计算流体力学基本方程
工程流体力学公式
工程流体力学公式1.流体静力学公式在静止的流体中，压力与深度成正比，且密度为常数。
流体静压力可以由以下公式计算：P = ρgh其中，P为压力，ρ为流体的密度，g为重力加速度，h为流体的深度。
2.法向应力与切向应力流体内部的法向应力和切向应力分别由以下公式给出：法向应力：τ=-P切向应力：τ = μ(dv/dy + du/dx)其中，τ为应力，P为压力，μ为流体的动力粘度，dv/dy和du/dx 分别为流体速度分量在y和x轴上的偏导数。
3.应力张量应力张量用于描述流体内部的各种应力分量。
在笛卡尔坐标系下，应力张量的一般形式为：σ = [σxx σxy σxz][σyx σyy σyz][σzx σzy σzz]其中，σij表示在i方向上对j方向上的应力。
4.流量公式流量是描述流体通过单位时间内通过其中一区域的总量。
流量公式可以通过以下公式计算：Q=Av其中，Q为流量，A为流体通过区域的横截面积，v为流体的速度。
5.流体连续性方程流体的连续性方程用于描述流体的质量守恒。
在稳态条件下，流体的连续性方程可以表示为：div(ρv) = 0其中，div表示散度运算符，ρ为流体的密度，v为流体的速度。
6.流体动量方程流体的动量方程用于描述流体的运动状况。
在稳态条件下，流体的动量方程可以表示为：ρv·grad(v) = -grad(P) + μΔv + ρg其中，grad表示梯度运算符，P为流体的压力，μ为流体的动力粘度，Δv为流体速度的拉普拉斯算子，g为重力加速度。
以上介绍了几个常用的工程流体力学公式，这些公式在工程实践中起到了重要的作用。
通过应用这些公式，可以更好地理解和解决与流体力学相关的问题。
流体力学中的三大基本方程
a 流体质点加速度 在三个坐标轴上的分量表示成：
ax
dx
dt
x
t
x
x
x
y
x
y
z
x
z
ay
d y
dt
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
az
dz
dt
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
⑷代入牛顿第二定律求得运动方程： 得x方向上的运动微分方程：
dx
dt
dxdydz
p x
dxdydz
fxdxdydz
单位体积流体的运动微分方程：
2 ：单位重量流体所具有的动能；
2g
理解：质量为m微团以v 运动，具有mv2/2动能，若用 重量mg除之得v2/2g
三者之和为单位重量流体具有的机械能。
物理意义： 理想、不可压缩流体在重力场中作稳定 流动时，沿流线or无旋流场中流束运动 时，单位重量流体的位能，压力能和动 能之和是常数，即机械能是守恒的，且 它们之间可以相互转换 。
②物理意义：揭示了沿某一根流线运动着 的流体质点速度，位移和压强、密度四者 之间的微分关系。
3.1 伯努利方程积分形式
1.沿流线的积分方程：
gdz 1 dp d 0
2
2
gz
dP
C
设： const
2 gz p C
2
Or
z p 2 C
r 2g
——理想流体微元流束的伯努利方程。
①适用条件：理想流体、不可压缩性流体、稳定 流动、质量力只有重力，且沿某一根流线； ②任选一根流线上的两点：
流体力学的基本方程式
流体力学的基本方程式流体力学是研究流体力学原理和现象的一门学科。
它主要研究流体的运动和变形规律，包括速度、压力、密度和温度等参数的分布及其相互关系。
流体力学的基本方程式包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程式用来描述流体的性质和运动，对于解决流体力学问题至关重要。
下面将逐一介绍这些方程式及其应用。
1. 连续性方程连续性方程描述了流体的质量守恒规律。
它基于质量守恒原理，即在流体中任意一点的质量净流入/流出率等于该点区域内质量的减少率。
连续性方程的数学表达式是：∂ρ/∂t + ∇•(ρV) = 0。
其中，ρ是流体的密度，t是时间，V是流体的流速矢量，∇•表示散度运算符。
连续性方程的应用范围广泛，例如用于描述气象学中的气流动力学、河流的水量和水质传输等。
2. 动量方程动量方程描述了流体的运动规律。
它基于牛顿第二定律，即流体的运动是由外力和内力共同作用的结果。
动量方程的数学表达式是：ρ(∂V/∂t + V•∇V) = -∇P + ∇•τ + ρg。
其中，P是压力，τ是应力张量，g是重力加速度。
动量方程是解决流体流动问题的关键方程，可以用于模拟气象学中的风场、水力学中的水流、航空航天中的气体流动等。
3. 能量方程能量方程描述了流体的能量转换和传递规律。
它基于能量守恒原理，即在流体中任意一点的能量净流入/流出率等于该点区域内能量的减少率。
能量方程的数学表达式是：ρCv(∂T/∂t + V•∇T) = ∇•(k∇T) + Q - P(∇•V) + ρg•V。
其中，Cv是比热容，T是温度，k是热传导系数，Q是体积热源项。
能量方程可用于模拟热传导、对流和辐射现象，例如地下水温场、燃烧室的工作原理等。
流体力学的基本方程式是解决各种流体流动问题的基础，通过对这些方程式的应用，可以揭示流体的行为和性质，为实际工程和科学研究提供指导。
在实际应用中，还可以结合数值模拟和试验数据，进一步分析和预测流体力学问题的解，为工程决策和科学研究提供依据。
流体力学的基本方程
z
(vz)dxdydz
vy
v
z
vx (x, y,z)
第二章 流体力学的基本方程
§2.1 连续方程
二、连续方程推导方法之二
1.笛卡尔坐标系下的连续方程
微元六面体内密度变化引起 的每秒的流体质量的变化量：
tCVdvt dxdydz
故 ： tdx d x (v x y ) dd x z d y (v y y ) d d x z d z (v z y ) dd x z 0 dydz
t
xkuku
——单位体积的流体控制体的质量变化率 ——单位体积的流体控制体的质量净流出量
第二章 流体力学的基本方程
§2.1 连续方程
四、其他形式的连续方程
1.定常流动 0
t
xk
uk 0
Duk 0
Dt xk
t xk
uk0
2.不可压缩流体
D 0
Dt
uk 0 xk
注意：不可压流体各点的密度不变，但各点间的密度可能不同，即不要求密度场为均匀场。
左面微元面积流 入的流体质量：
右面微元面积流出 的流体质量：
( xd 2)xv(x vxxd 2)d x ydz ( xd 2)xv (x vxxd 2)d x ydz
vy
v
z
vx (x, y,z)
第二章 流体力学的基本方程
§2.1 连续方程
二、连续方程推导方法之二
1.笛卡尔坐标系下的连续方程
D D ttuk xk 0 但
0
xk
例： 密度分层流动
均质不可压缩流体： const
在绝大多数情况下，不可压缩流体也是均质的。
2
1
第二章 流体力学的基本方程
【计算流体力学】第1讲-基本方程
1) 围绕(x,y,z)点取一控制体;
任意点 (x, y, z)
x
x
控制体示意图
2) 根据基本定律（质量、动量、能量守恒）, 给出控制体内总量（积分量）的变化规律； （总质量、总动量、总能量的变化规律： 积分型方程）
3) 令控制体尺度趋近于0， 得到(x,y,z)点物理量的微分型方程
特点： 控制体不动 （Euler描述）
波音777
波音787
5
CFD 面临的挑战及主要任务：
➢复杂流动的数学模型
湍流的计算模型； 转捩的预测模型； 燃烧及化学反应模型； 噪声模型……
➢ 高精度高效算法
高精度激波捕捉法； 间断有限元法; 大规模代数方程组高效解法 ……
➢ 复杂外形、复杂网格处理方法
自适应网格； 直角网格，浸入边界法； 无网格法； 粒子算法；
微观充分大， 宏观充分小
控制体太小， 有微观波动
103 106 109 1012
1021
1030
控制体内的平均密度随体积变化规律
V (m3)
(x, y, z)
体积为V的 控制体
流动描述方法
描述流体信息：密度、速度、压力、温度等
Euler描述
Lagrange描述
给出每个时刻每个 空间点上的物理量
f f (x, y, z,t) （场）
“切的方向不同，表面上的力也不同”
pn 切3次就够了：垂直x轴, 垂直y轴，垂直z轴各切一次
r px
( pxx ,
pxy ,
pxz )T
r py
( pyx ,
pyy ,
pyz )T
r pz
( pzx ,
pzy ,
pzz )T
流体力学-第二章 基本方程
h
0
xy
z
经流体柱后侧流入的流体质量应为：
流入质量=
h
0
uy
z
同时，经流体柱前侧流出的质量为：
z
流出质量=
h
0
uy
z
x
h
0
uy
z
x
O
x u u x
x
y
u
h y
x
Chen Haishan NIM NUIST
流出质量减去流入质量 ＝柱体内质量的减少。
柱体内的净流出量
（流入质量减去流出质量 ＝柱体内质量的增加）
pnx nx pxx ny pyx nz pzx
pny nx pxy ny pyy nz pzy
pnz
nx pxz
ny pyz
nz pzz
Chen Haishan
NIM NUIST
z
pzz
z
pzx
pz pzy
pxz
px
pxx
pxy
pyy
pyx
py
P Pnz n
Pny
y Pnx o
Chen Haishan NIM NUIST
通过体积分，作用于体积为 的流体块上的质量力：
Fd =作用于流体的质量力
Chen Haishan NIM NUIST
② 表面力
表面力：是指流体内部之间或者流体与其他物体之 间的接触面上所受到的相互作用力。
如流体内部的粘性应力和压力、流体与固体接触面 上的摩擦力等。
x y
n n
cosn, cosn,
x y
nxn n y n
z n cosn, z nzn
Chen Haishan NIM NUIST
流体力学三大基本方程公式
流体力学三大基本方程公式流体力学是研究流体（液体和气体）行为的一门学科，而其中的三大基本方程就像是流体世界里的三位“大神”，每一个都有自己的风格和特点。
今天我们就来轻松聊聊这三大基本方程，看看它们是如何影响我们日常生活的。
1. 连续方程1.1 理论基础连续方程说的就是流体在流动时质量是守恒的，也就是说流体不会凭空消失或者出现。
这就好比你在喝饮料，吸管里的液体不管你怎么吸，它的总量始终不变。
你想，假如你吸得太快，吸管里液体都没了，那饮料可就喝不到了，真是要命！1.2 实际应用在现实生活中，这个方程的应用可广泛了。
比如，水管里流动的水，流量是一定的。
如果管道变窄，水速就会变快，简直就像是高速公路上的汽车，车道窄了，车速得加快才能不堵车。
你可以想象一下，如果这条“水路”被堵了，后果可就不堪设想，真是“水深火热”啊。
2. 纳维斯托克斯方程2.1 理论基础说到纳维斯托克斯方程，这可是流体力学里的“超级英雄”。
它描述了流体的运动，考虑了粘性、压力、速度等多个因素，就像一位全能运动员，无论是短跑、游泳，还是足球，样样精通！这个方程让我们能够预测流体的流动，简直就像是给流体穿上了“预测未来”的眼镜。
2.2 实际应用说到实际应用，纳维斯托克斯方程可是在天气预报、飞机设计等领域大显身手。
在气象学中，气象学家利用这个方程来模拟风暴、降雨等自然现象，真的是“未雨绸缪”，让我们提前做好准备。
想象一下，若是没有它，我们可能在大雨来临时还在悠哉悠哉地喝着茶，结果被“浇”了个透心凉。
3. 伯努利方程3.1 理论基础最后我们得提提伯努利方程，它可是流体动力学的明星。
简单来说，伯努利方程告诉我们，流体的压力和速度之间有着“爱恨交织”的关系。
流速快的地方，压力就低；流速慢的地方，压力就高。
这就像是你在一个热闹的派对上，越往外挤，周围的人越少，反而显得格外“安静”。
3.2 实际应用伯努利方程的应用那可是多得数不胜数，尤其是在飞行器设计上。
计算流体力学基本方程
计算流体力学基本方程（张量形式）1质量方程（连续方程）()0i iu t x ρρ∂∂+=∂∂ 312123()()()0u u u t x x x ρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ ()()()0y x z u u u t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ 定常（()00i iu t x ρρ∂∂=⇒=∂∂） 不可压缩（const 0iiu x ρ∂=⇒=∂） 2动量方程（运动方程）()()13i j i ik i j i jj i k u u u u u p f t x x x xxx ρρρμμ⎛⎫∂⎛⎫∂∂∂∂∂∂+=-++ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭累积动量 + 对流动量= 质量力 + 压力 +（黏性力）内摩擦力不可压缩（0kku N S x ∂=⇒-∂方程） ()()i j i i i j i jj u u u u p f t x x x xρρρμ⎛⎫∂∂∂∂∂+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭3能量方程()()()j j j v j v Tu T T p q t x x c x c ρρλφ⎛⎫∂∂∂∂++=+ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭ ()()j j jj eu e Tq t x x xρρλρρφ⎛⎫∂∂∂∂+=++ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭累积热量 + 对流换热 = 导热 + 内热源 +（黏性力）内摩擦生热内能（v e c T =）焓（p h c T =）内热源（Q q ρ=） 耗散函数（ρφΦ=）无黏流体（0Φ=） 4组分方程()()()i j i i i i j jj c u c c D S t x x x ρρρ⎡⎤∂∂∂∂+=+⎢⎥∂∂∂∂⎢⎥⎣⎦累积浓度 + 对流浓度 = 扩散浓度 + 化学反应产生浓度组分i 扩散系数（i D ），组分i 体积浓度（i c ），组分i 质量浓度（i c ρ），组分i 化学反应生成率（i S ） 5状态方程pp RT RT ρρ=⇒=6总方程()()j j jj u S t x x xφρφρφφ⎛⎫∂∂∂∂+=Γ+ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭方程 φΓS φ质量方程1运动方程i uμi i p f x ρ∂-∂能量方程 Tv c λ ()v q c ρφ+组分方程 i ci D ρi S7湍流方程湍流瞬时运动=时均运动+随机脉动（'i i i u u u =+） 不可压缩湍流控制方程（动量方程或运动方程）()()i j i ii j i jj u u u u p f t x x x xρρρμ⎛⎫∂∂∂∂∂+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭（N-S 方程） 对瞬时状态下的动量方程取平均时间，可得湍流时均控制方程如下：()()i j i ii j i jj u u u u p f t x x x xρρρμ⎛⎫∂∂∂∂∂+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭由雷诺运算法则（时均规律）（''i j i j i j u u u u u u =+）可得''()()i j i i i i j j i jj u u u u p f u u t x x x x ρρρμρ⎛⎫∂∂∂∂∂+=-+- ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭为方便起见，除脉动值的时均值外，去掉其他项时均值的上划线符号可得''()()i j i i i i j j i jj u u u u p f u u t x x x x ρρρμρ⎛⎫∂∂∂∂∂+=-+- ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭8湍流黏性方程引入湍动黏度（Turbulent Viscosity ）或涡黏系数（Eddy Viscosity ）表示湍流应力（雷诺应力）()()()'',,ij i j t t u u f f f ρμκεκω=-===''2132j i i ij t i i ij j i iu u ut u u x x x μρμδ⎛⎫∂⎛⎫∂∂=+-- ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭ 223j i i ij ij j i i u u u t C x x x μκρρκμδε⎛⎫∂⎛⎫∂∂=+-- ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭ ()2,t f C μκμκερε== ''12i i u u κ= ''i i k k u u x x μερ⎛⎫⎛⎫∂∂= ⎪⎪∂∂⎝⎭⎝⎭。
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计算流体力学基本方程（张量形式）
1质量方程（连续方程）
()0i i
u t x ρρ∂∂+=∂∂ 312123
()()()0u u u t x x x ρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ ()()()0y x z u u u t x y z
ρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ 定常（
()00i i
u t x ρρ
∂∂=⇒=∂∂） 不可压缩（const 0i
i
u x ρ∂=⇒
=∂） 2动量方程（运动方程）
()()13i j i i
k i j i j
j i k u u u u u p f t x x x x
x
x ρρρμμ⎛⎫∂⎛⎫∂∂∂∂∂
∂+=-++ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭
⎝⎭
累积动量 + 对流动量= 质量力 + 压力 +（黏性力）内摩擦力
不可压缩（
0k
k
u N S x ∂=⇒-∂方程） ()()i j i i i j i j
j u u u u p f t x x x x
ρρρμ⎛⎫∂∂∂∂∂
+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝
⎭
3能量方程
()()()
j j j v j v Tu T T p q t x x c x c ρρλφ⎛⎫∂∂∂
∂++=+ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭ ()()j j j
j eu e T
q t x x x
ρρλρρφ⎛⎫
∂∂∂
∂+=++ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝
⎭
累积热量 + 对流换热 = 导热 + 内热源 +（黏性力）内摩擦生热
内能（v e c T =）焓（p h c T =）内热源（Q q ρ=） 耗散函数（ρφΦ=）无黏流体（0Φ=） 4组分方程
()()()i j i i i i j j
j c u c c D S t x x x ρρρ⎡⎤
∂∂∂∂
+=+⎢⎥∂∂∂∂⎢⎥⎣⎦
累积浓度 + 对流浓度 = 扩散浓度 + 化学反应产生浓度
组分i 扩散系数（i D ），组分i 体积浓度（i c ），组分i 质量浓度（i c ρ），组分i 化学反应生成率（i S ） 5状态方程
p
p RT RT ρρ=⇒=
6总方程
()()j j j
j u S t x x x
φρφρφφ
⎛⎫
∂∂∂
∂+=Γ+ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭
方程 φ
Γ
S φ
质量方程
1
运动方程
i u
μ
i i p f x ρ∂-
∂
能量方程 T
v c λ ()v q c ρφ+
组分方程 i c
i D ρ
i S
7湍流方程
湍流瞬时运动=时均运动+随机脉动（'i i i u u u =+） 不可压缩湍流控制方程（动量方程或运动方程）
()()i j i i
i j i j
j u u u u p f t x x x x
ρρρμ⎛⎫
∂∂∂∂∂
+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭
（N-S 方程） 对瞬时状态下的动量方程取平均时间，可得湍流时均控制方程如下：
()()i j i i
i j i j
j u u u u p f t x x x x
ρρρμ⎛⎫∂∂∂∂∂
+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭
由雷诺运算法则（时均规律）（''
i j i j i j u u u u u u =+）可得
''
()()i j i i i i j j i j
j u u u u p f u u t x x x x ρρρμρ⎛⎫∂∂∂∂∂
+=-+- ⎪ ⎪
∂∂∂∂∂⎝⎭
为方便起见，除脉动值的时均值外，去掉其他项时均值的上划线符号可得
''
()()i j i i i i j j i j
j u u u u p f u u t x x x x ρρρμρ⎛⎫∂∂∂∂∂
+=-+- ⎪ ⎪
∂∂∂∂∂⎝⎭
8湍流黏性方程
引入湍动黏度（Turbulent Viscosity ）或涡黏系数（Eddy Viscosity ）表示湍流应力（雷诺应力）
()()()'',,ij i j t t u u f f f ρμκεκω=-===
''2132
j i i ij t i i ij j i i
u u u
t u u x x x μρμδ⎛⎫∂⎛⎫∂∂=+-- ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭
⎝⎭ 223j i i ij ij j i i u u u t C x x x μκρρκμδε⎛⎫∂⎛
⎫∂∂=+-- ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝
⎭⎝⎭ ()2,t f C μκμκερε
== ''12i i u u κ= ''i i k k u u x x μερ⎛⎫⎛⎫∂∂= ⎪⎪∂∂⎝⎭⎝⎭。