速度場定義流體速度場描述了流體中每個(gè)點(diǎn)的速度。矢量場流體速度場是一個(gè)矢量場，它具有大小和方向。變化與時(shí)間流體速度場可以隨時(shí)間變化，取決于流體運(yùn)動。3.3流體流量和流速流量流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的體積，常用Q表示。流量是描述流體運(yùn)動的重要參數(shù)之一。流量的單位是立方米每秒（m3/s）或升每秒（L/s）。流速流速是指流體在某一點(diǎn)上的速度，常用v表示。流速是描述流體運(yùn)動速度的重要參數(shù)之一。流速的單位是米每秒（m/s）。流體動力學(xué)流體動力學(xué)是流體力學(xué)的重要分支，研究流體的運(yùn)動規(guī)律及其與周圍環(huán)境的相互作用。流體動力學(xué)應(yīng)用廣泛，例如飛機(jī)設(shè)計(jì)、水力發(fā)電、管道輸送等。4.1伯努利方程能量守恒伯努利方程是流體力學(xué)中的重要方程，它描述了理想流體在流動過程中的能量守恒。壓力能方程包含三個(gè)主要能量項(xiàng)：壓力能、動能和勢能，它們相互轉(zhuǎn)換，但總能量保持不變。應(yīng)用范圍伯努利方程可用于分析各種流體流動問題，例如管道流動、機(jī)翼升力、噴嘴和擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)。4.2動量定理和動量方程動量定理流體系統(tǒng)動量變化率等于作用于該系統(tǒng)外力的合力。動量方程動量定理的微分形式，用于分析流體流動中的動量變化。應(yīng)用計(jì)算流體對物體的作用力分析流體流動中的能量損失設(shè)計(jì)高效的流體機(jī)械4.3能量方程能量守恒能量方程描述流體運(yùn)動中能量守恒原理。應(yīng)用案例水力發(fā)電站利用水流的勢能轉(zhuǎn)化為動能，再轉(zhuǎn)化為電能，體現(xiàn)了能量方程的實(shí)際應(yīng)用。管道流動管道流動是流體力學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，在工程實(shí)際應(yīng)用中十分普遍。管道流動是指流體在管道內(nèi)流動，其流動方式和特性受管道形狀、尺寸、流體性質(zhì)以及流動條件等因素的影響。5.1管道阻力損失1摩擦阻力流體與管道壁面摩擦導(dǎo)致的能量損失。2局部阻力流體通過管道局部變化，例如彎頭、閥門等造成的能量損失。3阻力損失計(jì)算通過公式計(jì)算管道阻力損失，常用的公式有達(dá)西-魏斯巴赫公式和謝齊公式。5.2管網(wǎng)分析管網(wǎng)的組成管網(wǎng)由管道、閥門、泵等組成，用于輸送液體或氣體。管網(wǎng)可以是單一的管道系統(tǒng)，也可以是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。管網(wǎng)分析方法常用的管網(wǎng)分析方法包括節(jié)點(diǎn)分析法、回路分析法、特征線法等。這些方法可以用于計(jì)算管網(wǎng)中的流量、壓力、流速等參數(shù)。管網(wǎng)分析的應(yīng)用管網(wǎng)分析可以用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)，以提高輸送效率，降低能耗。管網(wǎng)分析還可以用于故障診斷和安全評估。6.邊界層理論邊界層是指流體流過物體表面附近的一層薄薄的流體層。在邊界層內(nèi)，流體速度從物體表面上的零速度逐漸增加到遠(yuǎn)離物體表面的自由流速度。6.1邊界層的概念粘性流體粘性流體在流動時(shí)，流體層之間會產(chǎn)生摩擦力。這種摩擦力會導(dǎo)致流體速度在靠近固體表面的地方減小。邊界層形成當(dāng)流體經(jīng)過固體表面時(shí)，靠近表面的流體速度會減小，形成一個(gè)薄薄的層，稱為邊界層。粘性影響邊界層內(nèi)的流體受到粘性的顯著影響，流速梯度很大。流動特性邊界層內(nèi)流動特性復(fù)雜，需要進(jìn)行特殊分析和研究。6.2邊界層的性質(zhì)粘性層邊界層是靠近固體表面的流體層。流體運(yùn)動受到固體表面的摩擦力影響。速度梯度邊界層內(nèi)流體速度發(fā)生變化。速度梯度是邊界層的重要特征。厚度變化邊界層厚度會隨著流體性質(zhì)和流動條件而變化。邊界層厚度會影響流體的阻力。7.湍流理論湍流是流體運(yùn)動的一種復(fù)雜形式，廣泛存在于自然界和工程應(yīng)用中。湍流的特點(diǎn)是流體運(yùn)動的隨機(jī)性和不規(guī)則性，以及能量耗散和混合增強(qiáng)。7.1湍流的特點(diǎn)無序運(yùn)動湍流中，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向和速度隨機(jī)變化，流動狀態(tài)難以預(yù)測。高能量耗散湍流由于流體質(zhì)點(diǎn)間劇烈摩擦，能量耗散率比層流高，形成紊亂流動狀態(tài)?；旌显鰪?qiáng)湍流的劇烈運(yùn)動，促使流體質(zhì)點(diǎn)間充分混合，有利于物質(zhì)傳遞和熱量交換。廣泛存在自然界中，河流、海洋、大氣等大部分流動都屬于湍流，對工程應(yīng)用影響重大。7.2湍流模型雷諾應(yīng)力模型利用雷諾應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)平均值建立模型，描述湍流流動中脈動速度的影響。k-ε模型基于湍動能和湍動能耗散率兩個(gè)變量，模擬湍流流動的動力學(xué)過程。大渦模擬直接模擬大尺度渦旋，小尺度渦旋通過模型參數(shù)化處理，對湍流流動進(jìn)行數(shù)值模擬。8.流體機(jī)械流體機(jī)械是利用流體能量進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或傳遞的設(shè)備。主要包括泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水輪機(jī)等，它們在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、交通運(yùn)輸?shù)确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用。8.1基本類型和工作原理水力渦輪機(jī)水力渦輪機(jī)將水流的動能和勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電站。風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)力渦輪機(jī)利用風(fēng)能驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而用于發(fā)電。汽輪機(jī)汽輪機(jī)利用高溫高壓蒸汽推動葉片旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，主要應(yīng)用于火力發(fā)電站。燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔苿尤~片旋轉(zhuǎn)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，應(yīng)用于發(fā)電、航空等領(lǐng)域。8.2性能參數(shù)和特性曲線11.效率效率是指流體機(jī)械輸出功率與輸入功率之比。效率越高，表示能量利用率越高。22.揚(yáng)程揚(yáng)程是流體機(jī)械克服重力或其他阻力將流體提升的高度。揚(yáng)程越高，表示流體機(jī)械的輸送能力越強(qiáng)。33.流量流量是指流體機(jī)械在單位時(shí)間內(nèi)輸送的流體體積。流量越大，表示流體機(jī)械的輸送能力越強(qiáng)。44.功率功率是指流體機(jī)械單位時(shí)間內(nèi)所做的功。功率越大，表示流體機(jī)械的輸送能力越強(qiáng)。9.流體測量技術(shù)流體測量技術(shù)是流體力學(xué)研究的重要組成部分，用于測量流體的各種物理量。流體測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。9.1基本流量測量方法流量計(jì)流量計(jì)是測量流體流量的儀器，根據(jù)測量原理可分為多種類型。渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)利用流體流過障礙物時(shí)產(chǎn)生的渦街頻率來測量流量。電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)利用法拉第電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電流體流量。超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)利用聲波在流體中的傳播時(shí)間變化來測量流量。9.2流速測量技術(shù)11.壓力差法利用流體流動產(chǎn)生的壓力差來測量流速，例如文丘里管和皮托管。22.熱線風(fēng)速儀通過測量熱線傳感器在流體