流體力學(xué)流體動(dòng)力學(xué).ppt

1、,授課:陳禮 余華明 使用教材:制冷流體機(jī)械 ,流體動(dòng)力學(xué),工業(yè)生產(chǎn)中，流體常處于流動(dòng)狀態(tài)。研究和解決生產(chǎn)、科研、生活中的流體運(yùn)動(dòng)問題就是流體力學(xué)的任務(wù)。 流體力學(xué)是研究流體宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，主要研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，流體之間或流體與固體相互作用力，及流動(dòng)過程中動(dòng)量、能量和質(zhì)量的傳輸規(guī)律等。,第一節(jié) 基本概念,一、流場(chǎng)與流速場(chǎng) 1、流場(chǎng)概念:流體流動(dòng)的空間 2、流速場(chǎng)：定義為在任一瞬時(shí)由空間點(diǎn)上速度矢量構(gòu)成的場(chǎng)，又稱速度分布。 在直角坐標(biāo)系中速度分布的分量式為,一、流場(chǎng)與流速場(chǎng) 3、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流 穩(wěn)定流動(dòng)定義為流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)，否則稱非穩(wěn)定流動(dòng)。,a為速度恒定，代表穩(wěn)定流； b為

2、速度作小幅變化，可近似為穩(wěn)定流； c為周期性諧波脈動(dòng)流（正弦波）； d為周期性非諧波脈動(dòng)流（生理波）； e為非周期性脈動(dòng)流（衰減波）； f為隨機(jī)流動(dòng)（湍流）。,3、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流,一、流場(chǎng)與流速場(chǎng) 4、描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法 拉格朗日法和歐拉法。 比喻：城市公共交通部門采用兩種方法統(tǒng)計(jì)客運(yùn)量。 在每一輛公交車上設(shè)記錄員，記錄每輛車在不同時(shí)刻（站點(diǎn)）上下車人數(shù)，此法稱為隨體法；即拉格郎日法 在每一站點(diǎn)設(shè)記錄員，記錄不同時(shí)刻經(jīng)過該站點(diǎn)的車輛上下車人數(shù)，此法稱為當(dāng)?shù)胤?。即歐拉法。,二、流線和跡線 1、流線的定義 流線（stream line）是表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流動(dòng)趨勢(shì)的曲線，曲線上任一點(diǎn)的切線

3、方向與該點(diǎn)的流速方向重合 2、跡線的定義 跡線(path line)某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡線。,三、一、二、三元流動(dòng) 一元流 (one-dimensional flow 二維流動(dòng),三、一、二、三元流動(dòng) 三維流動(dòng) 很多流動(dòng)，特別時(shí)管內(nèi)流動(dòng)都可視為一元流，它是本章重點(diǎn)討論對(duì)象。,四、流量與平均流速 1、過水?dāng)嗝娴母拍?2、體積/質(zhì)量流量定義為單位時(shí)間內(nèi)流過一假想曲面的體積/質(zhì)量。 體積流量（m3/s）： 質(zhì)量流量（kg/s）： 3、斷面平均流速u 總流過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的流速是不相同的，所以常采用一個(gè)平均值來代替各點(diǎn)的實(shí)際流速，稱斷面平均流速u。,五、漸變流與急變流、均勻流與非均勻流的概念 1

4、、如流動(dòng)變化緩慢，流線的曲率很小接近平行，過流斷面上的壓力基本上是靜壓分布者為漸變流(gradually varied flow)，否則為急變流。 2、均勻流流線是平行直線的流動(dòng) 非均勻流流線不是平行直線的流動(dòng),練習(xí),問題1：恒定流是： A、流動(dòng)隨時(shí)間按一定規(guī)律變化； B、流場(chǎng)中任意空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化； C、各過流斷面的速度分布相同； D、各過流斷面的壓強(qiáng)相同。 問題2：何謂均勻流及非均勻流？以上分類與過流斷面上流速分布是否均勻有無關(guān)系？,問題3：何謂漸變流，漸變流有哪些重要性質(zhì)？ 問題4：一元流動(dòng)是： A、均勻流； B、速度分布按直線變化； C、運(yùn)動(dòng)參數(shù)是一個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間變量的函

5、數(shù)； D、限于直線流動(dòng)。,問題5：實(shí)際水流中存在流線嗎？引入流線概念的意義何在？ 問題6：只有當(dāng)過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的實(shí)際流速均相等時(shí)，水流才是均勻流”，該說法是否正確？為什么？,問題7：歐拉法、拉格朗日方法各以什么作為其研究對(duì)象？對(duì)于工程來說，哪種方法是可行的？ 問題8：在什么流中，流線與跡線重合。 問題9：判斷：在均勻流中，任一過水?dāng)嗝嫔系牧黧w動(dòng)壓強(qiáng)呈靜壓強(qiáng)分布特征 問題10：判斷：均勻流過水?dāng)嗝媸且黄矫?，漸變流過水?dāng)嗝娼破矫妗?問題11：在靜止流體中，各點(diǎn)的測(cè)壓管水頭是否相等？在流動(dòng)流體中？,問題12：想一想：為什么在總流分析法中需引入斷面平均流速？ 問題13：判斷：漸變流任意兩個(gè)過水?dāng)嗝娴?/p>

6、 問題14：一等直徑水管，A-A為過流斷面，B-B為水平面，1,2,3,4為面上各點(diǎn)，各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)物理量有以下關(guān)系：,問題15:判斷：靜水壓強(qiáng)可以用測(cè)壓管來測(cè)量，而動(dòng)水壓強(qiáng)則不能用測(cè)壓管來測(cè)量。 問題16：?jiǎn)栴}1：實(shí)際流體在等直管道中流動(dòng)，在過流斷面1，2上有A，B，C點(diǎn)，則下面關(guān)系式成立的是：,問題17:如圖所示管路系統(tǒng)中流體作實(shí)際運(yùn)動(dòng)，恒定。圓管等直徑，則下述判斷正確的是： A.該管路系統(tǒng)上點(diǎn)3和5的測(cè)壓管水頭相等； C.該管路系統(tǒng)上點(diǎn)1的動(dòng)水壓強(qiáng)p1=g水h1； B.該管路系統(tǒng)上點(diǎn)7的測(cè)壓管水頭大于6點(diǎn)的測(cè)壓管水頭； D.該管路系統(tǒng)上點(diǎn)2和8的動(dòng)水壓強(qiáng)p1=p8=pa。,第二節(jié) 流體動(dòng)力學(xué)

7、基本方程,一、不可壓縮流的連續(xù)性方程 1、對(duì)于不可壓縮流體有：=const 物理意義：對(duì)于不可壓縮流體，斷面平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e成反比，即流線密集的地方流速大，而流線疏展的地方流速小。適用范圍：固定邊界內(nèi)的不可壓縮流體，包括恒定流、非恒定流、理想流體、實(shí)際流體。,一、不可壓縮流的連續(xù)性方程 2、分叉流的總流連續(xù)性方程 問題：變直徑管的直徑d1=320mm，d2=160mm， 流速1=1.5m/s，2為： A.3m/s； B.4m/s； C.6m/s； D.9m/s。,二、穩(wěn)定流能量方程 1、實(shí)際流體恒定總流的能量方程 問題：水平放置的漸擴(kuò)管如圖所示，如忽略水頭損失，斷面形心點(diǎn)的壓強(qiáng)有以下關(guān)系

8、： A.p1p2； B.p1=p2 ； C.p1p2； D.不定。,二、穩(wěn)定流能量方程 問題：能量方程中 表示： A.單位重量流體具有的機(jī)械能； B.單位質(zhì)量流體具有的機(jī)械能； C.單位體積流體具有的機(jī)械能； D.通過過流斷面單位重量流體的總機(jī)械能。,二、穩(wěn)定流能量方程 問題：能量方程中 表示： A.單位重量流體具有的機(jī)械能； B.單位質(zhì)量流體具有的機(jī)械能； C.單位體積流體具有的機(jī)械能； D.通過過流斷面單位重量流體的總機(jī)械能。 判斷：在位置高度相同，管徑相同的同一管道的兩斷面上，其勢(shì)能、動(dòng)能都相等。 判斷：運(yùn)動(dòng)水流的測(cè)壓管水頭線可以沿程上升，也可以沿程下降。,二、穩(wěn)定流能量方程 2.總流能

9、量方程在推導(dǎo)過程中的限制條件 1）恒定流；2）不可壓縮流體；3）質(zhì)量力只有重力；4）所選取的兩過水?dāng)嗝姹仨毷菨u變流斷面，但兩過水?dāng)嗝骈g可以是急變流。5）總流的流量沿程不變。6）兩過水?dāng)嗝骈g除了水頭損失以外，總流沒有能量的輸入或輸出。7）式中各項(xiàng)均為單位重流體的平均能（比能），對(duì)流體總重的能量方程應(yīng)各項(xiàng)乘以gQ，即,二、穩(wěn)定流能量方程 3.水頭概念及串、水頭線的繪制 速度、壓力、測(cè)壓管、總水頭概念及表達(dá)式。 注意： 1.理想流動(dòng)流體的總水頭線為水平線； 2.實(shí)際流動(dòng)流體的總水頭線恒為下降曲線； 3.測(cè)壓管水頭線可升、可降、可水平。 4.若是均勻流，則總水頭線平行于測(cè)壓管水頭線，即J=JP。 5.

10、總水頭線和測(cè)壓管水頭線之間的距離為相應(yīng)段的流速水頭。,二、穩(wěn)定流能量方程 3.水頭概念及串、水頭線的繪制 速度、壓力、測(cè)壓管、總水頭概念及表達(dá)式。 不同固體邊界下的水頭線：,二、穩(wěn)定流能量方程 3.水頭概念及水頭線的繪制 注：出口為自由出流時(shí)，P-P線末端應(yīng)落在出口斷面的管軸線上。,不同出口流速時(shí)的水頭： 下游水池流速為零 下游水池流速不為零 即管道出口處的測(cè)管水頭線、總水頭線與下游水位持平。 即管道出口處的總水頭線高 于下游水位。,問題1.拿兩張薄紙，平行提在手中，當(dāng)用嘴順紙間縫隙吹氣時(shí)，問薄紙是不動(dòng)、靠攏、還是張開？為什么？ 問題2：在應(yīng)用恒定總流的能量方程，可選用圖中的那幾個(gè)斷面，作為計(jì)

11、算過水?dāng)嗝妗?A.1，2，3，4，5； B.1，3，5； C.2，4； D.2，3，4。 問題3：粘性流體總水頭線沿程的變化是： A.沿程下降；B.沿程上升；C.保持水平；D.前三種情況都有可能。 問題4：粘性流體測(cè)壓管水頭線的沿程變化是： A.沿程下降；B.沿程上升；C.保持水平；D.前三種情況都有可能。,問題5.問題：設(shè)有一水平壓力管流，當(dāng)不考慮水頭損失的影響時(shí)，其測(cè)壓管水頭線沿程下降、上升或水平的條件各是怎樣的？,二、穩(wěn)定流能量方程 3.能量方程的解題步驟 三選一列 1.選擇基準(zhǔn)面:基準(zhǔn)面可任意選定，但應(yīng)以簡(jiǎn)化計(jì)算為原則。例如選過水?dāng)嗝嫘涡模▃=0），或選自由液面（p=0）等。 2.選擇

12、計(jì)算斷面：計(jì)算斷面應(yīng)選擇均勻流斷面或漸變流斷面，并且應(yīng)選取已知量盡量多的斷面。 3.選擇計(jì)算點(diǎn)：管流通常選在管軸上，明渠流通常選在自由液面。對(duì)同一個(gè)方程，必須采用相同的壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)。 4.列能量方程解題 注意與連續(xù)性方程的聯(lián)合使用。,例題1 例題2 例題3,想一想：右圖中，過水?dāng)嗝嫔系膭?dòng)壓強(qiáng)分布符合靜壓強(qiáng)分布規(guī)律的為： 直管處 還是彎管處 判斷：當(dāng)流速分布比較均勻時(shí)，則動(dòng)量修正系數(shù)越接近于零。 判斷：測(cè)壓管水頭線若低于管軸心，則該處水流一定處于真空狀態(tài)。,三、氣體能量方程 氣體是可壓縮流體，但是對(duì)流速不很大（u60m/s）壓強(qiáng)變化不大的系統(tǒng)，如工業(yè)通風(fēng)管道、煙道等，氣流在運(yùn)動(dòng)過程中密度的變化很小，

13、在這樣的條件下，伯努利方程仍可用于氣流。由于氣流的密部空氣的密度是相同的數(shù)量級(jí)，在用相對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要考慮外部大氣壓在不同高度的差值。,三、氣體能量方程,設(shè)恒定氣流如圖，氣流的密度為，外部空氣的密度為a 這里p1，p2稱為靜壓； 稱為動(dòng)壓。（a-）g為單位體積氣體所受有效浮力，（z2-z1）為氣體沿浮力方向升高的距離，乘積（a-）g（z2-z1）為1-1斷面相對(duì)于2-2斷面單位體積氣體的位能，稱為位壓。,當(dāng)氣流的密度和外界空氣的密度相同a=，或兩計(jì)算點(diǎn)的高度相同z2=z1時(shí)，位壓項(xiàng)為零，式簡(jiǎn)化為,例題,1.畢托管測(cè)速 當(dāng)水流受到迎面物體的阻礙，被迫向兩邊（或四周）分流時(shí)，在物體表面上受水流頂沖的A點(diǎn)流速等于零，稱為滯止點(diǎn)（或駐點(diǎn)）。在滯止點(diǎn)處水流的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為壓能。畢托管就是利用這個(gè)原理制成的一種量測(cè)流速的儀器。 想一想：畢托管通常用來測(cè)量什么水頭，而測(cè)壓管所測(cè)量的是什么水頭，兩者之差為什么水頭。,2.文丘里流量計(jì) 為確定管道流