流体力学流体运动基本原理
流体力学在生活中的应用和原理
流体力学在生活中的应用和原理1. 简介流体力学是研究流体运动的力学学科，它涉及了各个方面的科学与工程领域，从大自然的河流和海洋到我们生活中的水龙头和空气流动等等都与流体力学相关。
本文将重点介绍流体力学在生活中的应用和原理。
2. 流体力学的基本原理流体力学主要研究流体的运动和受力情况，其基本原理包括以下几个方面：(1) 亨利定律亨利定律是流体力学的基本定律之一，它描述了埋在液体中的物体所受的浮力等于它排开的液体的重力。
这个原理可以解释我们在水中浮起来的原因。
(2) 科氏定律科氏定律是描述在液体中流动的物体所受到的科氏力的定律。
科氏力与流体的速度和密度相关，它可以帮助我们理解物体在水中运动时所受的阻力和压力。
(3) 费曼定律费曼定律是描述在液体流动中的能量守恒定律，它指出在流体中的任何一点，流体的总能量保持恒定。
这个原理可以帮助我们解释流体在管道中的压力变化和能量转换。
3. 流体力学在生活中的应用流体力学在我们日常生活中有很多实际应用，以下是一些典型的例子：(1) 水力学水力学是研究液体在静止和流动状态下的运动规律的学科。
它在水力工程中有广泛的应用，例如水坝的设计、水流的控制和下水道的建设等。
水力学还被应用于生活中的给水系统、下水道和排水系统的设计与管理，确保城市的供水和排水系统正常运行。
(2) 空气动力学空气动力学是研究空气运动规律的学科，它在航空工程和汽车设计等领域有重要应用。
通过空气动力学的研究，可以改善飞机和汽车的气动性能，减小飞机和汽车的阻力，提高其运行效率。
(3) 管道流动在石油工业和化工工程中，流体力学被广泛应用于管道流动问题的研究和设计。
通过流体力学的分析，可以确定管道的直径和长度，优化管道网络的结构，提高物质输送的效率和安全性。
(4) 气象学气象学是研究大气中各种现象和气候系统的科学，流体力学是研究大气流动的重要基础。
通过流体力学的原理，可以解释大气中的气旋、风向和气压等现象，为气象预报和气候变化研究提供了基础。
流体力学课件 第3章流体运动的基本原理
u u (x, y,z, t )
17
二、流场描述
1、迹线：某一质点在某一时段内的运动轨迹曲线。
例： 烟火、火箭、流星、子弹等轨迹线。。。。。
（1）拉格朗日法迹线方程
x x（a，b，c，t） y y（a，b，c，t）
z z（a，b，c，t）
消去参数t并给定（a，b，c）即得相应质点的迹线方 程。
说明：
*（a,b,c）=const, t为变数，可得某个指定质点在任意时刻
所处的位臵，上式即迹线方程； *（a,b,c）为变数,对应时刻 t可以得出某一瞬间不同质点 在空间的分布情况。
3、拉格朗日法的速度与加速度方程
（ 1） 流速方 程
x ux ； t y uy ； t z uz t 均为（a，b，c，t）的函数。
第三章 流体运动的基本原理
静止只是流体的一种特殊的存在形态，运动 或流动是流体更为普遍的存在形态，也更能反映 流体的本质特征。 本章主要讨论流体的运动特征（速度、加速 度等）和流体运动的描述方法，流体连续性方程、 动量守恒及能量守恒方程是研究流体运动的基础。
1
第一节、流体运动的描述方法
一、拉格朗日法（lj）
18
（2）欧拉法迹线方程 若质点P在时间dt内从A点运
Z
A
B
动到B点，则质点移动速度为：
u dr dt
O
Y
得迹线方程:
dx dy dz dt ux uy uz
2、流线
表示某一瞬时流体各点流动 趋势的曲线，其上任一点的切线 方向与该点流速方向重合。即同 一时刻不同质点的速度方向线。
根据行列式的性质，有：
22
流线微分方程
dx dy dz u x u y uz
流体力学的三大实验原理
流体力学的三大实验原理流体力学是研究流体运动和流体力学性质的学科，是物理学的一个重要分支。
在流体力学的研究中，实验是一种重要的方法，通过实验可以观察流体的行为，并验证理论模型的有效性。
以下将介绍流体力学的三大实验原理。
第一大实验原理是质量守恒定律，也称为连续性方程。
它表达了在流体中质量的守恒性质，即单位时间内通过某一截面的质量流量保持不变。
具体而言，对于稳定不可压缩流体，该方程可以表示为：∮ρv·dA = 0其中，∮表示对闭合曲面取积分，ρ是流体的密度，v是流体的速度，dA是曲面的面积元素。
该方程说明了流体在运动过程中质量的连续性，即入口处的质量流量等于出口处的质量流量。
通过实验可以验证这一原理，例如使用水流经过一个管道，在入口处和出口处分别测量流体的质量流量，验证质量守恒定律的成立。
第二大实验原理是动量守恒定律，也称为动量方程。
动量守恒定律表达了流体中动量的守恒性质，即单位时间内通过某一截面的动量流量保持不变。
对于稳定不可压缩流体，动量守恒定律可以表示为：∮(ρv⋅v)·dA = -∮pdA + ∮τ·dA + ∮ρg·dV其中，p是流体的压强，τ是流体的切应力，g是重力加速度，dV是体积元素。
该方程说明了流体在运动过程中动量的守恒性，即流体的动量增加或减少必然伴随着外力的作用或者压强的变化。
通过实验可以验证动量守恒定律，例如通过测量流体经过一个管道时的压强变化以及受到的外力，验证动量守恒定律的成立。
第三大实验原理是能量守恒定律，也称为能量方程。
能量守恒定律表达了流体中能量的守恒性质，即单位时间内通过某一截面的能量流量保持不变。
对于稳定不可压缩流体，能量守恒定律可以表示为：∮(ρv⋅v+pg)·dA = ∮(τ⋅v)·dA + ∮q·dA + ∮ρg·h·dA其中，q是流体的热流量，h是流体的高度。
该方程说明了流体在运动过程中能量的守恒性，即流体的能量增加或减少必然伴随着外界对流体的做功或者热量的输入。
工程流体力学的基本原理与应用
工程流体力学的基本原理与应用工程流体力学是研究液体和气体在静力学和动力学条件下的行为的学科。
它主要涉及流体的力学性质、运动规律以及它们在工程领域中的应用。
本文将从基本原理和应用两个方面来探讨工程流体力学的相关内容。
一、基本原理1. 流体的基本特性流体力学研究的对象是流体，流体包括液体和气体。
与固体不同，流体具有自由流动的性质。
流体具有自由度高、形状可变、受力传递范围广的特点。
2. 流体静力学流体静力学研究的是液体和气体在静止状态下的力学性质。
根据帕斯卡定律，液体和气体在封闭的容器中均能均匀传递压力。
此外，液体的静力学基本性质还包括压力、密度、浮力等。
3. 流体流动的基本方程流体流动的基本方程包括连续方程、动量方程和能量方程。
连续方程描述了质量守恒原理，即单位时间内流入控制体的质量等于单位时间内流出控制体的质量。
动量方程描述了流体运动的动力学原理，以牛顿第二定律为基础。
能量方程则描述了能量在流体中的转化和传递过程。
4. 流体流动的特性流体流动的特性主要包括速度场、压力场和摩擦阻力。
速度场描述了流体各点的速度分布情况，压力场描述了流体各点的压力分布情况。
摩擦阻力是流体流动中由于黏性而产生的流体内部阻碍流动的力。
二、应用领域1. 管道工程工程流体力学在管道工程中的应用非常广泛。
通过对管道流体的运动状态和力学特性的分析，可以优化管道的设计和运行。
例如，可以通过流体力学计算来确定管道的直径、流速、压力以及阀门和泵的选型。
2. 水利工程在水利工程中，工程流体力学可用于分析水流对坝体、堤坝和其他水工结构的稳定性和抗冲刷性能。
利用流体力学原理，可以计算水流对结构的压力分布，从而进行结构的抗击冲和渗流的设计。
3. 船舶工程船舶行进在水中液体流动中，流体力学是一个重要的研究领域。
工程流体力学可以被用于分析舰船的水动力特性，如阻力、浮力和稳定性等，以提高船舶的设计和性能。
4. 风洞实验工程流体力学在风洞实验中的应用是为了研究空气流动对飞行器、建筑物和汽车等的影响。
流体力学基础流体的性质与流体力学原理
流体力学基础流体的性质与流体力学原理流体力学基础——流体的性质与流体力学原理流体力学是研究流体运动和流体力学基本原理的学科，广泛应用于航空、航海、能源、化工等领域。
本文将介绍流体的性质以及流体力学的基本原理。
一、流体的性质流体指的是气体和液体，在力学中被视为连续介质。
流体具有以下几个主要的性质：1. 可流动性：与固体不同，流体具有较低的粘性和内聚力，因此可以流动。
流体的流动性使其在工程领域中应用广泛，并且流体力学正是研究流体流动的力学学科。
2. 不可压性：对于液体来说，密度变化相对较小，一般可视为不可压缩的。
而对于气体来说，变化较大的压力会引起密度变化，所以流体力学中对气体流动的研究需要考虑密度的变化。
3. 流体静力学压力：流体静力学压力是由于流体自身重力或外力作用下的压力差异引起的。
流体中的每一点都承受来自其周围流体的压力。
4. 流体动力学压力：流体动力学压力是由于流体的动力作用引起的压力差异。
当流体以较高速度通过管道或物体时，流体动力学压力扮演着重要的角色。
二、流体力学原理流体力学原理是研究流体运动的基本规律，它由庞加莱提出的运动方程、贝努利定律、连续方程等组成。
以下将分别介绍这几个基本原理：1. 流体运动方程：流体运动方程描述了流体在空间中运动的规律。
流体运动方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程指出质量在流体中不会凭空消失或产生；动量守恒方程描述了流体运动中受到的作用力和压力的关系；能量守恒方程则研究了流体在流动过程中的能量转化。
2. 贝努利定律：贝努利定律是流体力学中最为著名的定律之一。
它说明了在无粘度和定常状态下，流体在不同位置的速度、压力和高度之间存在着一种平衡关系。
贝努利定律在飞行器设计和管道流动等领域中有广泛的应用。
3. 材料导数：材料导数是流体力学中用来描述物质随时间变化的速率的重要概念。
对于流体来说，由于其非刚性的特性，物质随时间的变化需要通过材料导数来描述，它包括时间导数和空间导数。
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。
流体力学的基本原理
流体力学的基本原理流体力学是研究流体运动和应力的物理学科，它对各种流体现象的研究和分析具有重要意义。
流体力学的基本原理包括连续性方程、纳维-斯托克斯方程和质量守恒定律等。
下面将详细介绍这些基本原理。
首先，连续性方程是流体力学的基本原理之一。
连续性方程表达了流体运动中质点的数密度随时间和空间的变化。
它描述了流体在运动过程中连续性的基本规律，即单位时间内通过表面单元的流体质量变化等于流体在该表面单元内积累的流体质量。
数学上，连续性方程可以表示为∂ρ/∂t + ∇•(ρv) = 0，其中ρ为流体的密度，t为时间，v为流体的速度，∇•为散度算子。
这个方程描述了流体的连续性及其在空间和时间上的变化规律。
其次，纳维-斯托克斯方程是流体力学的另一个基本原理。
它描述了流体运动中流体的速度场和压力场之间的关系。
纳维-斯托克斯方程可以表示为ρ(∂v/∂t +v •∇v) = -∇p + μ∇的v + f，在这个方程中，ρ为流体的密度，v为流体的速度，p为流体的压力，μ为流体的粘度，f为体积力。
这个方程描述了流体在外力作用下的运动规律，是研究流体运动的基本方程。
最后，质量守恒定律是流体力学的另一个重要原理。
质量守恒定律是指在一个封闭的系统中，质量是不会减少或增加的，即质量是守恒的。
在流体运动中，质量守恒定律表达了流体的质量在时间和空间上的守恒性。
数学上，质量守恒定律可以表示为∂ρ/∂t + ∇•(ρv) = 0。
这个方程描述了流体在运动过程中其质量是守恒的，在空间和时间上的变化规律。
除了这些基本原理外，流体力学还涉及到涡量、旋度、势流、流函数等概念，这些概念都是流体力学研究的基础。
涡量描述了流体运动中流线的旋转程度，它是刻画流体旋转运动特性的重要物理量。
旋度是矢量场的一个运算符，它描述了矢量场在空间中的旋转特性。
势流和流函数是描述流体运动的数学工具，它们可以简化纳维-斯托克斯方程的求解过程，是分析流体运动的常用方法。
流体力学基本知识-流体运动的基本知识
v2 2g
v2 2g
3.过流断面：流体运动时，与元流或总流全部流线 正交的横断面。以dw或w示之，单位：m2或cm2。
注意：均匀流的过流断面为平面；
非均匀流的过流断面一般为曲面，其中渐变 流的过流断面可视为平面。
4.流量 （1）体积流量：流体运动时，单位时间内通过过流 断面的流体体积。以Q表示，单位：m3/s，L/s。 （2）重量流量：流体运动时，单位时间内通过过流 断面的流体流量。以Q表示，单位：N/s。 （3）质量流量：流体运动时，单位时间内通过过流 断面的流体质量。以Q表示，单位：kg/s。
3.流体流动型态的判别
雷诺数
vd
Re 2000
-------层流
雷诺数
Re
vd
2000
-------紊流
注意：建筑设备工程中，绝大多数的流体运动都处
于紊流型态。
三、沿程水头损失 采用半经验公式：
hf
l v2
d 2g
为沿程阻力系数，它是反映边界粗糙情 况和
流态对水头损失影响的一个系数。
第三节 流体运动的基本知识 一、流体运动的基本概念
（一）压力流与无压流
1.压力流：流体在压差作用下流动时，流体整个周 围和固体壁相接触，没有自由表面，如供热管道。
供热管道
2.无压流：液体在重力作用下流动时，液体的部分 周界与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，形 成自由表面，如天然河流等。
天然河流
（二）恒定流与非恒定流
1.恒定流 ：流体运动时，流体中任一位置的压强、 流速等运动要素不随时间变化的流动。
2.非恒定流 ：流体运动时，流体中任一位置的运动 要素如压强、流速等随时间变化的流动。
注意：自然界中都是非恒定流，工程中取为 恒定流。
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ux ux ux ux ux uy uz t x y z
ay du y dt u y t ux u y x uy u y y uz u y z
duz uz uz uz uz az ux uy uz dt t x y z
对上述展开式作一些恒等变换：
以x方向为例：
uMx ux ux u u x x y x z x y z
1 u x u x 1 u x u y 1 u u ux ( ) x ( ) y ( x z ) z 2 x x 2 y x 2 z x 1 u x u y 1 u u ( ) y ( x z ) z 2 y x 2 z x
u x 1 u u y , yz zy z x 2 y z u y 1 u u yy , zx xz x z y 2 z x
xx
1 u z u y , x 2 y z 1 u x u z , y 2 z x
其中流速u和压强 p 是矢量，密度 ρ 、温度T和浓度C是标量。
§2.1.3 描述流体运动的两种方法
①拉格朗日法
以单个运动质点为对象，研究其在整个运动过程中的轨迹及其 运动要素随时间的变化规律。 位置坐标： x x(a, b, c, t )
y y(a, b, c, t )
z z (a, b, c, t )
质点速度：
x x(a, b, c, t ) ux t t
uy y y (a, b, c, t ) t t
z z (a, b, c, t ) uz t t
质点加速度：
ux 2 x 2 x(a, b, c, t ) ax 2 t t t 2
第二部分
水流运动基本规律
§2.1 描述流体运动的几个概念
§2.2 运动流体的应力应变关系——本构方程
§2.3 流体运动基本方程 §2.4 紊流基本方程
§2.2.1 流体微团运动分析
①亥姆霍兹速度分解定理
流体微 团
s
M ( x x, y y, z z)
u u ( x, y, z )
例如，依据连续介质假设，可以将流体的密度定义为：
m lim V V0 V
V0为质点体积，其在宏观上充分小，在微观上又充分大，流体 质点内包含很多分子。因此从宏观上看可以忽略质点的体积：
m lim V 0 V
§2.1.2 流体运动的基本特性参量
描述运动状态的量：流速u； 和运动有密切关系的流体特性：压强 p，密度ρ，温度T，含 有物浓度c 。
§2.1.1 连续介质假设
流体在微观上是不连续的，如果将物理量定义在分子上，则物 理量分布在时间和空间上都不连续。 流体力学研究的是流体的宏观运动。大量微观粒子的随机运动 显示为具有一定规律的宏观效应，宏观运动的各种性质可以认 为是大量微观粒子运动性质的统计平均结果。
例如：
宏理量（例如密度等）
2 y 2 y (a, b, c, t ) ay 2 t t t 2 u y
u z 2 z 2 z (a, b, c, t ) az 2 t t t 2
② 欧拉法
以流动空间（流场）作为观察对象，观察不同时刻各空间点上 流体质点的运动参数。
位置坐标： ( x, y, z )
O '( x, y, z)
将速度表达式在O’点作一阶泰勒展开： u u u uMx u x x x x y x z x y z u y u y u y uMy u y x y z x y z u u u uMz u z z x z y z z x y z
质点速度：
ux ux ( x, y, z, t )
uy uy ( x, y, z, t )
uz uz ( x, y, z, t )
（x，y，z）是空间点，u是t
时刻占据（x，y，z）空间点的那个
流体质点的速度。
质点加速度：
du x ux ux dx ux dy ux dz ax dt t x dt y dt z dt
u z 1 u y ux 1 u y u x zz , xy yx , z z 2 x y 2 x y
B
微观效应
宏观不均匀性
质点体积
V0
V
计算时取的体积
欧拉连续介质假设（1755年）：
把流体当作是由密集质点构成的、内部无间隙的连续体。 引入流体质点作为流体力学研究的基本单元，流体质点是一个 “宏观小，微观大”的流体单元。 表征流体性质、描述流体运动的各个物理量如速度 、压强、 密度等在流动空间的每一点，都具有确定的有限数值，而且是 空间坐标和时间坐标的连续函数。这样就能用数学分析方法来 研究流体运动。 连续介质是从宏观运动的观点出发而提出的理论模型，在此基 础上建立起来的流体力学是一种宏观科学。一方面，在流体力 学中不考虑流体内部的微观结构和微观运动；另一方面，对流 体的微观运动，有关连续介质的概念和定律都不使用。
拉格朗日法关注特定的流体质点：
t3
t2
t4
t5
自变量是流体质点的 初始位置和时间t
跟踪
t1
欧拉法关注确定的空间点：
t2
t1
t3
t4
布哨
自变量是空间坐标和时间t
多数情况下采用欧拉法 u=u(x,y,z,t) p=p(x,y,z,t) ρ = ρ(x,y,z,t) C=C(x,y,z,t) T=T(x,y,z,t) 从数学角度而言就是研究确定包含时间变化的空间矢量场和标 量场——流场、浓度场和温度场。