同济_流体力学_第三章__流体运动学基础.ppt

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1、流体力学 汽车学院 第三章流体运动学基础 同济大学TongjiUniversity 上海地面交通工具风洞中心ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter 第三章流体运动学 第三章作业 3 1 3 2 3 3 3 6 3 7 3 8 3 13 3 16 第八周交第三章作业 目录 绪论第一章流体及其主要物理性质第二章流体静力学第三章流体运动学基础第四章流体动力学基础第五章相似原理和量纲分析第六章理想流体不可压缩流体的定常流动第七章粘性流体流动第八章定常一元可压缩气流第九章计算流体力学 1 流体运动的数学描述方法和几何描述方法 2 对流体运动进行分类 3 流体微团的运动和变形

2、 不涉及运动变化的原因 即力的作用 只研究其运动过程 第三章流体运动学 1描述流体运动方法 2流场的几何描述 3流动的分类 4流体微团的运动分析 1描述流体运动方法 在第一章中已定义了连续介质模型 组成流体的最小物理实体是流体质点而不是流体分子 即 流体是由无穷多个 无穷小的 紧密毗邻 连绵不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质 a 流体质点的宏观尺寸非常小 b 流体质点的微观尺寸足够大 c 流体质点是包含有足够多分子在内的一个物理实体 具有一定的宏观物理量 如 具有质量 密度 温度 压强 还具有速度 加速度 动量 动能等等d 流体质点的形状可以任意划定 流体质点的四个特点 对这些量的描

3、述就着眼于质点和质点通过的空间点 两种描述流体运动的观点和方法 1描述流体运动方法 描述流体流动的方法有两种 1 拉格朗日法2 欧拉法 拉格朗日法是利用质点在任意时刻的坐标位置来确定质点的运动轨迹流 要研究整个流体流动就必须着眼于每一个流体质点的研究 综合所有流体质点的运动后便可得到整个流体的运动规律 1描述流体运动方法 拉格朗日法选取初始时刻 以每一个质点的初始坐标作为标记 用的不同值区分不同的质点 1 拉格朗日法 1描述流体运动方法 流体质点的坐标可以表示为时间及初始位置的函数 即 叫拉格朗日变数 用位置矢量描述 用直角坐标描述 1描述流体运动方法 流体质点的坐标 流体质点的速度 流体质点

4、的加速度 流体质点的其它物理量 1描述流体运动方法 2 欧拉法 欧拉法着眼于研究空间固定点的流动情况 即研究流体质点经过某一空间点的速度 压强 密度等变化的规律 将许多空间点在不同时刻的流体质点的运动情况记录下来 就可以知道整个流体的运动规律 显然 欧拉法不研究个别流体质点的运动规律 对于流体质点从哪里来 又流到何处去 并不加以研究 因此 欧拉法不能直接给定流体质点的运动轨迹 但很容易测出不同时刻经过该点的质点速度 所以 欧拉法用速度矢量描述空间点上流体运动的变化 1描述流体运动方法 欧拉法描述速度 密度 温度等物理量时 这些物理量都是空间和时间的函数 和空间区域有关 可以用场论的知识进行分析

5、 所以 可以将这些物理量在空间的分布用场的概念进行描述 就形成速度场 密度场 温度场等 在解决工程实际问题时 通常只要知道速度场 压力场等物理量的场就可以圆满解决这些问题 所以 欧拉法在流体力学研究中得到广泛的应用 1描述流体运动方法 3 物理量的质点导数 物质导数 运动中的流体质点所具有的物理量 例如速度 压强 密度 温度 质量 动量 动能等 对时间的变化率为物理量的质点导数 随体导数或物质导数 按照该公式 拉格朗日法和欧拉法描述的结果是不同的 P45 1描述流体运动方法 流体质点在瞬时从某一空间点以瞬时速度携带某个物理量在流场中流动 经过时间 质点到达点 由于流场的非定常性和非均匀性 质点

6、所具有的物理量在运动中不仅经历了时间的变化 而且也经历了空间 的变化 欧拉法中的描述方法 P45 1描述流体运动方法 这种空间的变化量即与质点的位移有关 也与时间有关 故流体质点所具有的物理量是的复合函数 必须按多元复合函数求导法求物理量的质点导数 1描述流体运动方法 2 项为当地导数 局部导数或时变导数 它代表质点在没有空间变位时 物理量在某一空间点上对时间的变化率 反映流场的非定常性 1描述流体运动方法 讨论 1 物理量的质点导数有两部分组成 3 项为位变导数 对流导数或迁移导数 它代表质点经过时间处于不同位置时 物理量对时间的变化率 反映流场的非均匀性 1描述流体运动方法 4 各物理量的

7、随体导数 压强变化 密度变化 加速度 温度变化 不可压缩流体的数学表示 不可压缩流体 均匀密度场 随时间变化的均匀密度场 定常均匀密度场 密度不随空间坐标变化 也不是时间的函数 密度为常数 1描述流体运动方法 1描述流体运动方法 不适合描述流体微元的运动变形特性适合描述流体微元的运动变形特性 拉格朗日法欧拉法 3 两种描述流动的方法之比较 分别描述有限质点的轨迹同时描述所有质点的瞬时参数 表达式复杂表达式简单 不能直接反映参数的空间分布直接反映参数的空间分布 拉格朗日观点是重要的流体力学最常用的解析方法 跟踪 跟踪追击 布哨 守株待兔 例1 由速度分布求质点轨迹 求 在t 0时刻位于点 a b

8、 的流体质点的运动轨迹 求解一阶常微分方程 a 可得 已知 已知用欧拉法表示的流场速度分布规律为 a b 上式中c1 c2为积分常数 由t 0时刻流体质点位于 可确定 代入 b 式 可得参数形式的流体质点轨迹方程为 第三章流体运动学 1描述流体运动方法 2流场的几何描述 3流动的分类 4流体微团的运动分析 2流场的几何描述 一 迹线 流线与染色线 1 迹线 流体质点的运动轨迹称为迹线 这在拉格朗日研究法中运用 2 流线 在欧拉法中流线是流场中的瞬时光滑曲线 曲线上各点的切线方向与各该点的瞬时速度方向一致 迹线方程 2流场的几何描述 3 流线微分方程 设某一点上的质点瞬时速度为 流线上的微元段矢

9、量为 根据流线定义 速度矢量与流线相切 即速度矢量与流线上的微元段矢量方向一致 它们的矢性积为零 写成投影式 则 2流场的几何描述 a 流线与迹线的共同点是 它们都是与速度相切的曲线 但流线是同一瞬时 不同质点所形成的曲线 迹线是同一质点在不同瞬时所经过的位置的轨迹 b 在给定瞬时空间一个点只能作一条流线 因为在同一点上不可能同时有几个流动方向 所以流线不能相交 也不能突然折转 4 流线与迹线的性质 2流场的几何描述 c 定常流动时 流线的形状始终不变 与时间无关 任意流体质点必定沿某一确定的流线运动 其迹线和流线相重合 e 在一条流线或一条迹线上只能得到各质点的速度方向 无法知道其速度的大小

10、 f 流场中的流线是不可能中断的 而流场中的迹线可以是有起点和终点的 d 非定常流动时 流线的形状始终在变化 与时间有关 流场内通过任意一点的流线在不同时刻可能有不同形状 即不存在始终和迹线相重合的流线 2流场的几何描述 5 染色线 定义 在一段时间内相继通过某空间点的质点在某一瞬时的连线 又称脉线 烟线或条纹线 实验室中为了能直接观察流场结构 会用有色液体或烟 不断注入流体或气体中形成染色线 观察流场结构和特点 1 不是迹线 也不是流线2 它是一段时间内相继流过同一空间点的指点在某瞬时的连线 也是同一时刻不同流体质点的连线3 定常流动时 迹线 流线和染色线重合 4 非定常流动时 迹线 流线和

11、染色线不重合 流管 流线围成的管子 因为流动速度总是与流线相切 流体是不能穿越流管流进或流出 2流场的几何描述 二 流管 流束和总流 2流场的几何描述 缓变流与急变流 流束内流线间的夹角很小 流线曲率很大 近乎平行直线的流动为缓变流 不符合上述条件的流动成为急变流 4流管与流量 三 流面 流管 流束 微元流与总流 a 流面与流管通过流场中任意一条曲线上各点的所有流线形成的曲面成为流面 通过一封闭曲线上各点的流线所构成管状表面称为流管 因为流动速度总是与流线相切 流体是不能穿越流管流进或流出 b 流束流管内部流动的流体称为流束 流管内与流束相垂直的流管截面称为有效过流截面 c 微元流与总流流管横

12、截面无限小 流管横截面上的物理量为均匀 此为微元流管 此流管中的流束称为微元流 有限截面的流管和流束的流动称为总流 4流管与流量 四 过流断面 湿周 水力半径和当量直径 水力半径 总流过流断面面积与湿周之比 过流断面 与所有流线都相互垂直的横断面 湿周 总流过流断面上与流体相接触的固体边壁周长 当量直径 总流过流断面面积的4倍与湿周之比 4流管与流量 五 流量 断面平均流速 流量 单位时间内流经某一截面的流体量称为该截面的流量 流管中有效截面的体积流量计算公式 流量分为体积流量 质量流量和重量流量 计算流经任意曲面的流量时 必须将速度在截面法线上的分量乘以微元面积 然后积分之 其计算公式如下

13、平均流速流经有效截面时的流量 第三章流体运动学 1描述流体运动方法 2流场的几何描述 3流动的分类 4流体微团的运动分析 3流动的分类 为了便于研究流体流动 可将流体流动分类如下 1 按流体性质分类理想流体流动和粘性流体流动可压缩流体流动与不可压缩流体流动2 按流体运动状态分类定常流动和非定常流动 有旋流动和无旋流动 层流流动和紊流流动 亚声速流动和超声速流动3 按流动空间的坐标变量数分类一维流动 二维流动 三维流动 A 速度场 速度场是最基本的场 可用速度廓线 剖面 描述空间线或面上的速度分布 二维速度剖面 速度分量 三维速度廓线 一维速度剖面 B 一维 二维与三维流动 1 流动维数的确定

14、三维流动 速度场必须表示为三个方向坐标的函数 二维流动 速度场简化为二个空间坐标的函数 一维流动 速度场可表示为一个方向坐标的函数 2 常用的流动简化形式 1 二维流动 平面流动 轴对称流动 2 一维流动 质点沿曲线的流动v v s 流体沿管道的平均速度v v s C 定常与不定常流动 a 定常流动 b 准定常流动 c 周期性谐波脉动流 d 周期性非谐波脉动流 生理波 e 非周期性脉动流 衰减波 f 随机流动 湍流 D 层流与湍流 2 雷诺数 V流速 d特征长度 流体密度 粘度 圆管临界雷诺数 E 内流与外流 管道流 不可压缩流体 喷管流 可压缩流体 明渠流 流体机械 内流 粘性边界层 外部势

15、流 外流 能量守恒定律 热力学第一定律 质量守恒定律 动量定律 牛顿第二定律 基本的物理定律 微元体与系统 控制体分析法 微分与积分分析法 量纲分析法 基本的分析方法 第三章流体运动学 1描述流体运动方法 2流场的几何描述 3流动的分类 4流体微团的运动分析 5流体微团的运动分析 1 平移运动2 线变形运动3 角变形运动4 旋转运动 流体微团运动的分析 刚体运动一般可分解为移动和转动两部分 而流体微团的运动一般可以分解为平动 线变形 旋转和角变形 P49 5流体微团的运动分析 平动速度分量 线性变形率 也叫相对伸长率 由P49 P53的推导 可以得到 由此带来的体积变化 相对体积膨胀率 相对伸

16、长率 总相对体积膨胀率 在场论中称为速度的散度 角变形速度变形率 旋转角速度 5流体微团的运动分析 粘性流体内 切应力与角变形率有关 切应力会引起流体微团的变形 流体微团的角速度矢量为 用场论的表示方法 由此可见 流体微团各速度分量的第一项是平移速度分量 第二是线变形运动 第三项是角变形运动 第四项是旋转运动 流体运动的线速度就是由以上各项分量所引起的 5流体微团的运动分析 涡通量 速度环量 5流体微团的运动分析 速度分量式中各项的物理意义 线性变形率 1 速度表达式中的物理意义 表示平移运动部分的速度 2 各运动方向上的速度偏导数的物理意义 表示线性变形运动部分的速度梯度 线性变形率 表示速度组成中有旋转运动的速度 5流体微团的运动分析 3 沿运动的法向速度偏导数等的物理意义 5流体微团的运动分析 根据流体微团是否有旋转可以将流体流动分为两大类型 1 流体微团的旋转角速度不等于零的流动称为有旋流动 2 流体微团的旋转角速度等于零的流动称为无旋流动 在无旋流动中角速度为零 即所以每一流体微团都满足下列条件 必须指出 有旋流动和无旋流动仅有流体微团本身是否发生旋转来决定 而与流体微团本身