流体流动的起因
流体流动基本原理
一、流体的基本性质 3.粘度
(1)牛顿粘性定律
du dy
物理意义：单位速度梯度上剪应力的大小。 总与速度梯度有关，因此，流体粘性是针对运动的流体而言。 单位：Pa.s 或 kg/m.s 或 P (2) 气体混合物粘度 1P=100cP=0.1Pa.s
V
1/ 2 y M i i i 1/ 2 y M i i
图b
2 2 uB uA 即 PA PB g ( Z A Z B ) h f缩 小 h f 阀 .....(6) 2g
d 2 2d 1
uB 2 u A
2 2 uB uA (6)式 右 边: h f缩 小 h f 阀 h f 阀 Rc Rb 2g
PA PB g( Z A Z B ) h f阀
2 A
2 B
图b
u 2
2
.......... .......... .......... ( 4)
压差计读数： PA gZ A PB g( Z B Rb ) 0 gRb PA PB g( Z A Z B ) ( 0 ) gRb .......... .......... (5)
输入质量速率－输出质量速率＝质量积累速率
即 mS1 mS 2
V
dV
① 对于稳定流动有： mS 1 mS 2 ρ1 A1u1 ρ2 A2u2 C
② 对于同种不压缩流体： A1u1 A2u2 C0
dm S ③ 对于不稳定流动： F - D d
二、流体流动的基本原理 2.能量衡算(通过对能量衡算得柏努力方程)
h f 1 2
l u2 2 gh d 1 / 2 Z1 Z 2 h h u( ) d 2g l
流体在管路中的流动
02
管路流动特性
管路流动模型
层流模型
流体在管路中以层叠的方式流动，流速较低，阻力 较小。
湍流模型
流体在管路中流动时，流速较高，流体内部存在复 杂的涡旋和混合，阻力较大。
过渡流模型
介于层流和湍流之间的流动状态，流速和阻力均处 于中间值。
管路中的压力与速度分布
压力分布
流体在管路中流动时，压力会随 着流速和阻力的变化而变化，通 常在管路进口处压力最大，出口 处压力最小。
80%
重力阻力
由于流体在管路中受到重力作用 而产生的阻力，与流体的高度和 密度有关。
管路流动的稳定性
流动稳定性是指流体在管路中流动时，保持流型和 速度分布不变的能力。
影响流动稳定性的因素包括流体的物理性质、管路 的几何形状和尺寸、以及操作条件等。
提高流动稳定性的方法包括改善管路的几何形状和 尺寸、减小流体受到的扰动、以及调整操作条件等 。
02
03
阀门
控制流体流动的方向、流 量和压力，是流体动力系 统中必不可少的控制元件。
泵和压缩机
将流体从低处输送到高处， 或对流体进行压缩，以满 足系统对流体压力和流量 的需求。
传感器
监测流体系统的运行状态， 如流量、压力、温度等参 数，为系统的控制提供数 据支持。
流体动力系统的能效分析
能效评估
维护与升级
局部阻力损失
流体在管路中遇到弯头、阀门、扩大或缩小等局部障碍时，由于流体的加速或 减速而产生的能量损失。
管路中的波动与振动
流体波动
由于流体内部压力、速度等因素的变化，导致流体在管路中产生周期性的波动， 如声波、水锤等。
管道振动
由于流体流动的不稳定性、外部激励等因素，导致管路产生振动，可能引起管道 疲劳、破裂等问题。
流体流动知识点总结归纳
流体流动知识点总结归纳流体力学是研究流体流动规律的一门学科，其研究对象涉及液体和气体的流动，包括流体的性质、流体流动的运动规律、流体的控制以及流体力学在工程和科学领域的应用等方面。
在这篇文章中，我们将对流体流动的一些基本知识点进行总结归纳，以便读者对这一领域有一个清晰的了解。
一、流体的性质1. 流体的定义流体是指那些易于变形，并且没有固定形状的物质。
流体包括液体和气体两种状态，其共同特点是具有流动性。
2. 流体的密度和压力流体的密度是指流体单位体积的质量，常用符号ρ表示。
流体的压力是指单位面积上受到的力的大小，它与流体的密度和流体所在深度有关。
3. 流体的黏性流体的黏性是指流体内部分子之间的相互作用力，黏性越大，流体的内部抵抗力越大，流动越不容易。
黏性会对流体的流动性能产生影响，需要在实际工程中进行考虑。
二、流体流动的基本原理1. 流体的叠加原理流体的叠加原理是指当多个流体同时流动时，它们的速度矢量叠加，得到合成的速度矢量。
这个原理在实际工程中有很多应用，例如飞机的空气动力学设计和水流的流体力学研究等。
2. 流体的连续性方程流体的连续性方程是描述流体在运动过程中质量守恒的基本方程，它表明流体在流动过程中质量的变化等于流入流出的质量之差。
3. 流体的动量方程流体的动量方程描述了流体在运动过程中动量守恒的基本原理，它表明流体在受到外力作用后所产生的加速度与外力的大小和方向有关。
4. 流体的能量方程流体的能量方程描述了流体在运动过程中能量守恒的基本原理，它表明流体在流动过程中所受到的压力和速度的变化与能量的转化和损失相关。
三、流体的流动类型1. 定常流动和非定常流动定常流动是指流体在任意一点上的流速和流量随时间不变的流动状态，而非定常流动则是指流体在不同时间点上的流速和流量随时间有变化的流动状态。
2. 层流流动和湍流流动层流流动是指流体在管道内流动时，各层流体之间的相互滑动，流态变化连续，流线互不交叉。
流体流动规律
流体流动规律
流体流动规律是研究流体运动规律的科学领域。
根据流体力学原理，流体在流动过程中遵循一些基本的规律，这些规律可以总结为以下几个方面：
1. 质量守恒定律：在流体流动过程中，流体的质量保持不变。
即流入单位时间内的质量等于流出单位时间内的质量。
2. 动量守恒定律：在没有外力作用的情况下，流体的动量保持不变。
动量是质量与速度的乘积，根据质量守恒定律和动量守恒定律可以推导出流体中哥万定理和伯努利定理等重要定律。
3. 能量守恒定律：在没有外界能量输入或输出的情况下，流体的总能量保持不变。
能量守恒定律可以用来解释流体流动的能量转化和能量损失等现象。
4. 流体的连续性方程：对一个不可压缩流体来说，流经管道中的流量保持不变，即进口流量等于出口流量。
对于可压缩流体来说，流量的连续性方程可以通过质量守恒定律和流体的状态方程推导得到。
5. 流体的雷诺数：流体的流动性质和流动状态可以通过雷诺数来描述。
雷诺数是流体的惯性力和粘性力的比值，可以用来判断流体的流动状态是层流还是湍流。
这些流体流动规律在工程领域、地球科学、大气科学和生物医学等各个领域中都有广泛的应用。
通过研究和理解这些规律，我们可以更好地预测和控制流体流动行为，从而为科学研究和工程实践提供重要的指导。
4流体流动基本原理
t0 t
t0 t
t 时刻的 系统边界
I
t+Δt 时刻的 系统边界
II III
固定的 控制体
t 时刻的流 线
16
于是，对于控制体所包括的流体系统，其质量变化 率可表述为：
(dm/dt)系统=
输出控制体 的质量流量
— 输入控制体 的质量流量
+
控制体内的 质量变化率
控制体净输出 的质量流量
t 时刻的 系统边界
t 时刻的 系统边界
固定的 控制体
t 时刻 的流线
12
起始时刻t，系统的边界与控制体表面相重合， 系统所占据的空间与控制体空间相重合。
在经过Δt的时间后，系统的边界移动到一个新的 位置，所占据的空间变为区域II和区域III，但控制 体空间是固定不动的，仍然是区域I和区域II。
t 时刻的 系统边界
t+Δt 时刻的 系统边界
+
控制体内的 质量变化率
=0
控制体净输出的质量流量
20
① 质量流量
→n
在流场中取一任意控制 体。设在微元面积dA上， 流体密度ρ，流体速度矢 量与微元面外法线单位矢 量n的夹→角为θ。
ρ
θ
→v
dA
任意时刻t 的流线
微元面上流体的法向速度为：
vcosθ=( v·n →) →
流体流过dA单位面积的质量
t 0
t
15
引入t+Δt时刻区域I的质量。于是上式得
(dm / dt)系统
lim mII |tt mIII |tt mI |t mII |t mI |tt mI |tt
t 0
t
lim (mII mI ) |tt (mII mI ) |t
流体的流动现象
F
若把上式写成等式，就需引进一个比例系数 ，即
F=
内摩擦力F与作用面S平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以 表示，于是上式可写成
(1—26)
式1—26只适用于u与y成直线关系的场合。当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是如图1—13所示的曲线关系，则式1—26应改写成
流体的流动现象
化工生产中的许多过程都与流体的流动现象密切相关，流动现象是极为复杂的问题，涉及面广。
1—3—1牛顿粘性定律与流体的粘度
一、牛顿粘性定律
前已述及，流体具有流动性，即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。另—方面，在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。
1-3-3流动类型与雷若准数
为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排如图1-15所示的实验.这个实验称为雷若实验.在水箱3内装有溢流装置6,以维持水位恒定.箱的底部接一段直径相同的水平玻璃管4,管出口处有阀门5以调节流量.水箱上方装有带颜色液体的小瓶1,有色液体可经过细管2注入玻璃管内.在水流经玻璃管过程中,同时把有色液体送到玻璃管入口以后的管中心位置上.
图1—14牛顿流体与非牛顿流体的流变图
a－牛顿型流体b－假塑型流体c－涨塑型流体d－宾汉塑型流体
流体的分类和特性，更多的内容可参阅有关方面的专著。.
根据流体的流变方程式或流变图，可将非牛顿型流体分类如下：
非牛顿型流体
以下按上述分类次序，扼要介绍各种流体。
一、与时间无关的粘性流体
传热学第五章对流换热
§5-1 §5-2 §5-3 §5-4 §5-5 §5-6 §5-7 §5-8
对流换热
Convective heat transfer
对流换热概说 对流换热的数学描写 对流换热边界层微分方程组 对流换热边界层积分方程组 相似理论与量纲分析 管内受迫流动 横向外掠圆管的对流换热 自然对流换热及实验关联式
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA） 连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒） 动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒） 能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组 先作假设： （1）仅考虑二维问题； （2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动； （3）常物性，无内热源； （4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。 以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定 律，对于这样一个开口系统，有：
同理：（） dτ qm hout − qm hin ≈ ρcp (
y
H y + dy − H y =
∂t ∂v ⋅ v + ⋅ t )dxdydτ ∂y ∂y
（qm h)out − (qm h)in ∴ ∂t ∂t ∂u ∂v = ρ c p (u + v )dxdy + ρ c p t ( + )dxdy ∂x ∂y ∂x ∂y ∂t ∂t = ρ c p (u + v )dxdy (d ) ∂x ∂y
1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的概念。
流体的运动知识点总结
流体的运动知识点总结1. 流体的性质流体是一种具有流动性的物质，它可以是液体或气体。
流体的主要性质包括压力、密度、粘性和表面张力等。
压力是流体分子作用在容器壁或其他物体上的力，通常用压强来表示。
在流体中，压力是均匀分布的，且大小和方向都与位置有关。
密度是指单位体积内流体的质量，通常用ρ来表示。
密度越大，流体分子之间的作用力越大，流体的流动速度越小。
粘性是流体内部分子之间的摩擦力，粘性越大，流体的粘性越高，流动速度越小。
表面张力是液体表面上分子所受的合力，使得液体表面呈现出薄膜状。
表面张力越大，液体表面越光滑，对浮力的影响也越大。
2. 流体的流动特性流体的流动包括定常流动和非定常流动两种，其中定常流动是指在某一位置和随时间不变的流动状态，非定常流动则是指流体在位置和时间上都是变化的流动状态。
在流体的流动中，流速、流量、雷诺数等是可以用来描述流体流动特性的重要参数。
流速是流体的单位时间内通过某一截面的速度，通常用v来表示。
流量是单位时间内通过某一截面的流体数量，通常用Q来表示。
雷诺数是描述流体流动状态的无量纲参数，一般表示为Re。
当雷诺数小于一定值时，流动属于层流；当雷诺数大于一定值时，流动属于湍流；而介于两者之间时，流动会发生转捩。
3. 流体的流动方程流体的流动可以通过流体力学方程组来描述，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程是根据质量守恒定律推导出来的，描述了流体在空间和时间上的质量变化情况。
动量守恒方程是由牛顿第二定律和动量守恒定律推导出来的，描述了流体在流动过程中受到的外力和流体内部压力、粘性力、引力等力的作用。
能量守恒方程是描述流体在流动过程中能量变化的方程，包括内能、动能和压力能等能量的变化。
4. 流体的流动类型流体的流动可以分为层流和湍流两种类型。
层流是指流体在管道内的流动状态呈现为顺序排列的层流结构，流速是均匀的，流动状态稳定。
湍流是指流体在管道内的流动状态混乱、不规则，流速会发生大范围的波动，流场结构复杂。
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a a(x,y,z,t)
p p(x,y,z,t)
u u(x, y, z,t) 当t=t0=常数，它便表示流场中 同一时刻各点的速度分布情况
当时间t变化时，流体质点将从某一点M0运动到另一点M， 也就是说质点的空间坐标也会随时间发生变化。由此可见，
x,y,z也是时间的函数，按复合函数求导原则，ux,uy,uz对 时间t求全导数，得：
流体动力学主要是研究运动参数（速度、 加速度等）随空间位置和时间的变化规律， 以及运动与力的关系
主要内容
▪基本概念 ▪连续性方程 ▪柏努利方程 ▪动量方程
主要内容：❖§3–1描述液体运动的两种方法 ❖§3–2恒定流动和非恒定流动 ❖§3–3流线和迹线
❖§3–4一元流动模型
❖§3–5恒定一元流的连续性方程式 ❖§3–6恒定元流能量方程 ❖§3–7过流断面的压强分布
t
uz
z t
z(a,b, c,t) t
液体质点在任意时刻的速度。
▪ 速度分量可写为
u u(a,b, c,t) x(a,b, c,t) t
v v(a,b, c,t) y(a,b, c,t) t
w w(a,b, c,t) z(a,b, c,t) t
▪ 加速度分量可写为
ax
ax (a,b, c,t)
❖§3–8恒定总流能量方程式
❖§3–9能量方程的应用举例
§3.1 流体运动的描述方法
一. 描述流体运动的困难
离散 质点系
流体
刚体
质点间 的约束
质点数
无 N个
弱 无穷
强 无穷
二. 描述流体运动的方法
拉格朗日法
着眼于流体质点，跟踪
跟踪 质点描述其运动历程
欧拉法
布哨
着眼于空间点，研究 质点流经空间各固定 点的运动特性
a，b，c，t 称为拉格朗日变数
z t
（t0） O M （a，b，c）
（x，y，z） x
y
x x(a,b, c,t) y y(a,b, c,t) z z(a,b, c,t)
若给定a，b，c，即为某一质点的 运动轨迹线方程。
x x(a,b, c,t)
ux t
t
y y(a,b, c,t)
uy t
ax
dux dt
ux t
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
ay
duy dt
u y t
ux
u y x
uy
u y y
uz
u y z
az
duz dt
uz t
ux
uz x
uy
uz y
uz
uz z
du dt
=
u t
+ (u )u
质
点
时变加速度
位变 加速度
加 速 度
由流速 不恒定 性引起
由流速不均 匀性引起
• 如果流场的空间分布不随时间变化，其欧拉表达式中将不显
含时间 t ，这样的流场称为恒定流。否则称为非恒定流。
• 欧拉法把流场的运动要素和物理量都用场的形式表达，为在
分析流体力学问题时直接运用场论的数学知识创造了便利条 件。
• 欧拉法是描述流体运
拉格朗日法
着重于流体质点
跟踪个别 流体质点
研究其位 移、速度、 加速度等随
时间的变 化情况
流场的 运动
综合流场中 所有流体质 点的运动
AB C
D
t2时刻
A D
BC
t1时刻
▪ 拉格朗日法 ——以研究单个液体质点的运 动过程作为基础，综合所有质点的运动， 构成整个液体的运动。
x x(a,b, c,t) y y(a,b, c,t) z z(a,b, c,t)
u t
2x(a,b, c,t) t 2
v 2 y(a,b, c,t)
ay ay (a,b, c,t) t
t 2
w 2z(a,b, c,t)
az az (a,b, c,t) t
t 2
拉 格朗 日法 的缺 陷
在使用拉格朗日法时必须找到 x(a,b,c,t); y(a,b,c,t); z(a,b,c,t)等 的函数形式，即跟踪每一个质点进 行研究。由于流体具有易流动性， 对每一个质点进行跟踪是十分困难 的。因此，除了在一些特殊情况 （波浪运动。水滴等的运动时）， 很少采用拉格朗日法。
流体流动的起因
2.强制流动：在流动的体系内,流体在外力或压差的作 用下所产生的流动称为强制流动。如在泵或风机所提 供的压力以及在喷射器所提供的喷射力作用下的流体 的流动都属于强制流动。 对于流体流动的分类，除按流体流动的起因分类 外，还有其它一些分类方法，如前已提到过的不可压 缩流体的流动和可压缩流体的流动；理想流体的流动 和粘性流体的流动； 以及以后我们将要学到的稳定流动和非稳定流动； 层流流动和紊流流动；有旋流动和无旋流动；亚音速 流动和超音速流动等。
分析某一空间位置转移到 另一位置，运动要素随位 置变化的规律
欧拉法并没有直接给定流体质点的运动轨迹
• 欧拉法是流场法，
它定义流体质点的速
度矢量场为：
u u(x, y, z,t)
(x,y,z) 是 空 间 点 （ 场 点）。流速 u 是在 t 时 刻占据(x,y,z) 的那个流
体质点的速度矢量。
• 流体的其它运动要素和物理特性也都可用相应的时间和空间欧Biblioteka 法着重于研究空间 固定点的情况
选定某一空 间固定点
记录其位 移、速度、 加速度等随
时间的变
化情况
综合流场中 许多空间点 随时间的变 化情况
流场的 运动
•分 析 流 动 空 间 某 固 定 位置处，流体运动要素 （速度、加速度）随时 间变化规律
同一流体质点 在不同时刻经 过空间不同点
不同时刻不同 的流体质点通 过空间某一点
流体流动的起因
1、浮力造成的自然流动 2、压差造成的强制流动
由不同的起因所造成的流体的流动过程具有不同的流 动特征。造成流体流动的原因可分为两大方面：一是由 浮力造成的，二是由外力或压差造成。根据流体流动的 起因不同，可将流体的流动分为自然流动和强制流动。
流体流动的起因
1.自然流动：在流体流动的体系内，因各部分流体的温度不同所 导致的密度不同而产生的浮力作用所造成的流动，称自然流动。 在某流体中，当流体的某一部分受热时，则会因温度的升高而 使其密度减小，此时，将在周围温度较低、密度较大的流体所 产生的浮力作用下产生上浮的流动；反之，则产生下降的流动。 流体的自然流动一般都是和热量的传递过程同时存在的，流体 流动的特征则直接和换热过程有关，流场的特征与换热的温度 场相互制约而并存。因此，自然流动中的动量交换过程一般来 说是较为复杂的。