流体力学的基本方程
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。
流体力学中的方程与数学模型
流体力学中的方程与数学模型在流体力学中，方程与数学模型扮演着至关重要的角色。
流体力学是研究流体运动规律的科学，涉及空气、水、油等各种流体的性质、运动和力学。
通过建立数学模型和方程，我们可以更好地理解和预测流体的行为，为工程和科学领域提供有力支持。
一、流体力学的基本方程在研究流体力学中，最基本的方程包括质量守恒方程、动量方程和能量方程。
质量守恒方程描述了流体内部质量的变化和流动过程中质量的流动规律；动量方程则可以揭示流体受到的外力、内部粘性和惯性力的平衡关系；能量方程则描述了流体内部能量的传递和转化过程。
这些方程是流体力学研究的基础，通过它们我们可以定量地描述和分析流体的运动状态。
二、纳维-斯托克斯方程在流体力学中，纳维-斯托克斯方程是一组描述流体运动规律的基本方程。
它由质量守恒方程和动量方程组成，可以描述流体的运动状态和力学性质。
在实际应用中，纳维-斯托克斯方程通常会结合流体的黏性特性以及边界条件进行求解，从而得到流体在不同情况下的运动规律。
三、雷诺数和流体动力学在流体力学中，雷诺数是一个重要的无量纲参数，用于描述流体的惯性力和粘性力之间的相对重要性。
当雷诺数较大时，惯性力占主导地位，流体呈现湍流状态；而当雷诺数较小时，粘性力占主导地位，流体呈现层流状态。
通过控制雷诺数，我们可以探索不同流体状态下的运动特性和动力学行为。
四、数学模型在流体力学中的应用数学模型在流体力学中扮演着至关重要的角色，它可以将流体力学方程转化为数学方程，并通过数值计算和模拟来研究流体的运动规律和特性。
数学模型可以帮助工程师和科学家们更好地设计流体系统、预测流体行为以及优化流体流动过程。
通过数学模型，我们可以深入理解流体力学中复杂的现象和规律，为实际工程和科学问题提供解决方案。
总结：在流体力学中，方程与数学模型是不可或缺的工具，它们为我们理解和研究流体的运动规律提供了重要的理论基础。
通过建立数学模型和求解流体力学方程，我们可以揭示流体的行为特性、预测流体的运动状态，并为实际工程和科学应用提供支持和指导。
《流体力学》流体力学基本方程
2.2 描述流体运动的一些基本概念
2.2.1定常流与非定常流
流场中所有的运动 要素不随时间变化
u u(x, y, z)
(x, y, z)
p p(x, y, z)
u 0 t p 0 t
0
t
流场中有运动 要素随时间变化
u u(x, y, z,t)
(x, y, z,t)
p p(x, y, z,t)
p p(x, y, z,t) (x, y, z,t)
x, y, z ,t--欧拉变量，其中x，y，z与时间t有关。
欧拉法是常用的方法。
5
16 October 2021
欧拉法中的加速度 -- 质点速度矢量对时间的变化率。
a
u t
ux
u x
uy
u y
uz
u z
三个分量：
ax
ux t
ux
ux x
拉格朗日法 从流体质点的运动着手，描述每一个流体质点自始至 终的运动过程。如果知道了所有流体质点的运动规律，那么整个流 体的运动规律也就清楚了。是质点--时间描述法。
质点运动的轨迹
x x(a,b,c,t)
y y(a,b,c,t)
z z(a,b,c,t)
a, b, c --- t = t0 时刻质点所在的空间位置坐标， 称为拉格朗日变量，用来指定质点。
ln x t ln y t ln c
(x t)(y t) c
将 t = 0，x = -1，y = -1 代入，得瞬时流线 xy = 1, 流线是双曲线。
y x
12
16 October 2021
2. 求迹线
将已知速度分布代入式(2.2.1)可得
dx x t, dy ( y t), dz 0
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。
流体力学中的三大基本方程
vy 和 dxdydz y
v z dxdydz z
故单位时间内流出与流入微元体流体质量总变化为：
（ ） （ ） （ ） d x d y d z x y z x y z
⑵控制体内质量变化：
因控制体是固定的，质量变化是因密度变化引起的，dt时间内：
2 2 g
：单位重量流体所具有的动能；
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 。
y y y y x y z y
运动方程：
y x z 0 x y z
2 y 2
2 2 2 1 p z z z z z z z f ( ) x y z z 2 2 2 t x y z z x y z
当地加速度：流场中某处流体运动速度对时间 的偏导数，反映了流体速度在固定位置处的时 间变化特性 迁移加速度：流场由于流出、流进某一微小区 域而表现出的速度变化率。
流体质点加速度
dx x x x x ax x y z dt t x y z dy y y y y ay x y z dt t x y z dz z z z z az x y z dt t x y z
a在三个坐标轴上的分量表示成：
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：
d p x d x d y d z d x d y d z f d x d y d z x d t x
流体力学中的三大基本方程
dx
dt
p x
fx
单位质量流体的运动微分方程：
dx
dt
1
p x
fx
16
同理可得y,z方向上的：
dx
dt
x
t
x
x
x
y
x
y
z
x
z
1
p x
fx
dy
dt
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
1
p y
fy
dz
dt
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
1
p z
fz
17
向量形式：
dr
r f
1
gradp
dt
——理想流体欧拉运动微分方程
式中：
2x
z 2
)
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
fy
1
p y
( 2 y
x2
2 y
y 2
2 y )
z 2
19
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
fz
1
p z
( 2z
x 2
2z
y 2
2z )
z 2
1.
含有四个未知量（
，
x
y，完 z整, P的）方程组。
2. 描述了各种量间的依赖关系。
3. 通解、单值条件（几何条件、物理条件、边界条件、初始 条件）→特解。
流体力学的基本方程
流体速度v、压力p、密度ρ和温度T等的对应表达式为：
流动空间中的流动诸参
因此流动参数构成了场（矢量与标量），就可使用场论这
一有力的数学工具。
欧拉法质点加速度表达式为：
在直角坐标系中：
*
加速度矢量式：
*
用欧拉法描述流体的运动时，加速度由两部分组成：
拉格朗日法和欧拉法的比较
*
欧拉法中a=dv/dt为一阶导数，相应的运动方程是一阶偏微分方程；拉格朗日法中a=∂2r/ ∂ t2为二阶导数，相应的运动方程是二阶偏微分方程。 [例2-1]见书P12-13
欧拉法得到流场，拉格朗日法得不到流场；
*
第二节 流体运动的基本概念
PART ONE
一.定常流动和非定常流动
*
流体运动过程中，若各空间点上对应的物理量不随时间而变化，则称此流动为定常流动，反之为非定常流动。
在定常流动中，流场内物理量不随时间而变化，仅是空间点的函数。
二.均匀流动和非均匀流动
*
流体在运动过程中，若所有物理量皆不依赖于空间坐标，只是时间t的函数，则称此流动为均匀流动，反之为非均匀流动。
三.一维、二维、三维流动
积分以上微分方程，消去时间t，即得迹线方程。
M2
M1
M3
M4
V1
V2
V3
V4
（二）流线 流线是某固定时刻流场中的瞬时曲线，是流场的几何表示，是在同一瞬时形成的曲线，曲线上每一点的切线都与速度矢量相重合。与欧拉法相对应。
给出流场V(x,y,z,t)后，对x,y,z积分上式，即可得到流线方程。
t = 0 时过 M(-1,-1)点的流线：
举 例
t = 0 时过 M(-1,-1)： C1 = C2 = 0
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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
§2.1 连续方程
四、其他形式的连续方程
3.有源、汇ห้องสมุดไป่ตู้连续方程
t xk
ukQ
4. 积分形式的连续方程
d
cvt
V c vund A0
第二章 流体力学的基本方程
§2.3 能量方程
D D (t)tu d
D u d Dt
一、总能量方程的推导
D D t e t 1 2 u u d A t u p n d t A u f d A t n q dA
由雷诺输运公式的 简化形式得，
系统的能量转换及守恒定理（热力学第一定律）： 在流动过程中，流体系统的能量增加量等于外界对其做功及传入热量
之和。 控制体的能量转换及守恒定理：
控制体能量的净加入量等于控制体内流体能量的变化量
第二章 流体力学的基本方程
§2.3 能量方程
一、总能量方程的推导
任取流动系统，体积τ(t) ，外表面A (t) ，
第二章 流体力学的基本方程
§2.3 能量方程
D D (t)tu d
D u d Dt
一、总能量方程的推导
D D e 1 2 u t u d A u p n d u A f d A n q dA
利用高斯公式得， A u p n d A A u n d A A n u d s u d
注意：在使用输运公式时，已经用初始时刻与系统相重合的固定体
积（控制体）替换了随时间变化的系统的体积τ(t)
利用高斯公式得，
D D u d t d f d
D D u t f d 0
第二章 流体力学的基本方程
§2.2 动量方程
一、动量方程的推导
D D u t f d 0
u0 或
t
张量形式：
t xk
uk0
或
Du0
Dt
Duk 0
Dt xk
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
从欧拉系下出发， 控制体的质量净流入量 = 控制体内流体质量的变化量
1.笛卡尔坐标系下的连续方程
控制体的选取: 边长为dx，dy，dz的微元平行六面体。 x轴方向流体质量的流进和流出
第二章 流体力学的基本方程
§2.2 动量方程
一、动量方程的推导
系统的动量定理： 系统的动量: 作用在系统上的质量力:
Dk
F
Dt
k u d (t)
fd
(t )
作用在系统上的表面力:
A(t) pndA
由动量定理得积分形式的动量方程:
D D ( t)t u d A ( t)p n d A ( t) f d
t r 1 2 r ( r 2 V r ) r s 1 i ( n V s) ir s n 1 i ( n V ) 0
第二章 流体力学的基本方程
§2.1 连续方程
三、连续方程的物理意义
Duk 0
Dt xk
t xk
uk0
1 D
Dt
uk
u
xk
——流体系统的相对密度变化率 ——流体系统的相对体积变化率
x轴方向流体 的净流出量：
y轴方向流体的 净流出量：
( xd 2)x v (x v x xd 2)d x y(d z xd 2)x v (x v x xd 2)d x ydz ( v x xd xvx xd)d xyd x(zvx)dxdydz
y
(vy
)dx
dydz
z轴方向流体的 净流出量：
D D t te 1 2 u u d D D e 1 2 t u u d
注意：在使用输运公式后，随时间变化的系统的体积τ(t)已经被 初始时刻与系统相重合的固定体积（控制体）替换了。
D D e 1 2 u t u d A u p n d u A f d A n q dA
t x (v x ) y (v y ) z(v z) 0
t xk
uk0
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
2.正交曲线坐标系下的连续方程
控制体的选取: 边长为ds1，ds2，ds3的微元平行六面体。
d 1 h 1 s d 1d q 2 h s 2 d 2d q 3 h s 3 d 3 q
上 述 积 分 的 积 分 区 域 τ相对于整个流动区域来说是任选的，要使积
分恒等于零，只有被积函 数等于零，
D u f
u D u tu f t
张量形式:
D Dujtxiijfj
或 u tjui u xij xiijfj
守恒形式:
u u u f 或 t
λ和μ在流场中 均匀时：
D D j u t x p j x j u x k k 2 x u i 2 jfj
不可压缩流体：
D Dju t xpj 2 xu i2j fj
理想流体：
Duj
Dt
p xj
fj
第二章 流体力学的基本方程
§2.3 能量方程
方程建立的理论依据：能量转换及守恒定理
§2.1 连续方程
一、连续方程推导方法之一
从拉格朗日系下出发， 流体系统的质量保持不变。
取一个流体系统，其体积为τ(t) ,
流体系统的质量为：M d (t)
故 ： DM D d0
DtDt(t)
由雷诺输运定理， t u d D D tu d 0
注意：在使用输运公式时，已经用初始时刻与系统相重合的固定体
定常流动：
cvundA0
不可压缩流体： cvundA0
第二章 流体力学的基本方程
Duk 0
Dt xk
t xk
uk0
§2.2 动量方程
方程建立的理论依据：牛顿第二定理或动量定理
系统的牛顿第二定理： 在流动过程中，流体系统的合外力等于系统质量乘于其加速度。
系统的动量定理： 系统中流体动量的变化率等于作用在该系统上的合外力。
第二章 流体力学的基本方程
§2.2 动量方程
一、动量方程的推导
D pnnD u
D (t)tu d
d Dt
将应力张量代入得：
由雷诺输运公式的 简化形式得，
D D ( t)t u d A n ( t) d A ( t) f d D D u d t A n d A f d
方程右边表示单位体积流体所受的力： 第一项是应力张量的散度，表示作用在单位体积流体上的表面力； 第二项表示作用在单位体积流体上的质量力。
第二章 流体力学的基本方程
§2.2 动量方程
三、N-S方程
本构方程： ij pij is jk k2s ij
故：
代入动量方 程 后 得 N-S 方程： 矢量形式：
ij
xi
xi
pijijsk
kxuij
uj xi
p xj xj
uxkk
xi
xuij
uj xi
D D j u x p tj x j u x k k x i x u i j u x i j fj
D u p u 2 S f Dt
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
2.正交曲线坐标系下的连续方程
笛卡尔坐标系： (u x) (u y) (u z) 0
t x y z
圆柱坐标系： 球坐标系：
t 1 r r (rr ) V r (V ) z (V z ) 0
积（控制体）替换了随时间变化的系统的体积τ(t)
第二章 流体力学的基本方程
§2.1 连续方程
一、连续方程推导方法之一
t u d D D tu d 0
上 述 积 分 的 积 分 区 域 τ相对于整个流动区域来说是任选的，要使积 分恒等于零，只有被积函 数等于零，
A n q d s A q d
得：
D D e 1 2 u t u u u f q d 0