工程流体力学03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。

工程流体力学--第三章--流体动力学基础ppt课件

工程流体力学--第三章--流体动力学基础ppt课件
当地加速度和迁移加速度的理解,现举例说明这两个加速
度的物理意义。如图3-1所示,不可压缩流体流过一个中 间有收缩形的变截面管道,截面2比截面1小,则截面2的 速度就要比截面1的速度大。所以当流体质点从1点流到2 点时,由于截面的收缩引起速度的增加,从而产生了迁移
加速度,如果在某一段时间内流进管道的流体输入量有变
第三章 流体动力学基础
§1–1 描述流体运动的两种方法
§1–2 流体运动的一些基本概念
§1–3 流体运动的连续性方程
§1–4 理想流体的运动微分方程
§1–5 理想流体微元流束的伯努力方程
§1–6 伯努利(Bernoulli)方程的应用
§1–7 定常流动的动量方程和动量矩方程
§1–8 液体的空化和空蚀现象
拉格朗日方法又称随体法,是从分析流场中个别流体 质点着手来研究整个流体运动的。这种研究方法,最基本
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3
的参数是流体质点的位移,在某一时刻,任一流体质点的
位置可表示为:
X=x (a,b,c,t)
y=y (a,b,c,t)
z=z (a,b,c,t)
(3-1)
式中a、b、c为初始时刻任意流体质点的坐标,即不同的a、 b、c代表不同的流体质点。对于某个确定的流体质点,a、 b、c为常数,而t为变量,则得到流体质点的运动规律。 对于某个确定的时刻,t为常数,而a、b、c为变量,得到 某一时刻不同流体质点的位置分布。通常称a、b、c为拉
(3-2) (3-3)
az w t t22 zaz(a,b,c,t)
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式(3-6)是流体质点的运动轨迹方程,将上式对时间 求导就可得流体质点沿运动轨迹的三个速度分量
u dx dt

《工程流体力学》第三章 流体运动研究方法及一维定常流基本方程

《工程流体力学》第三章  流体运动研究方法及一维定常流基本方程
截面1-1和2-2:垂直于流动方向,为什么? 侧面1-2:平行于流动方向,为什么?
控制体:1-1-2-2,用I+III表示 在空间上:固定的
t时体系:1-1-2-2,t时刻占据控制体I+III的流体
t+dt时体系:1’-1’-2’-2’ dt时间后: t时体系沿流线运动到III+II
由质量守恒定律: t时体系内质量=t+dt时体系内质量
定常流:空间中任一点参数随不随时间变化? 不随
物理意义?
A1, r1, V1 —— 控制面1-1上的横截面积、气流密度、速度
物理意义?
A2, r2, V2 —— 控制面2-2上的横截面积、气流密度、速度
物理意义?
一维定常流连续方程:在一维定常流中,通过同一流管任 意截面上的流体质量流量、重量流量保持不变。
例1:已知平面非定常流中的流速分量为:ux=x+t, uy= -y+t, 求:流线方程和迹线方程。 解:流线微分方程:
其中t为常数 积分后:
最后得:
迹线微分方程:
其中t为变量
结论:非定常流中迹线与流线不同
—— 迹线方程 ——流线方程
例2:已知平面定常流中的流速分量为:ux=x, uy= -y, 求:流线方程和迹线方程。 解:由流线微分方程:
体系动量对时间变化率:
控制体 = t时体系 环境对控制体内流体作用力 = 环境对t时体系内流体作用力
牛顿第二定律: 某瞬时作用在体系上全部外力合力 =该瞬时体系动量对时间的变化率
分量形式:
作用在控制体内流体上的外力: 1)表面力:控制体外流体或固体壁面作用在控制面上力
作用在进口截面上切向力:0 作用在出口截面上切向力:0

工程流体力学 - 第3章 - M

工程流体力学 - 第3章 - M

2 、 水力半径 Rh :在总流的过流断面上与流
体相接触的固体边壁周长称为湿周,用χ表 示。总流过流断面面积与湿周χ之比称为水 力半径R,即
R
A

3、当量直径de=4Rh
五、流量与平均流速
1、流量
单位时间内通过过流断面的流体量称为流量。 流体量可以用体积、质量和重量表示,其相应的流量 分别是体积流量qv (m3/s)、质量流量qm (kg/s)和重量 流量Qg(N/s)。
v1 A1 v 2 A 2 q v
上式为一维流动连续性方程。
§3.6理想流体一维稳定流动的伯努里方程 一、欧拉方程
如图,在微元流管中 取一圆柱流体微团, 考察理想流体在重 力场中的一维流动。
轴向长度:δs,
端面面积:δA,
端面⊥轴线,
侧面∥轴线。

流体微团受力分析: 方向:垂直向下
质量力:重力,大小:ρgδAδs 表面力:
一.拉格朗日方法
拉格朗日方法着眼于流体质点,跟踪每个 流体质点的运动全过程及描述运动过程中各质 点、各物理量随时间变化的规律。又称轨迹法。 设t=t0时,流体质点的坐标值是(a,b,c)。 流体质点的空间位置、密度、压强和温度 可表示为: r r a,b,c,t = a,b,c,t p p a,b,c,t T T a,b,c,t
第三章 流体动力学

流体运动学是用几何学的观点来研究流体的运动 规律,是流体力学的一个组成部分。 掌握描述流动的两种方法(拉格朗日法及欧拉

法),结合迹线,流线,流体线等显示流动特性 的曲线图谱研究流动特性。

掌握流体动力学的基本方程,即质量守恒方程, 能量守恒方程动量定理,动量矩定理,重点是关 于控制体的欧拉型方程。

工程流体力学第三章部分习题答案

工程流体力学第三章部分习题答案

概念题
伯努利方程的适用条件
伯努利方程适用于不可压缩、无粘性、无热传导的理想流体在重力场作稳定流动时,流体的动能、势能和内能相互转化的守 恒定律。
概念题
流体阻力的类型
流体阻力包括摩擦阻力和形状阻力。摩擦阻力是由于流体内 部摩擦而产生的阻力,形状阻力是由于流体流经物体时,因 流体速度变化而产生的阻力。
工程流体力学第三章部 分习题答案
contents
目录
• 习题一:基础概念理解 • 习题二:流体运动分析 • 习题三:流体压力和阻力 • 习题四:流体的无损检测技术
习题一:基础概念理
01

概念题
理解概念 题目:解释流线、迹线、流管、流束、流量等基本概念。
概念题
流线
表示某一瞬时流场中流体质点的 运动轨迹线,流线上各点的方向 与流速方向一致。
概念题
流体阻力的影响因素
流体阻力的影响因素包括流体的性质、 流速、物体的形状和大小、流道表面 的粗糙度等。
计算题
流体静压力的计算
根据流体静压力的定义,流体静压力的大小可以用流体深 度和当地的重力加速度计算得出。如果已知流体的密度和 重力加速度,也可以用流体质量和重力加速度计算得出。
计算题
伯努利方程的应用
计算题
题目
计算流体通过某一管道的流量。
答案
根据流量公式,流体通过某一管道的流量Q可以表示为Q = A × v,其中A为管 道截面积,v为流体在管道中的平均流速。如果已知管道截面积A和流速v,可以 直接计算出流量Q。
03
习题三:流体压力和
阻力
概念题
流体静压力的概念
流体静压力是指流体在静止状态下,由于重力作用在单位面积上的力,其大小与深度有关,深度越大 ,压力越大。

工程流体力学第三章

工程流体力学第三章

物理量
比起流体质点本身, 比起流体质点本身,工程上我们更关心某一 时刻流体质点上所携带的一些特征参量,比如: 时刻流体质点上所携带的一些特征参量,比如: 速度、压强、温度、电流等。 速度、压强、温度、电流等。 我们把这些流体具有的特征参量统称为物理 我们把这些流体具有的特征参量统称为物理 流体具有的特征参量 流动参数。 也成为流动参数 量,也成为流动参数。 流体的流动是由流体具有的物理量来表征的, 流体的流动是由流体具有的物理量来表征的, 因此,描述流体的运动也就是表达流动参数在不 因此,描述流体的运动也就是表达流动参数在不 同空间位置上随时间的变化规律。 同空间位置上随时间的变化规律。
DV V ( M ', t + ∆t ) − V ( M , t ) = lim Dt ∆t →0 ∆t
L M’ M
V (M , t ) V ( M ' , t + ∆t )
3.1.3随体导数 随体导数
这里用 D 表示这种导数不同于牛顿定律 Dt 对速度的简单导数
L M’ M
DV V ( M ', t + ∆t ) − V ( M , t ) = lim Dt ∆t →0 ∆t
速度的变化有两方面的原因:
一方面的原因, 质点由M 点运动至M 点时,
'
时间过去了∆t,由于场的时间非定常性引 起速度的变化
另一方面, 质点由M 点运动至M '点时, 位置 发生了变化,由于场的空间不均匀性引起 速度的变化
3.1.3随体导数 随体导数
按照时间和空间引起速度变化,把极限分为两部分
DV V ( M ', t + ∆t ) − V ( M , t ) = lim Dt ∆t →0 ∆t

工程流体力学-第三章

工程流体力学-第三章

三、流管、流束和总流
1. 流管:在流场中任取一不是流 线的封闭曲线L,过曲线上的每 一点作流线,这些流线所组成的 管状表面称为流管。 2. 流束:流管内部的全部流体称 为流束。 3. 总流:如果封闭曲线取在管道 内部周线上,则流束就是充满管 道内部的全部流体,这种情况通 常称为总流。 4. 微小流束:封闭曲线极限近于 一条流线的流束 。
ax

dux dt

dux (x, y, z,t) dt

ux t
ux
ux t
uy
ux t
uz
ux t
ay

du y dt

duy (x, y, z,t) dt

u y t
ux
u y t
uy
u y t
uz
u y t
az

du z dt

duz (x, y, z,t) dt
x x(a,b,c,t)
y y(a,b,c,t)
z z(a,b,c,t)
欧拉法中的迹线微分方程
速度定义
u dr (dr为质点在时间间隔 dt内所移动的距离) dt
迹线的微分方程
dx dt

ux (x, y, z,t)
dy dt uy (x, y, z,t)
dz dt uz (x, y, z,t)
说明: (1)体积流量一般多用于表示不可压缩流体的流量。 (2)质量流量多用于表示可压缩流体的流量。
(3) 质量流量与体积流量的关系
Qm Q
(4) 流量计算 单位时间内通过dA的微小流量
dQ udA
通过整个过流断面流量
Q dQ udA A

工程流体力学课后答案 第三章 流体动力学基础

工程流体力学课后答案  第三章 流体动力学基础

第3章 流体动力学基础3.1 解: zuu y u u x u u t u a x z x y x x x x ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=()()342246222222222=++++=+-++++=++=z y x t z y t y x t u u y xzu u yu u xu u tu a y zy yy xy y ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=()()32111=-++=-+++--=+-=z y x z x t z y t u u x yzu u y u u x u u t u a z z z y z x z z ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=()()112122211=++++=-+-+++=-+=z y x t z y t y x t u u z x222286.35s m a a a a z y x =++=3.2 解:(1)3235623=-=+=xy xy u xy y u a y x x222527310.3333231s m a a a y u y a y x y y =+===-=(2)二元流动(3)恒定流 (4)非均匀流 3.3 解:bh u y h u bdy h y u udA Q h hA m ax 07871m ax 071m ax 8787==⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎰⎰ m ax 87u A Q v ==3.4 解:s m dd v v 02.011.02221221=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 3.5 解:Hd v d 1v 1q 1q 2223d 3v Dv 1dv 2(1)s m v d Q 332330785.04==πs m q Q Q 32321.0=+= s m Q q Q 321115.0=+=(2)s m d Q v 12.242111==πs m d Q v 18.342222==π 3.6 解:渠中:s m m m s m bh v Q 311612/3=⨯⨯==管中:2231242.1d v s m Q Q Q ⨯⨯==-=πm v Q d 0186.1422==π 3.7 解: s m d d v v ABB A62.04.05.1442222=⨯=⋅=ππ以过A 点的水平面为等压面,则OmH g v g p h H OmH g v g p H B B B A A A 2222226964.58.925.18.9405.128980.48.9268.9302=⨯++=++==⨯+=+=ρρ可以看出:A B H H >,水将从B 点流向A 点。

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For only one inlet and one outlet According to continuity
mout min m
d (mV ) s F m(Vout Vin ) dt
2-out, 1- in

Fx m(V 2 x V 1x)
y
Fy m(V 2 y V 1 y )
3.2 Basic Physical Laws of Fluid Mechanics
All the laws of mechanics are written for a system, which state what happens when there is an interaction between the system and it’s surroundings. If m is the mass of the system Conservation of mass(质量守恒) Newton’s second law Angular momentum First law of thermodynamic
1-D in & out steady RTT
mV
dmV V dm
(linear momentum)
momentum perunit mass
flux
d (mV ) s ( i AiV iV i )out ( i AiV iV i)in (mi V i )out (mi V i )in i i dt i i
s
t t+dt
t
t+dt
: any property of fluid (m, mV , H , E)
d dm
:The amount of
per unit mass
is :
The total amount of
in the CV
CV cv d cv dm
d ( CV ) dt
R=287.4 J/kg.K。
gas constant
Solution
According to the conservation of mass
p p1 AV 1 1 AV 45.1 kg / s m AV RT RT1
p1 AV p2 A2V2 1 1 m 1 AV A V RT RT 1 1 2 2 2 1 2 A1 p1 T2 V2 V1 A p T 565.1 m / s 2 2 1
F m(V 2 V 1)
F x m(V 2 x V 1x ) m V 2


2 1
F sx p 2 A2 mV 2
2 2 4 78.5 d 2 F sx p 2 A2 mV 2 3696 N p 2 2 998 d 2 4

y

o
x
In the like manner
V 1) mV 1 F sy p1 A1 m(0 F sy p1 A1 mV 1 -4642N
1-D flow : is only the function of s .
( s)
(d )in ( dm)in ( Ads)in ( AVdt )in
In the like manner
(d )out ( AVdt )out
s
ds
t t+dt t t+dt

m const
or
dm 0 dt
dV d ( mV ) F ma m dt dt dH M H (r V ) m dt
dQ dW dE dt dt dt
It is rare that we wish to follow the ultimate path of a specific particle of fluid. Instead it is likely that the fluid forms the environment whose effect on our product we wish to know, such as how an airplane is affected by the surrounding air, how a ship is affected by the surrounding water. This requires that the basic laws be rewritten to apply to a specific region in the neighbored of our product namely a control volume ( CV). The boundary of the CV is called control
d s d cv 1 [(d ) out ( d )in] dt dt dt
d cv [( AV )out ( AV )in ] dt
For steady flow :
d cv 0 dt
RTT

ds ( AV ) out ( AV )in dt
Homework: P185 P3.12, P189P3.36
3.4 The Linear Momentum Equation (动量方程) ( Newton’s Second Law )
ds ( i AiV i )out ( i AiV i )in dt i i
i
(m )
i
i in
( m i )out
i
Mass flux (质量流量 m )
For incompressible flow:
( A V )
i i
i out
( AiV i )in
i
Qi AiV i Volume flux
体积流量
If only one inlet and one outlet
Fz m(V 2 z Vmple: A fixed control volume of a streamtube in steady flow has a uniform inlet (1,A1,V1 )and a uniform exit (2,A2,V2) . Find the net force on the control volume.
3.3 Conservation of mass (质量守恒)
(Continuity Equation)
f=m
dm/dm=1
dms ( i AiV i )out ( i AiV i)in 0 dt i i
( A V
i i i
i out
)
( i AiV i )in
Chapter 3 Integral Relations(积分关系式) for a Control Volume in One-dimensional Steady Flows
3.1 Systems (体系) versus Control Volumes (控制体)
System:an arbitrary quantity of mass of fixed identity. Everything external to this system is denoted by the term surroundings, and the system is separated from its surroundings by it‘s boundaries through which no mass across. (Lagrange 拉格朗日) Control Volume (CV): In the neighborhood of our product the fluid forms the environment whose effect on our product we wish to know. This specific region is called control volume, with open boundaries through which mass, momentum and energy are allowed to across. (Euler 欧拉) Fixed CV, moving CV, deforming CV
Newton’s second law
d (mV ) s (m V )out (m V )in i i i i F dt i i
mi V i :Momentum flux (动量流量)
F
:Net force on the system or CV (体系或控制体受到的合外力)
surface(CS)
Basic Laws for system
3.3 The Reynolds Transport Theorem (RTT) 雷诺输运定理
for CV
1122 is CV . 1*1*2*2* is system which occupies the CV at instant t.
If there are several one-D inlets and outlets :
d s ( i i AV i i ) out ( i i AV i i )in dt i i
Steady , 1-D only in inlets and outlets, no matter how the flow is within the CV .
Solution:
F m(V 2 V 1)
m 1 A1V 1 2 A2V 2
2
V1
V2
F x m(V2 x V1x ) m(V 2 V 1 cos )
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