工程流体力学(3) PPT课件
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中职教育-《工程流体力学》课件：第3章 流体运动学(5).ppt
速度势 d udx vdy U0dx U0x
流函数 d vdx udy U0dy U0 y
y
φ=C
y
U0
o 图图33..2244 均 均流 流
Ψ=C' x
ox
U0 α
图图33..2255 一一般 般形形式式的的均流均流
工程流体力学
以上结果可推广到一般情况。
设均流速度与x轴成 角，如图3.25。
2
求：（1）该渠道的速度分布；
（2）t=0时，r=2m处流体的速度和加速度。
工程流体力学
【解】 （1）该渠道流量壁面交角1弧度时为
Q 1 t 1 2
则当交角为2π弧度时的流量为
m
2π
1 2
t
1
源的速度势
o
1rad
m 2π
ln
r
1 2
t
1 ln
r
r=2m
流场的速度场
3.18 水渠的流动
vr
若以直角坐标表示
图图3.32.72 7汇汇
工程流体力学
(x, y) m ln x2 y2
2π (x, y) m arctg y
2π x
在实际的油田中，对于均匀等厚的地层，在稳 定情况下，油流向生产井可看作是汇。
【例3.13】如图3.28，有一扩大的水渠，两壁面交
角为1弧度，在两壁面相交处有一小缝，通过该缝 流出的体积流量 Q 1 t 1 （m3/s）。
dr
m 2π
ln
r
rθ o
φ=C x
流函数
d
r
dr
d
图3.26 源
3.26 源
v
dr
vr rd
m rd
工程流体力学课件3
四、过流断面，流量， 断面平均流速
与流束中所有流线垂直的横截面称为过流断面 （过水断面）。 元流的过流断面面积为 dA， 总流的为 A。 单位时间内通过元流或总流过流 断面的流体量称为流量。 QV m3/s ，L/s Qm kg/s
曲 面 平 面
若流体量以体积来度量：体积流量 若流体量以质量来度量：质量流量
重、难点
1.连续性方程、伯努利方程和动量方程。 2.应用三大方程联立求解工程实际问题。
第一节 描述流体运动的两种方法
• 静止流体（不论
p
• 运动理想流体
P= - pn
理想或实际流体） p
P= - pn
p ：动压强 p ：静压强
定义
流体的动压强
1 p ( p xx p yy p zz ) 3
G cos gdAdh cos gdAdz
对n－n， Fn 0
z
0
0
( p dp)dA pdA gdAdz 0
整理并积分，得
p z C g
z1 z2
p1
C1 C2
p2
z1
p1
z2
p2
• 非均匀流
是 否 接 近 均 匀 流 ？
流场 —— 充满运动流体的空间称为流场
描述流体运动的方法 拉格朗日法：跟踪 着眼于流体质点，跟 踪质点并描述其运动历程 欧拉法：布哨 着眼于空间点，研究质点 流经空间各固定点的运动特性
一、拉格朗日法：研究对象为流场中的各流体质 点，也即研究流场中每个流体质点的运动参数随 时间 t 的变化规律。
z
注：流体质点不能穿越流面两侧或流管 面内外流动。
第三节流体力学优秀课件
总压 静压 动压
设(待测流体密度) (压强计工作量密度)：
U形皮托管
总压与静压之差：
pApB()gh
pA
pB
1 2
v2
v 2gh( )
4. 升力 取两根很薄的流管，分别紧贴机翼的上下两侧。
不计高度差：
12v02p012v22p2, 12v02p012v32p3
p3p2
1
2
v22v32
§1.3.4 实际流体的运动规律 P 21
一、粘滞流体的能量方程 流体流动时相邻两层之间会产生沿切向的阻
碍相对滑动的力，称为内摩擦力（或粘滞力）
当有粘性的流体流过固体 表面时，靠近固体表面的一层 流体附着在固体表面上不动， 而流层之间由于粘滞力而层层 牵制，造成各层流速不同。
气体的粘度随温度升高而增 大，液体的粘度随温度升高而减 小。
各条流线不会相交
流管： 流体内由流线所围成的细管
二、定常流动和不定常流动 不定常流动： 流场中各点的流速是该点的位置和时间的函数:
vv(x,y,z,t) 流线的形状随时间而变
流线与流体单个质元的运动轨迹并不重合
定常流动：
流场不随时间而变化: vv(x,y,z)
流场中任一固定点的流速、压强和密度等都 不随时间变化
§1.3.1 流体运动的描述
一、流场、流线和流管
流体的流动性
各部分质元的运动情况都不同
• 欧拉法： 处理流体的运动问题时，考察流体所在的空
间中各点，研究流体的各质元在流经这些点时 所具有的速度、密度和压强等，以及这些量随 时间的变化关系。
流体速度场（流场）： 在流体运动过程的每一瞬时，流体在所占据 的空间每一点都具有一定的流速。－ 矢量场 流线（流场中一系列假想的曲线） 每一瞬时流线上任一点的切线方向，和流经该点 的流体质元的速度方向一致。
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(3)PPT课件
授课：XXX
14
工程上可将问题简化：
2021/3/9
授课：XXX
15
将翼展z方向看成无限长，三维问题简化
成二维处理。
2021/3/9
授课：XXX
16
§2 流线和流管
一、迹线
定义：流体质点运动的轨迹线。
2021/3/9
授课：XXX
17
二、流线
定义：
是表示某一瞬时流体各点流动趋势
的曲线，曲线上任一点的切线方向与该 点的流速方向重合。
1.边界随流团一起运动，其形状、大小随 时间变化。
2.边界上无质量交换， 即无流入也无流出。
系统
V
3.在系统边界上，受到 外界作用在系统边界上 的力。
系统边界
2021/3/9
授课：XXX
4
二、欧拉法 以流体质点流经流场中各空间点的
运动即以流场作为描述对象，研究流动 的方法。
它不直接追究质点的运动过程， 而是以充满运动液体质点的空间——流 场为对象。研究各时刻质点在流场中的 变化规律。
质点
du u u x u y u z dt t x t y t z t
导数:
2021/3/9
u t
u u v x 授课：XXX
u y
wu z
ax
8
同理
axd du t u tu u xv u yw u z
ayd dv t v tu v xv y vw v z
azd dw t w tu w xv w yw w z
dNNuNvNwN dt t x y z
N可是矢量也可是标量。
N ——当地变化率（局部变化率）
t
uNvNwN ——迁移变化率
工程流体力学课件3流体动力学基础
总结词
边界层理论是研究流体在固体表面附近流动的理论， 其特征包括流体的粘性和湍流状态。
详细描述
边界层理论主要关注流体与固体表面之间的相互作用 ，特别是流体的粘性和湍流状态对流动的影响。在边 界层内，流体的速度和压力变化梯度较大，湍流状态 较为明显。
边界层分离现象和转捩过程
总结词
边界层分离现象是指流体在经过曲面或突然扩大区域 时，流速减小，压力增加，导致流体离开壁面并形成 回流的现象。转捩过程则是从层流到湍流的过渡过程 。
有旋流动
需要求解偏微分方程组，如纳维-斯托克斯 方程（Navier-Stokes equations），该方 程组较为复杂，需要采用数值方法进行求解
。
05 流体动力学中的湍流流动
湍流流动的定义和特征
湍流流动的定义
湍流是一种高度复杂的流动状态，其中流体的速度、压 力和其它属性随时间和空间变化。
湍流流动的特征
质量守恒定律在流体中的应用
质量守恒定律
物质的质量不会凭空产生也不会消失，只会从一种形式转化为另一种形式。在流体中，质量守恒定律表现为流体 微元的质量变化率等于进入和离开微元的净质量流量。
质量守恒方程
根据质量守恒定律，流体微元的质量变化率可以表示为流入和流出微元的净质量流量。这个方程是流体动力学基 本方程之一，用于描述流体的运动特性。
流体流动的描述方法
描述流体流动的方法包括拉格朗日法和欧拉法。
拉格朗日法是以流体质点作为描述对象，追踪各个质点的运动轨迹，研究其速度、加速度等参数随时 间的变化。欧拉法是以空间点作为描述对象，研究空间点上流速、压强等参数随时间和空间的变化。
03 流体动力学基本方程的推 导
牛顿第二定律在流体中的应用
能源
边界层理论是研究流体在固体表面附近流动的理论， 其特征包括流体的粘性和湍流状态。
详细描述
边界层理论主要关注流体与固体表面之间的相互作用 ，特别是流体的粘性和湍流状态对流动的影响。在边 界层内，流体的速度和压力变化梯度较大，湍流状态 较为明显。
边界层分离现象和转捩过程
总结词
边界层分离现象是指流体在经过曲面或突然扩大区域 时，流速减小，压力增加，导致流体离开壁面并形成 回流的现象。转捩过程则是从层流到湍流的过渡过程 。
有旋流动
需要求解偏微分方程组，如纳维-斯托克斯 方程（Navier-Stokes equations），该方 程组较为复杂，需要采用数值方法进行求解
。
05 流体动力学中的湍流流动
湍流流动的定义和特征
湍流流动的定义
湍流是一种高度复杂的流动状态，其中流体的速度、压 力和其它属性随时间和空间变化。
湍流流动的特征
质量守恒定律在流体中的应用
质量守恒定律
物质的质量不会凭空产生也不会消失，只会从一种形式转化为另一种形式。在流体中，质量守恒定律表现为流体 微元的质量变化率等于进入和离开微元的净质量流量。
质量守恒方程
根据质量守恒定律，流体微元的质量变化率可以表示为流入和流出微元的净质量流量。这个方程是流体动力学基 本方程之一，用于描述流体的运动特性。
流体流动的描述方法
描述流体流动的方法包括拉格朗日法和欧拉法。
拉格朗日法是以流体质点作为描述对象，追踪各个质点的运动轨迹，研究其速度、加速度等参数随时 间的变化。欧拉法是以空间点作为描述对象，研究空间点上流速、压强等参数随时间和空间的变化。
03 流体动力学基本方程的推 导
牛顿第二定律在流体中的应用
能源
流体动力学基础(工程流体力学).ppt课件
dV
II '
t t
dV
II '
t
dt t0
t
lim
dV
III
t t
dV
I
t
t 0
t
δt→0, II’ → II
x
nv
z
III
v II ' n
I
o y
20 20
dV
dV
II
tt II
t
lim t t0
t
dV
dV
lim III
t t
t0
t
v cosdA
质点、质点系和刚体 闭口系统或开口系统
均以确定不变的物质集协作为研讨对象！
7 7
定义：
系统(质量体)
在流膂力学中，系统是指由确定的流体质点所组成的流 体团。如下图。
系统以外的一切统称为外界。 系统和外界分开的真实或假象的外表称为系统的边境。
B C
A
D
Lagrange 方法！
系统
8
8
特点：
(1) 一定质量的流体质点的合集 (2) 系统的边境随流体一同运动，系统的体积、边境面的
31 31
固定的控制体
对固定的CV，积分方式的延续性方程可化为
CS
ρ(
vn
)dA
CV
t
dV
运动的控制体
将控制体随物体一同运动时，延续性方程方式不变，只
需将速度改成相对速度vr
t
dV
CV
CS (vr n)dA 0
32 32
延续方程的简化
★1、对于均质不可压流体： ρ=const
dV 0
令β＝1，由系统的质量不变可得延续性方程
工程流体力学3
由此得流线的微分表达式： dx dy dz
u( x, y, z, t) v( x, y, z, t ) w( x, y, z, t)
上式可写成两个微分方程的方程组。令t为参数， 对x,y,z积分上式，便可得到两个曲面方程，这两个曲 面的交线就是流线。
四、流线的几个性质
(1)定常流动，流线不随时间变化，即流体质点必沿一确 定的流线运动，流线与迹线重合。 (2)非定常流动，流线随时间变化，即流场内任意一点的 流线在不同时刻将取不同形状，而任意一流体质点的迹 线总是确定的，故流线和迹线就不再始终重合。 (3)在同一点上某一瞬时只能有一个流动方向，因此只能 给出一条流线，所以流线一般不相交，只有在流场内速 度为零或为无穷大的那些点，流线可能相交。速度为零
A
Rh
水力半径与一般圆截面的
半径是完全不同的概念。
Rh r
例：半径为r的圆管内充满流体，Rh
所以:
Rh r
r2 2 r
r 2
6．当量直径 De: 4倍的有效截面积与湿周之比。
4A
De Rh
一般的流动都是三维空间内的流动，
例： v v( x, y, z) ，称为三维流动。 若流动参数是两个坐标的函数，则称为二维流动，若 流动参量是一个坐标的函数，则称为一维流动。 例：在一带锥度的圆管内的粘性流体的流动，流体质 点的速度与圆周角θ无关,流 体质点的速度是半径r和轴线距 离x的函数,即：u=f(r,x)。 这就是一个二维流动的问题.若
(2)流经流管中任意截面的流量为：Q
AV
cos(V
,
n)dA
2．平均流速
流经有效截面的体积流量除以有效截面面积所得的
商就是平均流速，即
V Q A
4．湿周χ : 在流体的有效截面上，流体同固体边界接触 部分的周长称为湿周，用χ表示，见图。
u( x, y, z, t) v( x, y, z, t ) w( x, y, z, t)
上式可写成两个微分方程的方程组。令t为参数， 对x,y,z积分上式，便可得到两个曲面方程，这两个曲 面的交线就是流线。
四、流线的几个性质
(1)定常流动，流线不随时间变化，即流体质点必沿一确 定的流线运动，流线与迹线重合。 (2)非定常流动，流线随时间变化，即流场内任意一点的 流线在不同时刻将取不同形状，而任意一流体质点的迹 线总是确定的，故流线和迹线就不再始终重合。 (3)在同一点上某一瞬时只能有一个流动方向，因此只能 给出一条流线，所以流线一般不相交，只有在流场内速 度为零或为无穷大的那些点，流线可能相交。速度为零
A
Rh
水力半径与一般圆截面的
半径是完全不同的概念。
Rh r
例：半径为r的圆管内充满流体，Rh
所以:
Rh r
r2 2 r
r 2
6．当量直径 De: 4倍的有效截面积与湿周之比。
4A
De Rh
一般的流动都是三维空间内的流动，
例： v v( x, y, z) ，称为三维流动。 若流动参数是两个坐标的函数，则称为二维流动，若 流动参量是一个坐标的函数，则称为一维流动。 例：在一带锥度的圆管内的粘性流体的流动，流体质 点的速度与圆周角θ无关,流 体质点的速度是半径r和轴线距 离x的函数,即：u=f(r,x)。 这就是一个二维流动的问题.若
(2)流经流管中任意截面的流量为：Q
AV
cos(V
,
n)dA
2．平均流速
流经有效截面的体积流量除以有效截面面积所得的
商就是平均流速，即
V Q A
4．湿周χ : 在流体的有效截面上，流体同固体边界接触 部分的周长称为湿周，用χ表示，见图。