流体运动基本方程和基本规律
流体流动基本规律
ρ
We
=ρ
gZ2+
ρ u22 2
+
p2
+
ρ
∑h
f
（ Pa ）
1.3 流体流动旳基本方程
1牛顿流体所具有旳能量称为压头head，单位为m。 Z-----位压头Potential head； u2/2g----动压头dynamic head； p/ρg-----静压头hydrostatic head。 He = We /g -----由泵对单位重量流体提供旳能量， 外加压头或泵旳扬程 Hf=∑hf / g——损失旳能量或称损失压头Hf
1.3 流体流动旳基本方程
∵ Vs = u A=
π 4
d2u
√ ∴ d= 4 Vs =0.0997m=99.7mm πu
查表选择：外径=108 mm，壁厚=4 mm旳管子 d=108-4×2=100 mm
将内径d=100 mm代入上式得到实际流速u=1.49 m/s。
1.3 流体流动旳基本方程
1.3.2 稳定流动与非稳定流动 steady flow and unsteady flow
1.3 流体流动旳基本方程
√ u2 =
2Rg ( ρ -ρ ) 0
ρ[1（- dd21 ）4 ]
则体积流量
Vs =
π d22 4
u2 =
π 4
2
d2
质量流量ws =ρ Vs
2R g
(
ρ
0
-
ρ)
ρ [1-
(
d2 d1
)4
]
=
π 4
ρ
2
d2
2R g (ρ - ρ )
0
ρ
[1 -
(
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。
流体力学基本概念和方程汇总
流体力学基本概念和方程汇总流体力学是研究流体运动的力学学科，它涉及到液体和气体在外力作用下的行为和性质。
在流体力学中，有一些基本概念和方程被广泛应用于流体的描述和分析。
下面是流体力学的基本概念和方程的汇总。
一、基本概念1.流体：流体是指可流动的物质，包括液体和气体。
2.运动：流体在空间中的运动，通常包括速度、位置和加速度等因素。
3.静止：流体在空间中不运动的状态。
4.流速：流体在单位时间内通过一些截面的体积。
二、基本方程1.静力学方程：描述在静止状态下的流体行为。
在平衡状态下，流体中各点的压强相等。
2.动力学方程：描述流体在运动状态下的行为。
包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程。
-质量守恒方程：流体在宏观上的质量守恒，即在闭合系统中，质量的净进出量为零。
-动量守恒方程：描述流体动量的变化。
动量是质量与速度的乘积，动量守恒方程中考虑了流体流动的惯性和外力的作用。
-能量守恒方程：描述流体内部能量的变化。
能量守恒方程中考虑了热能和机械能的转换和损失。
3.伯努利方程：描述无黏流体在不受外力作用下沿流线的稳定流动。
它表明在流速增加的地方压强降低，为流体提供了加速的能源。
4.导体方程：描述流体内部流速分布的关系。
它是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒方程来推导的。
三、附加方程1.状态方程：描述流体状态的方程，如理想气体状态方程pV=nRT。
2.粘性方程：描述流体黏性特性的方程。
黏性是流体内部分子间相互作用所产生的阻力，影响流体的粘度和黏性流动等现象。
3.边界条件：描述流体流动过程中与边界接触的物体对流体运动的影响。
边界条件包括无滑移条件、不透过条件和等温条件等。
4.各向同性方程：描述流体的等向性特性。
合理假设流体在各个方向上具有相同的特性，简化流体力学计算。
流体力学最基本的三个方程
流体力学最基本的三个方程流体力学是研究流体运动及其相关物理现象的学科。
它的基础有三个最基本的方程，即连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
本文将详细介绍这三个方程的含义和应用。
一、连续性方程：连续性方程，也称为质量守恒方程，描述了流体运动中质量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂ρ/∂t+∇·(ρv)=0其中，ρ是流体的密度，v是流体的速度矢量，∂/∂t表示对时间的偏导数，∇·表示向量的散度。
连续性方程的物理意义是说，质量在流体中是守恒的，即单位体积内的质量永远不会改变。
这是由于流体是连续的，无法出现质量的增减。
这个方程告诉我们，流体在流动过程中的速度变化与流体密度变化是相关的。
当流体流动速度较大时，密度通常会变小，反之亦然。
连续性方程的应用十分广泛。
在管道流动中，我们可以利用连续性方程来推导流速和截面积之间的关系。
在天气预报中，连续性方程被用来描述气象现象，如大气的上升和下沉运动，以及风的生成和消散等。
二、动量守恒方程：动量守恒方程描述了流体运动中动量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂(ρv)/∂t + ∇·(ρvv) = -∇p + ∇·(μ∇v) + ρg其中，p是流体的压强，μ是流体的黏度，g是重力加速度。
动量守恒方程可以理解为牛顿第二定律在流体力学中的推广。
它表示流体在外力作用下的加速度与压力梯度、黏性力、重力的平衡关系。
动量守恒方程的物理意义是说，流体的运动与施加在流体上的各种力密切相关。
当外力作用于流体时，会引起流体的加速度，也即速度的变化。
这个方程告诉我们，流体的加速度是与外力、黏性力和重力共同作用而产生的。
动量守恒方程的应用十分广泛。
在飞行器设计中，我们可以利用动量守恒方程来研究气动力的产生和改变。
在水力学中，动量守恒方程可以用来分析水流的运动、喷流和冲击等。
三、能量守恒方程：能量守恒方程描述了流体运动中能量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂(ρE)/∂t + ∇·(ρEv) = -∇·(pv) + ∇·(κ∇T) + ρg·v +q其中，E是单位质量流体的比总能量（包括内能、动能和位能），T是流体的温度，κ是流体的热传导系数，q是单位质量流体的热源项。
流体力学方程
流体力学方程流体力学方程是描述流体运动的基本方程，它由质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成。
这些方程描述了流体在空间和时间上的变化以及与周围环境的相互作用。
流体力学方程在多个领域中具有广泛的应用，包括天气预报、风洞实验、水力工程和生物学等。
一、质量守恒方程质量守恒方程又称连续性方程，它描述了流体的质量在空间和时间上的变化规律。
质量守恒方程可以用以下形式表示：∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0其中，ρ是流体的密度，t是时间，v是流体的速度矢量，∇·(ρv)是速度矢量的散度。
质量守恒方程表明，流体在任意一点的质量密度的变化率等于通过该点的质量流入量与质量流出量之差。
二、动量守恒方程动量守恒方程描述了流体在外力作用下的运动规律。
根据流体力学的推导，动量守恒方程可以用以下形式表示：ρ(∂v/∂t + v·∇v) = -∇p + μ∇²v + ρg其中，p是流体的压力，μ是流体的动力粘度，g是重力加速度。
动量守恒方程表明，流体在任意一点的动量密度的变化率等于流体所受外力（包括压力力、粘性力和重力）的合力。
三、能量守恒方程能量守恒方程描述了流体在热力学过程中能量的转换和传递。
能量守恒方程可以用以下形式表示：∂(ρe)/∂t + ∇·(ρev) = -∇·q + μ∇²v + ρv·g其中，e是流体的单位质量内能，∇·q表示热传导通量，g是重力加速度。
能量守恒方程表明，流体在任意一点的能量密度的变化率等于能量的产生与损失之差。
流体力学方程的求解是复杂的，通常需要借助数值方法进行近似求解。
数值模拟方法如有限差分法、有限元法和计算流体力学方法等被广泛应用于解决流体力学问题。
这些方法能够提供流体在不同条件下的速度、压力和温度等重要参数，为工程设计和科学研究提供可靠依据。
总结：本文介绍了流体力学方程的基本内容，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
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。
流体运动的动力学定律
流体运动的动力学定律流体运动是自然界中一种常见的现象，它涉及到许多物理定律和原理。
在流体力学领域，有一些基本的动力学定律可以帮助我们理解和描述流体运动的规律。
本文将介绍一些重要的流体力学定律，并探讨其应用。
1. 质量守恒定律质量守恒定律是流体力学中最基本的定律之一。
它表明在任何封闭系统中，质量是不会被创造或者消失的，只会发生转移或者转化。
在流体运动中，质量守恒定律可以用以下公式表示：∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0其中，ρ是单位体积内的质量，v是流体的速度矢量，∂/∂t表示对时间的偏导数，∇·表示散度运算符。
这个方程表明质量的变化率等于流入和流出的质量之差。
2. 动量守恒定律动量守恒定律是描述流体运动中动量守恒的重要定律。
它可以用以下公式表示：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。
这个方程表明流体的动量变化率等于压力梯度、应力梯度和重力之和。
3. 能量守恒定律能量守恒定律是描述流体运动中能量守恒的基本定律。
它可以用以下公式表示：ρC(∂T/∂t + v·∇T) = ∇·(k∇T) + Q其中，C是比热容，T是温度，k是热导率，Q是单位体积内的热源。
这个方程表明流体的能量变化率等于热传导、热源产生和流体运动对温度的影响之和。
4. 流体静力学定律流体静力学定律描述了静止流体中的压力分布和压力的传递规律。
根据这个定律，静止流体中的压力在任何方向上都是相等的，并且压力沿着流体中的任意路径传递。
这个定律可以用来解释液体中的浮力现象和液体的压强。
5. 流体动力学定律流体动力学定律描述了流体运动中的压力分布和流速的关系。
根据这个定律，流体中的压力随着流速的增加而减小，在流速较大的地方压力较低，在流速较小的地方压力较高。
这个定律可以用来解释流体在管道中的流动、喷泉的原理等。
综上所述，流体运动的动力学定律是研究流体力学的基础。
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有， d1
D1 u lim , dt Dt 0 Dt y
流体微团在 xy 平面的角速度定义为AB 边和 AC 边的 角速度的平均值，记作 z ， 因此，
1 d1 d2 1 dv du z 2 dt dt 2 dx dy
y
B A
t
D C
t+D t
A′
C′
流体微团的一般运动
流体微团运动的分解
10
x
角速度
§ 2.3 流体微团的运动分析
d1 d 2 定义 AB 边和 AC 边的角速度分别为， 和 dt dt
由，
u D1 Dt , y
v D 2 Dt x d 2 D 2 v lim Dt 0 D t dt x
7
§2.2 迹线、流线、流管
流管(Stream Tube)
在三维空间，在流场中 取一条不为流线的封闭 曲线，经过曲线上每一 点作流线，所有这些流 线集合构成的管状曲面 被称为流管，如图。
y x z
由于流管由流线组成，因此流体不能穿出或者穿入流管表面。 在任意瞬时，流场中的流管类似真实的固体管壁。 对定常流动，直接运用积分形式的连续方程，可以证明穿过流 管截面的质量流量是不变的 。
迹线(Path Line)：流体微团在流场中的运动轨迹。或 者说，同一个流体微团，在不同时刻的空间坐标的连 线。
3
§2.2 迹线、流线、流管
流线(Stream Line)：流场中的一条曲线，线上各点的切向 和该点的速度方向相同。如果流动是非定常的，由于速度 矢量的大小和方向随时间变化而变化，所以不同时刻的流 线形式也不相同。流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。
自然科学中有三大守恒律：质量守恒、动量守恒和能 量守恒。 本章将利用这三大原理，推导出流体力学中的三个基 本方程：连续方程、动量方程和能量方程。然后粗略 介绍这三个方程的解法。
2
§2.2 迹线、流线、流管
空气动力学中， 除了要求解密度场、压强场、 温度场和速度场以外，还需要绘制流场的流动图 画(Flow Patterns)。它能帮助我们直观形象地分析流体 运动。为此，引入迹线图和 Nhomakorabea线的概念。
V
y x
wdy vdz 0
6
udz wdx 0 vdx udy 0
§2.2 迹线、流线、流管
笛卡尔坐标系下流线方程的微分形式：
wdy vdz 0
udz wdx 0 vdx udy 0
上式亦可表达为，
dx dy dz u x, y, z, t v x, y, z, t w x, y, z, t
上式用速度场表达了流体微团的角速度，更准确 地说，是用速度场的导数表示了流体微团的角速 度。
12
§ 2.3 流体微团的运动分析
旋度 旋度：定义为旋转角速度 的两倍，记为 。
11
§ 2.3 流体微团的运动分析
上面的分析只考虑了在二维 xy 平面内的运动。 对一般三维空间流体微团的角速度是指向某特定 方向的矢量，
xi y j z k
v u 1 w v u w i j k 2 y z z x x y
8
流场中 的微小 流体团
§ 2.3 流体微团的运动分析
流场中的流体微团,当它沿着流线做平移运动的同时，还 可能有旋转、变形运动。 微团旋转和变形量取决于速度场，本节的目的就是用速度 场量化分析微元的旋转和变形运动。
9
§ 2.3 流体微团的运动分析
考虑 xy 平面内的二维流动。取流场中的一个微元体。假设在时刻 t ， 流体微元是矩形。一般情况下流场是不均匀的，即流场中的各点速度的 大小和方向都可能变化。因此该微团从 t 时刻的位置 ABCD 运动到 t+Dt 时刻的位置上，流体微团的体积、形状都发生了变化，而且也发生 了旋转。整个运动是同时发生的，可以将这样的一个复杂的一般运动分 解为几个简单的运动的合成如图所示。 D′ B′
1
2.1 三大守恒定律的简介
拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier，1743－1794）， 焦耳（James Prescort Joule,1818～1889 法国化学家，1789 年，拉瓦）英国杰出的物理学家。 Descartes笛卡尔 1847年4月28日英 锡在他的历史名著——《化 (法国哲学家、数学家 国物理学家焦耳将自己所发现的能量守恒定 ,1596学概论》中第一次用清晰的 律第一次作了全面和充分的阐述 1690) 。 语言把质量守恒定律表达出 系统所受外力的矢量和为 能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种 0时，系 来，用实验进行了验证 。 形式转换成另一种形式，从一个物体传递到 统的总动量守恒。 质量既不能创造，也不能消 另一个物体。 Descartes Lavoisier Joule 灭 。
在迪卡尔坐标系下，
ds dxi dyj dzk
V x, y, z, t u x, y, z, t i v x, y, z, t j w x, y, z, t k
i u j v k
ds
A
z
ds V dx dy dz w
笛卡尔坐标系下流线方程的微分形式：
y x z
4
§2.2 迹线、流线、流管
如何求流线方程 流线是空间曲线 , 用 设 ds
f ( x, y, z) 0 表示。
点A处的速度 V 和 ds 平行。因此，由矢量叉乘的定义
得流线方程为：
是流线上的一个微段。
ds V 0
ds
A
V
y x z
5
§2.2 迹线、流线、流管
ds V 0
流体运动的基本方程和基本规律
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 三大守恒定律的简介 迹线、流线、流管 流体微团的运动分析 速度位函数 基本方程（一）：连续方程 流函数 旋涡运动 基本方程（二）：动量方程 基本方程（三）：能量方程 （教材上没有，属必须掌握内容） 三大基本方程的基本解法简介