流體力學(xué)教學(xué)課件

流體力學(xué)REPORTING目錄流體力學(xué)基本概念與原理流體靜力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)黏性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)可壓縮流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)非牛頓流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介PART01流體力學(xué)基本概念與原理REPORTING流體力學(xué)定義及研究對(duì)象流體力學(xué)定義流體力學(xué)是研究流體（液體和氣體）靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下力學(xué)規(guī)律的學(xué)科。研究對(duì)象包括各種流體介質(zhì)，如空氣、水、油等，以及流體與固體邊界的相互作用。流體具有易流動(dòng)性、無固定形狀、連續(xù)介質(zhì)等特性。流體性質(zhì)根據(jù)流體的不同性質(zhì)，可分為牛頓流體和非牛頓流體、可壓縮流體和不可壓縮流體等。流體分類流體性質(zhì)與分類03能量方程描述流體運(yùn)動(dòng)中能量守恒的定律，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的能量差等于控制體內(nèi)能量的增量。01連續(xù)性方程描述流體運(yùn)動(dòng)中質(zhì)量守恒的定律，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的增量。02動(dòng)量方程描述流體運(yùn)動(dòng)中動(dòng)量守恒的定律，即流體微元所受外力之和等于其動(dòng)量變化率。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程描述流體內(nèi)部相鄰兩層之間因速度梯度而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與速度梯度成正比的定律。指流體內(nèi)部因分子間相互作用而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，使流體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生能量損失的現(xiàn)象。牛頓內(nèi)摩擦定律與黏性現(xiàn)象黏性現(xiàn)象牛頓內(nèi)摩擦定律PART02流體靜力學(xué)REPORTING同一水平面上各點(diǎn)壓強(qiáng)相等同一豎直線上不同高度點(diǎn)壓強(qiáng)與高度成反比不同液體中同一深度處壓強(qiáng)與液體密度成正比靜止流體中壓強(qiáng)分布規(guī)律液體平衡時(shí)，作用在液體上的重力、浮力和表面張力等外力必須平衡液體平衡時(shí)，液體內(nèi)部壓強(qiáng)分布滿足靜壓強(qiáng)分布規(guī)律液體平衡時(shí)，其自由表面必為水平面重力作用下液體平衡問題計(jì)算液體對(duì)固體壁面的總壓力時(shí)，應(yīng)先確定壓力體的范圍和形狀，再計(jì)算壓力體上各點(diǎn)的壓強(qiáng)，最后對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行積分求和計(jì)算液體對(duì)固體壁面的平均壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)將總壓力除以作用面積計(jì)算液體對(duì)固體壁面的壓力中心位置時(shí)，可利用力矩平衡原理求解液體對(duì)固體壁面作用力計(jì)算PART03流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)REPORTING一維流動(dòng)是指流體在管道或通道內(nèi)沿一個(gè)主要方向的運(yùn)動(dòng)，忽略其他方向的流動(dòng)效應(yīng)。一維流動(dòng)的基本概念伯努利方程描述了在不可壓縮、無粘性的流體中，速度、壓力和高度之間的關(guān)系。它表明在流體流動(dòng)過程中，速度增加時(shí)壓力降低，反之亦然。伯努利方程的物理意義伯努利方程在流體力學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，如計(jì)算管道中的流量、分析飛行器的升力和阻力、解釋文丘里管的工作原理等。伯努利方程的應(yīng)用一維流動(dòng)與伯努利方程應(yīng)用二維無旋流動(dòng)的定義二維無旋流動(dòng)是指流體在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且其旋度為零，即流體微團(tuán)不繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。斯托克斯定理的物理意義斯托克斯定理描述了二維無旋流動(dòng)中流函數(shù)和勢(shì)函數(shù)之間的關(guān)系。它表明在二維無旋流動(dòng)中，流函數(shù)和勢(shì)函數(shù)滿足拉普拉斯方程，因此可以通過求解拉普拉斯方程得到流場(chǎng)的解。斯托克斯定理的應(yīng)用斯托克斯定理在二維無旋流動(dòng)的求解和分析中有重要應(yīng)用，如計(jì)算流體的速度分布、分析流場(chǎng)的穩(wěn)定性和渦旋結(jié)構(gòu)等。二維無旋流動(dòng)與斯托克斯定理三維勢(shì)流的基本概念三維勢(shì)流是指流體在三維空間中運(yùn)動(dòng)，且其流動(dòng)可以用勢(shì)函數(shù)來描述。在三維勢(shì)流中，流體的速度和壓力分布可以通過求解勢(shì)函數(shù)的偏微分方程得到。三維勢(shì)流理論的物理意義三維勢(shì)流理論是描述流體在三維空間中運(yùn)動(dòng)的基本理論之一。它基于無粘性、不可壓縮流體的假設(shè)，通過求解勢(shì)函數(shù)的偏微分方程來得到流場(chǎng)的解，從而可以分析流體的速度、壓力和渦旋等特性。三維勢(shì)流理論的應(yīng)用三維勢(shì)流理論在航空航天、船舶工程、水利工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。例如，它可以用于分析飛行器的氣動(dòng)性能、計(jì)算船舶的興波阻力、預(yù)測(cè)水壩的泄流能力等。三維勢(shì)流理論簡(jiǎn)介PART04黏性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)REPORTING123N-S方程是描述黏性不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，由動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程組成。動(dòng)量守恒方程表達(dá)了流體微元上受到的力與其動(dòng)量變化率之間的關(guān)系，反映了黏性力、壓力和慣性力之間的平衡。連續(xù)性方程表達(dá)了質(zhì)量守恒原理，即流體微元內(nèi)質(zhì)量的增加率等于流入該微元的質(zhì)量流率與流出該微元的質(zhì)量流率之差。黏性不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)方程（N-S方程）層流和湍流是黏性流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本形態(tài)，層流表現(xiàn)為規(guī)則的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，而湍流則表現(xiàn)為不規(guī)則的、混沌的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。判別層流和湍流的方法主要有雷諾數(shù)判別法、流動(dòng)顯示法和測(cè)量法等。其中，雷諾數(shù)判別法是最常用的方法，通過計(jì)算雷諾數(shù)的大小來判斷流動(dòng)狀態(tài)。在工程應(yīng)用中，層流和湍流的判別對(duì)于流動(dòng)阻力、傳熱傳質(zhì)等問題的解決具有重要意義。層流與湍流現(xiàn)象及其判別方法邊界層在工程應(yīng)用中具有重要意義，如飛行器設(shè)計(jì)中的氣動(dòng)性能、船舶設(shè)計(jì)中的阻力問題、管道輸送中的流動(dòng)阻力等都與邊界層密切相關(guān)。通過研究邊界層的性質(zhì)和行為，可以采取相應(yīng)的措施來優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，如采用邊界層控制技術(shù)來減小流動(dòng)阻力、提高傳熱效率等。邊界層是指在黏性流體中，緊貼固體壁面的一層很薄的流動(dòng)區(qū)域，其中流體的速度由壁面上的零值迅速增加到與主流區(qū)速度相同的數(shù)量級(jí)。邊界層概念及其在工程中的應(yīng)用PART05可壓縮流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)REPORTING馬赫數(shù)概念及物理意義馬赫數(shù)是流場(chǎng)中某點(diǎn)的速度與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎?，用于描述流體壓縮性的強(qiáng)弱。臨界現(xiàn)象與臨界馬赫數(shù)當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)臨界現(xiàn)象，如激波的產(chǎn)生和流動(dòng)分離等，此時(shí)的馬赫數(shù)稱為臨界馬赫數(shù)。聲速定義及影響因素聲速是聲波在介質(zhì)中傳播的速度，受到介質(zhì)的密度、溫度等因素的影響。聲速、馬赫數(shù)及臨界現(xiàn)象噴管設(shè)計(jì)原理及分類噴管設(shè)計(jì)需考慮流體的可壓縮性和流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)需求可分為亞聲速噴管、超聲速噴管和跨聲速噴管等。噴管性能參數(shù)及優(yōu)化方法噴管性能參數(shù)包括推力、比沖和效率等，優(yōu)化方法包括改變噴管形狀、調(diào)整喉道面積和采用先進(jìn)的流動(dòng)控制技術(shù)等。一維等熵流動(dòng)基本方程一維等熵流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，同時(shí)滿足等熵條件。一維等熵流動(dòng)與噴管設(shè)計(jì)原理二維超聲速流動(dòng)基本特征01二維超聲速流動(dòng)具有強(qiáng)壓縮性、高動(dòng)壓和低靜壓等特點(diǎn)，流動(dòng)中可能出現(xiàn)激波、膨脹波和邊界層分離等現(xiàn)象。超聲速流動(dòng)的數(shù)值模擬方法02數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限元法和譜方法等，可用于分析和預(yù)測(cè)超聲速流動(dòng)的復(fù)雜現(xiàn)象。超聲速流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究手段03實(shí)驗(yàn)研究手段包括風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、激波管和膨脹管實(shí)驗(yàn)等，可用于驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。二維超聲速流動(dòng)簡(jiǎn)介PART06非牛頓流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介REPORTING本構(gòu)關(guān)系描述非牛頓流體應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的方程，不同于牛頓流體的線性關(guān)系，非牛頓流體呈現(xiàn)非線性特性。分類根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的不同，非牛頓流體可分為時(shí)變性非牛頓流體和率變性非牛頓流體兩大類。非牛頓流體本構(gòu)關(guān)系及分類聚合物溶液具有粘彈性，流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出剪切稀化或剪切稠化現(xiàn)象，粘度隨剪切速率變化。血液一種復(fù)雜的非牛頓流體，具有粘彈性和觸變性，其流動(dòng)行為受紅細(xì)胞變形、聚集和血漿粘度等因素影響。典型非牛頓流體（如聚合物溶液、血液等）特性分析在鉆井、完井和油氣開采過程中，非牛