大学物理流体力学基础.ppt

“哈勃哈勃”抓拍到的气体湍流风暴抓拍到的气体湍流风暴 类似海洋中的怒潮，该图片实际显示的是炽热的氢气和其它少量如氧或硫类似海洋中的怒潮，该图片实际显示的是炽热的氢气和其它少量如氧或硫元素组成的泡沫海洋。图片由美国国家宇航局的元素组成的泡沫海洋。图片由美国国家宇航局的“哈勃哈勃”太空望远镜拍摄，表太空望远镜拍摄，表现的恒星形成温床现的恒星形成温床天鹅星云的一小块区域，该星云位于人马座方向，距地天鹅星云的一小块区域，该星云位于人马座方向，距地球约球约55005500光年。光年。2.1 2.1 流体力学简介流体力学简介流动性：流动性：物体的各部分间可以相对运动的性质。物体的各部分间可以相对运动的性质。流体流体: 具有流动性的物体。液体和气体都是流体。由连续具有流动性的物体。液体和气体都是流体。由连续分布的流体质量元组成的。分布的流体质量元组成的。rvP流体力学流体力学主要研究流体的运动规律以及流体与物质间的相互主要研究流体的运动规律以及流体与物质间的相互作用。作用。2.1.1 流体力学发展简史流体力学发展简史阿基米德阿基米德: 浮力定律浮力定律 流体静力学流体静力学15世纪，达芬奇：水波，鸟的飞翔等。世纪，达芬奇：水波，鸟的飞翔等。17世纪，帕斯卡：静止流体内压力的传递规律。世纪，帕斯卡：静止流体内压力的传递规律。17世纪，牛顿，皮托，达朗贝尔世纪，牛顿，皮托，达朗贝尔（瑞士）欧拉：连续介质力学（瑞士）欧拉：连续介质力学欧拉方程欧拉方程；（瑞士）伯努利：（瑞士）伯努利：伯努利方程伯努利方程18世纪，位势流理论，无黏性流体的运动；世纪，位势流理论，无黏性流体的运动；19世纪，黏性流体的基本运动方程：世纪，黏性流体的基本运动方程：纳维纳维-斯托克斯方程斯托克斯方程；20世纪，流体的边界层理论，机翼理论等。世纪，流体的边界层理论，机翼理论等。2.1.2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容常见的研究对象：大气，海水等。常见的研究对象：大气，海水等。学科分支：学科分支：空气动力学、渗流力学、爆炸力学、多相流体力学、空气动力学、渗流力学、爆炸力学、多相流体力学、电磁流体力学、环境流体力学、生物流变学等。电磁流体力学、环境流体力学、生物流变学等。流体力学的分类：流体力学的分类：分类分类：理想流体力学，黏性流体力学，：理想流体力学，黏性流体力学， 不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学、 非牛顿流体力学等。非牛顿流体力学等。分类分类 ：流体静力学，流体运动学，流体动力学：流体静力学，流体运动学，流体动力学2.2 2.2 理想流体的定常流动理想流体的定常流动理想流体理想流体:绝对不可压缩、完全没有黏滞性的流体绝对不可压缩、完全没有黏滞性的流体一、一、 定常流动定常流动流体流经的空间称为流体流经的空间称为流体空间流体空间或或流场流场 。定常流动定常流动：流体流经空间各点的速度不：流体流经空间各点的速度不 随时间变化。随时间变化。流体质量元在不同地点的速度可以各不相同。流体质量元在不同地点的速度可以各不相同。流体在空间各点的速度分布不变。流体在空间各点的速度分布不变。“定常流动定常流动”并不仅限于并不仅限于“理想流体理想流体”。流体受压缩程度极小，其密度变化可忽略时，可看作不可压缩流体。流体受压缩程度极小，其密度变化可忽略时，可看作不可压缩流体。流体在流动时，若能量损耗可忽略不计，可看作非黏滞流体。流体在流动时，若能量损耗可忽略不计，可看作非黏滞流体。1v2v3v流线流线：分布在流场中的许多假想曲线，曲线上每一点的切线方：分布在流场中的许多假想曲线，曲线上每一点的切线方 向和流体质量元流经该点时的速度方向一致。向和流体质量元流经该点时的速度方向一致。流场中流线是连续分布的；流场中流线是连续分布的；空间每一点只有一个确定的流速方向，空间每一点只有一个确定的流速方向，所以流线不可相交。所以流线不可相交。流线密处，表示流速大，反之则稀。流线密处，表示流速大，反之则稀。二、流线二、流线三、流管三、流管流管流管：由一组流线围成的管状区域称为流管。：由一组流线围成的管状区域称为流管。流管内流体的质量是守恒的。流管内流体的质量是守恒的。通常所取的通常所取的“流管流管”都是都是“细流管细流管”。细流管的截面积细流管的截面积 ，就称为流线。，就称为流线。0 S流速大流速大1v2v 两截面处的流速分别为两截面处的流速分别为 和和 ，1v2v 取一细流管，任取两个截面取一细流管，任取两个截面 和和 ，1S2S四、连续性原理四、连续性原理 描述了描述了理想流体理想流体做做定常流动定常流动时同一流管中流体元在不同截面时同一流管中流体元在不同截面处的处的流速流速 与与截面积截面积 的关系。的关系。vS流体密度分别为流体密度分别为 和和 。1 2 经过时间经过时间 ，流入细流管的流体质量，流入细流管的流体质量t tvSVm 111111 同理，流出的质量同理，流出的质量tvSVm 222222 流体作定常流动，故流体作定常流动，故流管内流体质量始终不变流管内流体质量始终不变，即，即21mm 222111vSvS CSv 上式称为上式称为连续性原理连续性原理或或质量守恒方程质量守恒方程，其中，其中 称为称为质量流质量流量。量。Sv S1S2v1v2t对于不可压缩流体，对于不可压缩流体， 为常量，故有为常量，故有SvQ常量C上式称为上式称为不可压缩流体不可压缩流体的的连续性原理连续性原理或或体积连续性方程体积连续性方程，其，其中中 称为称为体积流量体积流量。Q 是对细流管而言的。物理上的是对细流管而言的。物理上的“细细”，指的是截，指的是截面上各处速度一样，不论多大，均可看成面上各处速度一样，不论多大，均可看成“细流管细流管”。CSv 对同一流管而言，对同一流管而言，C 一定。截面积一定。截面积 S 小处则速度大，截面积小处则速度大，截面积 S 大处则速度小大处则速度小例例求求解解一根粗细不均的长水管，其粗细处的截面积之比为一根粗细不均的长水管，其粗细处的截面积之比为4 1， 已知水管粗处水的流速为已知水管粗处水的流速为2ms-1。水管狭细处水的流速水管狭细处水的流速v1v2S1S2由连续性原理知由连续性原理知2211vSvS得得12112sm8SvSv 如图是一种自动冲水器的结构示意图，如图是一种自动冲水器的结构示意图，进水管进水管A 管口截面积为管口截面积为3cm3cm2 2 ，出水管，出水管B 管口截面积为管口截面积为22cm22cm2 2 ，出水时速度为，出水时速度为1.5ms1.5ms-1-1, ,该冲水器每隔该冲水器每隔5min5min能自动持续能自动持续出水出水0.5min.0.5min.例例求求解解进水速度进水速度D = 0.8mhAB出水管的体积流量出水管的体积流量BBBvSQ 0.5min. 出水量出水量BBBBBBtvStQV进水管的体积流量进水管的体积流量AAAvSQ 5.5min. 出水量出水量BAAABAAAttvSttQV因因ABVV 所以所以1sm1BAABBBAttStvSv