流体力学第三章

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流体力学-第三章

流体力学-第三章
空间各点只要有一个运动要素随时间变化,流体运动称为非恒 定流。
二 均匀流和非均匀流 渐变流和急变 流
按各点运动要素(主要是速度)是否随位置变化,可将流体 运动分为均匀流和非均匀流。在给定的某一时刻,各点速度 都不随位置而变化的流体运动称均匀流。均匀流各点都没有 迁移加速度,表示为平行流动,流体作匀速直线运动。反之, 则称为非均匀流。
按限制总流的边界情况,可将流体运动分为有压流、无压流和射 流。
边界全为固体的流体运动称为有压流或有压管流。 边界部分为固体、部分为气体,具有自由表面的液体运动称为 无压流或明渠流。 流体经由孔口或管嘴喷射到某一空间,由于运动的流体脱离了 原来限制他的固体边界,在充满流体的空间继续流动的这种流 体运动称为射流。
四 三维流(三元流)、二维流(二元流)、一维流(一元流)
按决定流体的运动要素所需空间坐标的维数或空间坐标变量的 个数,可将流体运动分为三维流、二维流、一维流。
若流体的运动要素是空间三个坐标和时间t的函数,这种流体运 动称为三维流或三元流。
若流体的运动要素是空间两个坐标和时间t的函数,这种流体运 动称为二维流或二元流。
拉格朗日法来研究流体运动,就归结为求出函数x(a, b, c, t), y (a, b, c, t), z (a, b, c, t)。(1)由于流体运动的复杂,要想求 出这些函数是非常繁复的,常导致数学上的困难。(2)在大多 数实际工程问题中,不需要知道流体质点运动的轨迹及其沿轨迹 速度等的变化。(3)测量流体运动要素,要跟着流体质点移动 测试,测出不同瞬时的数值,这种测量方法较难,不易做到。
3 脉线
脉线又称染色线,在某一段时间内先后流过同一空间点的所 有流体质点,在既定瞬时均位于这条线上。
在恒定流时,流线和流线上流体质点的迹线以及脉线都相互 重合。

第三章 流体力学

第三章 流体力学
1、理想流体:
完全不可压缩的无粘滞流体称为理想流体。
液体不易被压缩,而气体的可压缩性大。但当气体可自由流 动时,微小的压强差即可使气体快速流动,从而使气体各部 分的密度差可以忽略不计。
流体内各部分间实际存在着内摩擦力,它阻碍着流体各部分 间的相对运动,称为粘滞性。但对于很“稀”的流体,可近 似看作是无粘滞的。
4l
dQ=vdS
流量
R
Q R4 ( P1 P2 )
8l
泊肃叶定律推导(略)
流速分布: r
r
v P1 P2 ( R2 r 2 )
4l
各流层流速沿径向呈抛 物线分布
v 管轴中心处,流速最大
vmax

P1 P2
4l
R2
管壁处,流速最小 vmin 0
v
平均速度 v P1 P2 R2
由伯努利方程:
p0

gh

p0

1 2
v2
由上式求得:
v 2 gh
p0
A h
B p0 v
习例题题5-1:1 直径为0.10m,高为0.20m的圆筒形容器底部有1cm2的小 孔。水流入容器内的流量为1.4×10-4m3/s 。求:容器内水面能
上升多高?
D
由伯努利方程: v 2 gh
h 当水面升至最高时: QV v S S 2 ghm
若1 < 2 , 小球(气泡)上浮

1 2
V

v
2 1

gh2V


gh1V
即:
p1

1 2

v
2 1

gh1

流体力学课件 第3章流体运动的基本原理

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

第三章 流体力学 液体出流

第三章 流体力学 液体出流

2.非均匀流—流线不是平行直线的流动,us 0
非均匀流中流场中相应点的流速大小或方向或同 时二者沿程改变,即沿流程方向速度分布不均。
例:流体在收缩管、扩散管或弯管中的流动。
(非均匀流又可分为急变流和渐变流)
想一想:何谓均匀流及非均匀流?以上分类与 过流断面上流速分布是否均匀有无关系?
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一、拉格朗日法
拉格朗日方法(lagrangian method)是以流场中每 一流体质点作为描述流体运动的方法,它以流体个别 质点随时间的运动为基础,通过综合足够多的质点 (即质点系)运动求得整个流动。——质点系法
研究对象:流体质点
空间坐标
x xa,b, c,t y ya,b, c,t z za,b, c,t
间点上各水力运动要素中, 只要有任何一个随时间的变 化而变化的流动。
即:u ux, y, z
p 0
p px, y,z
t
ux , u y , uz 三者中至少一个 t t t 不等于0
注意
在非恒定流情况下,流线的位置随时间而 变;流线与迹线不重合。在恒定流情况下,流 线的位置不随时间而变,且与迹线重合。
(1) A→A′存在时变加速度,但不存在位变加速度。 (2) B→B′既存在时变加速度,又存在位变加速度。
三、两种方法的比较
拉格朗日法
欧拉法
分别描述有限质点的轨迹 同时描述所有质点的瞬时参数
表达式复杂
表达式简单
不能直接反映参数的空间分布 直接反映参数的空间分布
不适合描述流体微元的 运动变形特性
适合描述流体微元的 运动变形特性
度;
位变加速度(迁移加速度) 流动过程中流体由于速度随位置变化而引起的加速度。

流体力学_第三章_伯努利方程及动量方程

流体力学_第三章_伯努利方程及动量方程
4根线具有能量 意义: 总水头线 测压管水头线 水流轴线 基准面线
23
第三节 恒定总流的伯努利方程
例 用直径d=100mm的水管从水箱引水,水管水面与
管道出口断面中心高差H=4m,水位保持恒定,水头 损失hw=3m水柱,试求水管流量,并作出水头线 解:以0-0为基准面,列1-1、2-2断面的伯努利方程
第三节 恒定总流的伯努利方程
渐变流及其性质
渐变流
(u )u 0
渐变流的过流断面近于平 面,面上各点的速度方向 近于平行。 渐变流过流断面上的动压 强与静压强的分布规律相 同,即:
p z c g
1
第三节 恒定总流的伯努利方程
大小的变化 流速的变化 方向的变化
出现直线惯性力 压强沿流向变化
微小圆柱体的力平衡
p1dA ldA cos p2 dA l cos Z1 Z 2 p1 (Z1 Z 2 ) p2
Z1 p1 Z2 p2


4
第三节 恒定总流的伯努利方程
Z1 p1

Z2
p2

均匀流过流断面上压强 分布服从水静力学规 律
40
2
,
2
第三节 恒定总流的伯努利方程
( a )( z2 z1 ) ( a )( z2 z1 ) ( a )
单位体积气体所受有效浮力
v1 2 gh d1 1 d 2
4
4
2 1
2 1
30
第三节 恒定总流的伯努利方程
Q v1

4
d
2 1

4
d
2 1
2 gh d1 d 1 2

流体力学第三章(相似原理与量纲分析)概论

流体力学第三章(相似原理与量纲分析)概论
第二章总结
§1连续方程(3种形式)
§2作用于流体的力、应力张量 (1)质量力和表面力; (2)应力张量; (3)广义的牛顿粘性假设
1
§3运动方程 (1)Navier—Stokes方程; (2)欧拉方程; (3)静力方程;
§4能量方程 (1)动能方程; (2)伯努利方程
§5简单情况下的N-S方程的准确解
uQ2 uQ1
vQ2 vQ1
wQ2 wQ1
此时,两个流场称之为是流场 相似或运动相似的。流场相似 也就是在两流场对应点的速度 的大小、方向成常数比例。
Q P
9
动力相似
动力相似:要求在两流场相应点上各动力学变量 成同一常数比例。 例如原型流场和模型流场在运动过程中受到的 质量力、粘性力等动力学变量成正比。
上式要求所有对应点均成立 (场的观点,要求任意对应点均成立)
17
模型流动中的时间变化过程并不要求与原型流动以相 同的时间变化率进行(过程加速或延缓),但要求两 流场的所有对应点上均按同一常数值的时间变化加速 和延缓,即要求满足
时间相似常数 ct t2 / t1
注意:t f (l, v) ,通常 ct 可以是不独立的,决定于
a2 a1
b2 b1
c2 c1
ac b
7
时间相似
时间相似:要求模型流场跟原型流场的所有对应点上均 按同一常数值的时间变化加速或延缓,即满足:
Ct
t2 t1
8
运动相似
运动相似(流场相似):要求模型流场和原型流场在任意 选取的对应点上,流速分量满足:
uP2 uP1
vP2 vP1
wP2 wP1
对于原型流动,考虑运动方程在z方向的分量形式
1

流体力学第3章(第二版)知识点总结经典例题讲解

流体力学第3章(第二版)知识点总结经典例题讲解

dx u u( t ) dt
流体质点加速度:
dy v v(t ) dt
dz w w( t ) dt
d2x d2y d 2z ax 2 , y 2 , z 2 a a dt dt dt
x(t ) a t y( t ) b t z(t ) 0
y
迹线方程:
流线的性质
(1)流线彼此不能相交(除了源和汇)
交点
v1 v2
s1
(2)流线是一条光滑的曲线, 不可能出现折点(除了激波问题)
(3)定常流动时流线形状不变, 非定常流动时流线形状发生变化
s2
v1 v 折点 2
s
[例1] 由速度分布求质点轨迹
已知: 求: 解: 已知用欧拉法表示的流场速度分布规律为
(2)
由于在欧拉法中速度只和当地坐标以及时间有关,所以必须消 去初始座标,观察(1)式和(2)式可得:
u( x , y , z , t ) y v ( x , y , z , t ) x w( x, y, z, t ) 0
讨论:本例说明虽然给出的是流体质点在不同时刻经历的空间位置,即 运动轨迹,即可由此求出空间各点速度分布式(欧拉法),即各 空间点上速度分量随时间的变化规律。 此例中空间流场分布与时间无关,属于定常流场.
[例3] 由速度分布求加速度
已知: 已知用欧拉法表示的流场速度分布规律为 求各空间位置上流体质点的加速度 解: 对某时刻 t 位于坐标点上(x, y)的质点
dx xt dt dy v yt dt u
u xt v yt
(a )
求解一阶常微分方程(a)可得
x( t ) ae y( t ) be

流体力学 第三章 流体动力学

流体力学 第三章 流体动力学
按周界性质: ①总流四周全部被固体边界限制——有压流。如 自来水管、矿井排水管、液压管道。 ②总流周界一部分为固体限制,一部分与气体接 触——无压流。如河流、明渠。 ③总流四周不与固体接触——射流。如孔口、管 嘴出流。
7 流量、断面平均流速 a.流量:单位时间通过某一过流断面的流体量。流
量可以用体积流量Qv(m3/s)、质量流量Qm(kg/s) 表示。显然,对于均质不可压缩流体有
元流体积流量 总流的体积流量
Qm Qv
dQv vdA
Qv
dQ vdA vA
b.断面平均流速:总流过流断面上各点的流速v一般
不相等,为了便于计算,设过流断面上各点的速度
都相等,大小均为断面平均流速v。以v计算所得的
流量与实际流量相同。
vAQv
vdA
A
8 均匀流与非均匀流
流管——在流场中任意取不与流线重合的封 闭曲线,过曲线上各点作流线,所构成的管 状表面
流束——流管内的流体
5.过流断面——在流束上作出与流线正交的横断面
1
例:
注意:只有均匀流的过流断面才是平面
2
1
Hale Waihona Puke 1处过流断面2处过流断
2

6.元流与总流 元流——过流断面无限小的流束 总流——过流断面为有限大小的流束,它由无数元流构成
线上各点速度矢量与曲线相切
v1
v2
性质:一般情况下不相交、不折转
流线微分方程: 流线上任一点的切线方向 (dr)与该点速度矢量 (v)一致
i jk drv dx dy dz0
dx dy dz vx vy vz
vx vy vz
——流线微分方程
(2)迹线——质点运动的轨迹 迹线微分方程:对任一质点
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11.流体流动时,流场各空间点 的参数不随时间变化,仅随空 间位置而变,这种流动称为 () A、恒定流; B、非恒定流; C、非均匀流;
D、均匀流;
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12.一般情况下,流线不能相交,但
在(
)处除外。
A 驻点;
B 奇点;
C相切点;
D 驻点、奇点和相切点
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13.流线与迹线,在通常情况下
均 可 能 沿 程 有 升 有 降;
(C) 总 压 线 及 位 压 线 总 是 沿 程
下 降 的, 势 压 线 沿 程 可 能 有 升
有 降;
(D) 总 压 线 沿 程 总 是 下 降 的,
势压线与位压线沿程可能有升
有 降。
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15. 流体在作恒定流动时,过流
场同一固定点的流线和迹线相互
(
)
A 平行;
同一条流线上两点A、B,A点的流速大 于B点的流速,则
(A)A 点 的 测 压 管 水 头>B 点 的 测 压 管 水 头; (B)A 点 的 测 压 管 水 头<B 点 的 测 压 管 水 头; (C)A 点 的 压 强 水 头>B 点 的 压 强 水 头; (D)A 点 的 压 强 水 头<B 点 的 压 强 水 头。 精品课件
D 前三种情况都有可能。
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18. 水 流 一 定 方 向 应 该
是( )
A. 从 高 处 向 低 处 流;
B. 从 压 强 大 处 向 压 强
小 处 流;
C. 从 流 速 大 的 地 方 向
流 速 小 的 地 方 流;
D. 从 单 位 重 量 流 体 机
械能高的地方向低的
地方流
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19. 若 空 气 密 度 为ρa, 不 可 压 缩 气 体( 密 度 为ρ), 流
动 时, 则( )
(A) 当ρa > ρ时, 位 置 升 高, 位 压 最 大;
(B) 当 ρa < ρ时, 位 置 升 高, 位 压 最 大;
(C) 当 ρa > ρ时, 位 置 升 高, 位 压 减 小;
(D) 当 ρa < ρ时, 位 置 升 高, 位 压 减 小。 精品课件


A 能相交,也能相切;
B 仅能相交, 但不能相切;
C 仅能相切,但不能相交;
D 既不能相交,也不能相切。
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14.不 可 压 缩 气 体 流 动 时, 下 述
论 述 中 正 确 的 为( )
(A) 总 压 线、 势 压 线 及 位 压 线
总 是 沿 程 下 降 的;
(B) 总 压 线、 势 压 线 及 位 压 线
1. 均匀流是: A:当地加速度为零
B:迁移加速度为零 C:向心加速度为零 D:合成加速度为零.
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2.变直径管,直径 d1=320mm,d2=160mm,流速 v1=1.5m/s,v2为 A:3m/s B:4m/s
C:6m/s D:9m/s
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3..粘性流体总水头线沿程的变 化是: A:沿程下降 B:沿程上升 C:保持水平 D:前三种情况都有可能.
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4..粘性流体测压管水头线的沿 程变化是: A:沿程下降 B:沿程上升
C:保持水平 D:前三种情况都有可能.
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5..变水头收缩管出流: A:有当地加速度和迁移加速度, B:有当地加速度无迁移加速度, C:有迁移加速度无当地加理想不可压缩恒定流动中
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9. 动量方程表示,不可压缩流体恒 定流时,作用在控制体内流体上的合 外力等于( ) A、控制体的流出动量减去流入动量; B、单位时间流出与流入控制体的流 体动量的差值; C、控制体的动量对时间的变化率;
D、体积流量乘以流出与流入控制体 的流体速度
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10. 对水平等直径管道,沿流 动方向,粘性流体的( ) A、动能不变、压能逐步减少; B、动能、压能均逐步减少; C、动能减少,压能增加; D、动能增加,压能逐步减少。
B 相交;
C 重合;
D 不确定。
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16. 在列伯努利方程时,方程两边 的压强项必须( ) A 均为表压强;
B 均为绝对压强; C 同为表压强或同为绝对压强; D 一边为表压强一边为绝对压强。
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17.理想流体的总水头线沿程的 变化规律为( ) A 沿程下降; B 沿程上升; C 沿程不变;
7.理想流体流经管道突然放大 断面时,其测压管水头线 () A、只可能上升;
B、只可能下降; C、只可能水平;
D、以上 三种情况均有可能。
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8. 粘性流体总流的伯努利方程 () A、仅适用于渐变流截面; B、仅适用于急变流截面; C、渐变流截面急变流截面均适 用; D、仅适用于紊流的截面;
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