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1、第三章 流体流动特性,Chapter 3Characteristics of Fluid Flow,2,3.1 流场及其描述方法3.2 流体流动的速度场3.3 流体微团的运动分析3.4 黏性流体的流动形态3.5 流体流动分类,3,3.1 流场及其描述方法,流场（ Flow Field ）欧拉方法（ Euler Method ）拉格朗日方法（ Lagrange Method ）,4,拉格朗日法跟随流体质点研究流体运动,5,3.2 流体流动的速度场,流体质点运动的加速度,6,当地加速度（Local Acceleration）迁移加速度（Convective Acceleration）,7,全导数当
2、地导数迁移导数例,8,迹线（Path Line） 流体质点的运动轨迹流线（Stream Line） 流线上任意点的切线代表流速方向定常流动时，迹线、流线重合流线一般不相交驻点奇点,9,Path line,10,Stream line,11,流线的表达,12,流管、流束,微元流管有效截面,13,流量 单位时间内流经某个表面的流体的量（质量流量、重量流量、体积流量）,平均流速,14,湿周水力半径Rh当量直径De,15,(1)矩形管道：(2)圆环形管道：(3)充满流体的管束：条件：矩形b8h, 圆环形截面d1/3D,16,3.3 流体微团的运动分析,速度分解定理,17,用数学分析导出Helmholt
3、z分解定理：一流体质点位于M0，在x方向的分速度为u0，其附近流体质点的分速度可写成,上式分别加、减 得：,18,二维流体微团运动分析,19,1、平移,A,A,20,2、旋转,A,B,B,C,C,21,其它方向的旋转角速度？涡量、速度、旋转角速度：,3、角变形,有旋流动与无旋流动,22,4、线变形,A,B,B,线变形速率,23,有旋流动的描述1、涡线在任一瞬时，涡线上每一点的切线与位于该点的流体微团的角速度的方向相合。所以，涡线也就是沿曲线各流体微团的瞬时转动轴线。类似于流线，涡线的微分方程：,24,2、涡管与涡束给定瞬时，在涡量场中任一不是涡线的封闭曲线, 通过封闭曲线上每一点作涡线, 这些
4、涡线形成一个管状表面, 称为涡管。 涡管中充满着作旋转流动的流体，称为涡束。3、涡通量 涡量，是速度的旋度，或2倍旋转角速度。,25,微元涡管的涡通量：,涡通量： 通过涡管横截面积的涡量与面积的积。,涡管的涡通量：,26,台风云系,27,鸣门海峡漩涡,28,3.4 黏性流体的流动状态,层流与湍流,29,雷诺实验（Reynolds, 1880）,30,1流速较低时，有一条明晰的细小的着色流束。这种流动状态称为层流(Laminar Flow)。2随着流速增大，着色流束开始振荡，逐渐与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管内。这种流动状态称为紊流或湍流(Turbulent Flow)。由层流过渡到湍流的
5、速度值称为上临界速度Vc。3在湍流状态逐渐降低管内流速，则当流速降低到Vc (Vc Vc)，使湍流又转变为层流， Vc称下临界速度。,31,雷诺准则临界雷诺数层流、湍流相互转变时的雷诺数实验结果表明： 不论流体的性质和管径如何变化，对于管内流动，下临界雷诺数Rec=2320，上临界雷诺数Rec=13800,32,当ReRec时，流动为湍流状态。 当Rec 2000，流动为紊流。,33,例：水在内径d=100mm的管中流动，流速V=0.5m/s，水的运动粘度=110-6 m2/s，试问水在管中呈何种流动状态？若设管中的流体是油，流速不变，但运动粘度=3110-6 m2/s，试问油在管中又呈何种流
6、动状态？,水流在管呈湍流状态。如果是油,因此油在管中呈层流状态。,34,木星大气湍流,35,3.5 流体流动分类,流动分类,36,定常流动非定常流动,37,对于某种随时间缓慢变化的流体流动，在较短时间间隔内，可以近似地把这种流动作为定常流动来处理。仍以孔口泄流为例，设容器的直径很大，出流小孔很小，则液面下降十分缓慢，泄流轨迹变化也很慢。对于这种流动，也可近似地当作定常流动。 确定为定常流动或非定常流动与坐标系的选择有关。例如，船在静止的水中等速直线行驶，船两侧的水流流动对于岸上的人看来（对于固定在岸上的坐标系而言）是非定常流动。但是，对于站在船上的人看来（对于固定在船上的坐标系而言），则是定常流动，相当于船不动，水流从远处以船行速度向船流过来。,38,一维、二维和三维流动依据空间坐标的维数来判断,39,40,41,本章作业,3-23-43-83-93-133-19,42,P-Q定理,
