流体力学5-漩涡理论
第五章漩涡理论基础
第五章不可压缩流体的二维流动引言：在前面几章主要讨论了理想流体和黏性流体一维流动，为解决工程实际中存在的一维流动问题打下了良好的基础。
本章讨论理想不可压流体的二维有势流动以及二维黏性流体绕物体流动的基本概念。
第一节有旋流动和无旋流动刚体的运动可分解为移动和转动两种运动形式，流体具有移动和转动两种运动形式。
另外，由于流体具有流动性，它还具有与刚体不同的另外一种运动形式，即变形运动(deformationmotion)。
本节只介绍流体旋转运动即有旋流动(rotation—alflow)和无旋流动(irrotational flow)。
一、有旋流动和无旋流动的定义流体的流动是有旋还是无旋，是由流体微团本身是否旋转来决定的。
流体在流动中，如果流场中有若干处流体微团具有绕通过其自身轴线的旋转运动，则称为有旋流动，如果在整个流场中各处的流体微团均不绕自身轴线的旋转运动，则称为无旋流动。
强调“判断流体流动是有旋流动还是无旋流动，仅仅由流体微团本身是否绕自身轴线的旋转运动来决定，而与流体微团的运动轨迹无关。
”举例虽然流体微团运动轨迹是圆形，但由于微团本身不旋转，故它是无旋流动；在图5—1(b)中，虽然流体微团运动轨迹是直线，但微团绕自身轴线旋转，故它是有旋流动。
在日常生活中也有类似的例子，例如儿童玩的活动转椅，当转轮绕水平轴旋转时，每个儿童坐的椅子都绕水平轴作圆周运动，但是每个儿童始终是头向上，脸朝着一个方向，即儿童对地来说没有旋转。
二、旋转角速度(rotationalangularvelocity)为了简化讨论，先分析流体微团的平面运动。
如图5—2所示有一矩形流体微团ABCD在XOY平面内，经丛时间后沿一条流线运动到另一位置，微团变形成A，B，C，D。
流体微团在Z周的旋转角速度定义为流体微团在XOY平面上的旋转角速度的平均值速度环量是一个标量，但具有正负号。
速度环量的正负号与速度方向和积分时所取的绕行方向有关。
流体力学中的涡旋流动特性分析
流体力学中的涡旋流动特性分析流体力学是研究流体运动特性的学科，涡旋流动是其中一种重要的流动形态。
涡旋流动是指流体在运动过程中形成的旋转流体结构，其在自然界中无处不在，比如气旋、漩涡、涡旋湍流等。
涡旋流动的特性分析对于许多领域具有重要意义，本文将从物理原理、数学模型和实际应用等角度探讨涡旋流动的特性和分析方法。
一、涡旋流动的物理原理涡旋流动的产生离不开某种力的作用，常见的力有两种，一种是体积力，如引力、浮力等；另一种是表面力，如摩擦力、表面张力等。
涡旋流动在自然界中的形成往往是由于体积力和表面力的复杂耦合作用。
在流体运动中，当流体受到力的作用时，会产生速度场的变化，而速度场的变化又反过来影响流体颗粒的运动轨迹，从而形成涡旋流动。
二、涡旋流动的数学模型为了研究流体力学问题，人们常常使用数学模型来描述和解决涡旋流动。
在流体力学领域中，最常用的模型是纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），这是一组描述流体运动的偏微分方程。
该方程组包含连续性方程和动量方程，可以用来求解流体的速度场和压力场。
对于涡旋流动，旋度的概念十分重要，旋度可以用来描述流体在单位面积上旋转的强度和方向。
通过对纳维-斯托克斯方程进行旋度运算，可以得到旋度方程，揭示涡旋流动的演化规律。
三、涡旋流动的特性分析方法1. 数值模拟方法：随着计算机技术的发展，数值模拟方法在涡旋流动分析中得到广泛应用。
数值模拟方法通过将流体力学方程离散化为代数方程组，使用数值计算方法求解方程组，得到流体的速度场和压力场。
目前常用的数值模拟方法有有限元法、有限体积法和边界元法等，这些方法可以通过数值计算得到流体中涡旋的形状、大小和演化规律。
2. 实验观测方法：实验观测方法是涡旋流动分析的经典手段之一。
通过设置合适的实验装置，观测流体中涡旋的形成和演化过程，从而获得涡旋的特性参数。
常用的实验观测方法有激光测速方法、流场可视化方法和电子图像处理方法等，这些方法可以提供精确而直观的涡旋流动特性信息。
漩涡流现象的研究及其应用
漩涡流现象的研究及其应用漩涡流现象是一种流体运动形式，其特点是在液体或气体中形成一个旋转的涡流，这种涡流可以在自由表面中形成漩涡，而在底部则形成涡旋。
漩涡流现象发生在自然界中的很多场合，比如洋流、瀑布、旋涡、龙卷风等等，而这一现象的研究不仅可以深化我们对自然现象的认识，也具有很多实际应用价值。
1. 漩涡流的形成原理漩涡流的形成原理与流态流动有关，一个液体或气体在流动时，它的动能和势能会随着流体的速度和位置而转化。
当液体或气体在流动过程中遇到阻力或转向障碍时，其流动速度和方向会发生改变，从而产生一个不稳定的运动状态，形成涡旋或涡流。
2. 漩涡流的研究漩涡流的研究一直是流体力学研究的重点之一，其涉及的领域包括流体力学、物理、数学、天文学等多个学科。
在数学上，漩涡流的运动可以用欧拉方程或纳维-斯托克斯方程来描述，而在物理实验中，漩涡流的现象可以通过流量计、雷诺数、射流管等实验装置来模拟和研究。
漩涡流的研究有很多应用场合，比如在火箭发动机的燃烧室中，液体燃料和氧化剂的混合过程中会形成漩涡流，而漩涡流的存在可以促进燃料的混合和燃烧，使得火箭发动机的推力更加强大；在深海勘探中，漩涡流也被用于探测海底地貌和探测海底油气等资源。
3. 基于漩涡流的技术基于漩涡流的技术在现代工业中有着广泛的应用，其中最为典型的就是涡街流量计和涡旋泵。
涡街流量计是一种利用漩涡流漩涡频率计算流量的仪器，其原理是通过漩涡流在特定条件下的产生和运动，计算出流体的流速和流量。
而涡旋泵则是一种利用漩涡流旋转叶轮产生动力的泵，其具有高效、节能、结构简单等优点，被广泛应用于污水处理、供水及冷却水系统等领域。
漩涡流现象是流体力学中一个极为重要的现象，其研究和应用对于推动工业、科技的发展具有重要的作用。
未来，随着人类认识的不断深入和对自然规律的探索，漩涡流这一现象将会有更多的应用和拓展。
漩涡的原理及应用
漩涡的原理及应用1. 漩涡的定义漩涡是指在流体中形成的旋转的涡流结构。
它是流体力学中的一种重要现象，广泛存在于自然界和工程实践中。
漩涡由于其独特的运动规律和形态，具有广泛的应用价值。
2. 漩涡的形成原理漩涡的形成和维持是由流体动力学原理决定的。
当流体运动中存在不均匀性时，比如流体速度、密度、温度等的分布不均匀，就会形成涡旋结构，即漩涡。
漩涡的形成可以归因于两种主要机制：黏性与非黏性。
在完全黏性流体中，漩涡的形成归结于黏性效应。
黏性流体中粘滞系数较高的流体层被较低粘滞系数的流体层所替代，形成类似于旋转的涡流结构。
而在非黏性流体中，流体的非线性机制起着决定性作用。
流体运动中的非线性性质使得流体颗粒在运动过程中相互作用，产生局部的涡旋。
这些涡旋之间的相互影响和扩散最终形成了漩涡。
3. 漩涡的应用领域漩涡作为流体力学中重要的现象，在许多领域都有着广泛的应用。
以下是几个常见的领域：3.1 流体力学研究漩涡是流体力学研究中的基础概念之一，深入研究漩涡的形成、演化和行为规律，可以为流体力学领域的发展做出重要的贡献。
3.2 湍流模拟与预测湍流是一种高度复杂的流动状态，在自然界和工程实践中广泛存在。
漩涡作为湍流的基本单元，对湍流的模拟和预测具有重要意义。
通过研究漩涡的形成和演化规律，可以更好地理解和预测流体中的湍流现象。
3.3 漩涡发电技术漩涡在涡动能的转换和利用方面具有巨大的潜力。
漩涡发电技术是一种利用漩涡运动产生能量的新兴技术。
通过合适的装置和系统设计，可以将流体中的涡动能有效转换为电能，实现可持续能源的利用。
3.4 漩涡在水利工程中的应用在水利工程中，漩涡现象往往会对工程设施产生负面影响。
合理利用漩涡现象，可以在水利工程中进行能量调控、流量控制、河道疏浚等工作，提高水域的可持续利用和环境保护。
3.5 漩涡在气象学中的应用漩涡现象在大气环流中也具有重要作用。
气旋和飓风等大尺度的气象现象都源于漩涡形态。
对漩涡的深入研究可以为气象学提供重要的理论基础，并为天气预测和气候变化研究提供有力支持。
流体力学第五章(涡旋动力学基础)
Γ ≡ ∫V • dl
l
l
运动的趋势，是标量，但具有
5
Γ ≡ ∫V • dl
l
l
如取定曲线方向： Γ>0，流体有顺 对应气旋环流）； 运动的趋势，（逆时针为正方向，
l
应反气旋环流）。
Γ<0，流体有逆 l
运动的趋势，（顺时针为负方向，对
6
根据环流的定义，应用斯托克斯公式
流体涡度
(∇ × V ) • n = lim Γ / σ
环流的加速度 = 加速度的环流
9
凯尔文(Kelvin)环流定理
理想正压流体，在有势力的作用下， 理想正压流体，在有势力的作用下，则速度环流不随 时间变化，这就是凯尔文定理 凯尔文定理。 时间变化，这就是凯尔文定理
10
凯尔文(Kelvin)环流定理
dΓ 下面来考虑特定条件下的 dt
（1）理想流体
dV 1 = F − ∇p 运动方程（欧拉方程）： dt ρ
（仅受质量力和压力梯度力）； （2）质量力仅为有势力
F = −∇Φ
11
1 dV = F − ∇p dt ρ
环流变化方程： d Γ
F = −∇Φ
dV = ∫l ( ⋅ dl ) dt dt 1
= − ∫l ∇Φ ⋅ dl − ∫l ∇p ⋅ dl ρ 1 = − ∫∫ ∇ × (∇Φ )d σ − ∫l ∇p ⋅ dl σ ρ
dΓ = dt
等压面、等密度面平行
理想正压流体，在有势力的作用下，则速度环流不随 时间变化，这就是凯尔文定理。
15
说 明： 由此可知，理想正压流体，在有势力的作用下，流 体运动涡度强度不随时间变化，无旋流动中的流点 不可能获得涡度；反之，涡旋流动中的流点也不可 能失去涡度。
流体力学--漩涡理论 ppt课件
2 有限平面
C 2 n d 2 J
（单连通区域）
单连通区域： C 所包围的区域σ 内全部是流
体，没有固体或空洞。
3 任面
PPT课件
C
18
复连通域(多连通域)：
C的内部有空洞或者包 含其他的物体。 双连通域的斯托克斯定理
ABDB ' A' EA AB C BA L
该处的速度
v vx i v y j vz k
流速与流线相切
dx dy dz vx ( x, y, z, t ) vy ( x, y, z, t ) vz ( x, y, z, t )
v
ds
PPT课件
ds
8
涡管vortex tube
流管
元流 截面积为无限小的涡束 截面积为无限小的流束 称为元流 称为涡索（涡丝）。 PPT课件 9
AB Vx dx Vy dy Vz dz dx dy dz x y z AB AB
B
d B A
A
V
Vs
B
对于有旋场:
AB V ds Vx dx Vy dy Vz dz
AB AB
PPT课件
Ｂˊ Ａˊ Ｂ Ａ
σ
C
Ｌ
Ｅ
AB BA
C L 2 n d
C
区域在走向的左侧
PPT课件 19
漩涡理论
推论一 单连域内的无旋运动，流场中处处 为零，则沿任意封闭周线的速度环量为 零
c 2 n d 2 0d 0
沿某闭周线的速度环量为零，不一定无旋。
vx ( )dxdy x y vy
漩涡的形成原理
漩涡的形成原理
漩涡的形成原理是由于流体中的旋转速度或涡旋引起的。
当流体快速流动时，周围的流体会形成旋转的运动，从而形成一个封闭的回旋流动区域，即漩涡。
漩涡形成的原理有以下几个方面：
1. 流体动量守恒：根据流体力学的基本原理，流体中的动量是守恒的。
当流体中的一部分区域发生旋转运动时，为了满足动量守恒定律，周围的流体就会被卷入旋转中，从而形成漩涡。
2. 惯性力的作用：流体中的惯性力是流体粒子由于惯性而产生的力。
在流体流动过程中，由于速度的突然变化或流线的弯曲，流体粒子会受到惯性力的作用，使其偏离原来的流动轨道，从而形成旋转运动。
3. 湍流的发生：当流体流经一些不规则的障碍物或流动介质的边界时，可能会发生湍流现象。
湍流是指流体的流动变得混乱、无规律，并形成旋转、渦旋的流动状态。
湍流过程中的涡旋运动会导致漩涡的形成。
4. 自旋效应：当流体受到外力的作用或流动过程中发生一些扰动时，流体分子之间会发生相互碰撞，从而导致动量和角动量的转移。
这种转移可能导致流体形成旋转的运动，形成漩涡现象。
综上所述，漩涡的形成是由于流体中的旋转速度、惯性力、湍
流和自旋效应的共同作用引起的。
这种旋转运动形成了封闭的回旋流动区域，即漩涡。
流体力学5-漩涡理论说课材料
(vy vx )dxdy x y
y
d
vx
vx y
dy
c
而
(vy x
vx y
)
2z
微矩形面积ds上的环量：
v y dy
av x
0
dx
vy
vy x
dx
b x
d 2zd S 2n d S 2 d J
漩涡理论
2 有限平面
C 2nd2J （单连通区域）
单连通区域： C 所包围的区域σ内全部是流
ds
A BV d sV xd x V yd y V zd z
A B
A B
A
漩涡理论
2. 若已知速度场，求沿一条闭曲线的速度环量
对于无旋场:
c cVxdx Vydy Vzdz
c x dx y dy z dz c d 0
对于有旋场:
V
α Vs
ds C
c cVsds2nd
————斯托克斯定理
即涡管永远由相同的流体质点所组成。 但涡管的形状和位置可能随时间变化。
涡管
涡管
漩涡理论
海姆霍兹第三定理 ——涡管旋涡强度不随时间而变
正压、理想流体在有势质量力作用下，涡管 的旋涡强度不随时间而变。
2 J (斯 托 克 斯 定 理 ）
不 随 时 间 变 化 （ 汤 姆 逊 定 理 ）
J不 随 时 间 变 化
定义 AB ABVsds
速度环量是标量，速度方向与
积分AB曲线方向相同时（成锐 角）为正,反之为负。
ΓAB＝－ΓBA
A
V
Vs
B
ds
漩涡理论
速度环量的其他表示形式：
AB V ds
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ΓAB＝－ΓBA
A
V Vs
B
ds
漩涡理论
速度环量的其他表示形式：
AB V ds
AB
V cos(V , ds)ds
AB
Vxdx Vydy Vzdz AB
A
速度环量单位为
m2 / s
V Vs
B
ds
漩涡理论
沿封闭周线C的速度环量
c cVsds
海姆霍兹第三定理 ——涡管旋涡强度不随时间而变
正压、理想流体在有势质量力作用下，涡管 的旋涡强度不随时间而变。
2J (斯托克斯定理）
不随时间变化（汤姆逊定理）
J不随时间变化
漩涡理论
海姆霍兹第一定理既适用于理想流体又适用于 粘性流体。
海姆霍兹第二、三定理只适用于理想流体。
因为流体的粘性将导致剪切、速度等
故Ａ，Ｂ两点的运动方程为:
xA a,
yA
4 a
t
xB a,
yB
4 a
t
两点涡相对位置保持不变， 它们同时沿ｙ方向等速向下移动。
情况 ( b )
Ａ点：vxA
dxA dt
0
B点：
vxB
dxB dt
0
vyA
dyA dt
4 a
vyB
dyB dt
4 a
Ａ点和Ｂ点的运动方程为：
rA a,
A
4 a2
t
rB a,
2
相切。
v3 v2
1
v1
涡线微分方程：
取涡线上一段微弧长
ds dxi dyj dzk 该处的旋转角速度
xi y j zk
涡矢量与涡线相切
x
(
dx x, y,
z,
t)
y
(
dy x, y,
z,
t)
z
dz (x, y,
z,
t
)
积分时将ｔ看成参数
流线微分方程：
取流线上一段微弧长
ds dxi dyj dzk
ＭＮ段对Ｐ点的诱导速度：
v
2
sin d
4 R 1
4 R
(cos1
cos2
)
方向垂直于纸面向外
直涡丝ＭＮ
1.对于无限长直涡丝： θ１=０ θ２=180°
v
4 R
(cos1
cos2 )
4 R
[1
(1)]
2 R
2.对于半无限长直涡丝：θ１=90° θ２=180°
v
4 R
(cos1
cos2
)
4 R
[0
旋涡理论
园盘绕流尾流场中的旋涡
园球绕流尾流场中的旋涡
园柱绕流尾流场中的旋涡
有攻角机翼绕流尾流场中的旋涡
一、涡线,涡管,旋涡强度 涡线(vortex line)： 流线(streamline)：
涡线上所有流体质点在 流线上所有流体质点在
同瞬时的旋转角速度矢量 同瞬时的流速矢量 v 与此线
与此线相切。 3
第五章：旋涡理论(vortex theory) 1.旋涡场的基本概念（涡线，涡管，旋涡强
度和速度环量） 2.司托克斯定理 3.汤姆逊定理 4.海姆霍兹定理 5.毕奥－沙伐尔定理 6.兰金组合涡
§５-１ 旋涡运动的基本概念
旋涡场: 存在旋涡运动的流场 有旋运动： ωx,ωy,ωz在流场中不全为零的流动
ABDB' A'EA AB C BA L
AB BA
C L 2 nd 漩涡理论
σ
C
Ｂˊ Ａˊ ＢＡ
Ｌ
Ｅ
C
区域在走向的左侧
推论一 单连域内的无旋运动，流场中处处
为零，则沿任意封闭周线的速度环量为
零
c 2nd 2 0d 0
沿某闭周线的速度环量为零，不一定无旋。
漩涡理论
推论二 对于包含一固体在内的双连通域，若流 动无旋，则沿包含固体在内的任意两 个封闭周线的环量彼此相等。
2 (
x2
2
y2
)
c
1 2
V2
c
p
p0
1 2
V2
VR2
r R, V VR,
p
pR
p0
1 2
VR2
结论：
旋涡外部压力分布：
pR
p0
1 2
V 2
旋涡内部压力分布：
p
p0
1 2
V2
VR2
旋涡中心 r 0, V 0
旋涡中心的相对压力为
p p0 VR2
旋涡外部:速度越大压力越小 旋涡内部:速度越小压力越小
解： Vx V sin r sin y
Vy V cos r cos x
容易验证: ωx＝ωy＝０
z
1 2
( Vy x
Vx y
)
涡线方程:
dx dy dz
x y z
积分得: ｘ=Ｃ1 ｙ=Ｃ2 垂直于xoy平面的直线
例5.3 在大圆Ｓ内包含了A、BC、D四个旋涡, 其强度分别为: ΓA = ΓB = ＋Γ ΓC = ΓD = －Γ
即 d 0
dt
漩涡理论
汤姆逊定理和斯托克斯定理说明：
1) 推论: 流场中原来没有旋涡和速度环量的, 就永远无 旋涡和速度环量。 原来有旋涡和速度环量的，永远有旋涡并保 持环量不变
2）在理想流体中,速度环量和旋涡不生不灭。 因为不存在切向应力，不能传递旋转运动。
2）流场中漩涡的产生起因于：粘性，非正压
r
Vy
cos
r
dx R sind dy R cos d
s V ds Vxdx Vydy
rR
rR
2
0
R2 (
sin2
R2
R2
cos2
R2
)Rd
2
dy
dx
d
本章重点： 1.旋涡场的基本概念（涡线，涡管，旋涡强
度,速度环量,圆柱形涡的速度分布，压力
分布）
2.斯托克斯定理，汤姆逊定理，海姆霍兹定理 前提结论
0
vyA
dyA dt
2
1 2a
4 a
B点：
vxB
dxB dt
0
vyB
dyB dt
2
1 2a
4 a
积分得: xA c1,
yA
4 a
t
c2
xB c3 ,
yB
t
4 a
c4
ｔ＝０时 xA a, yA 0, xB a , yB 0
代入方程得: Ｃ1=ａ Ｃ2=０ Ｃ3=-ａ Ｃ4=０
p
p0
1 2
V2
VR2
求解过程 欧拉方程（略去质量力）
Vx
Vx x
Vy
Vx x
1
p x
Vx
Vy x
Vy
Vy x
1
p y
Vx y Vy x
2 x 1 p x
2 y 1 p y
2 (xdx ydy) p dx p dy dp
x
y
dp 2d ( x2 y2 )
2
p
该处的速度
v vxi vy j vzk
流速与流线相切
dx dy dz v vx(x, y,z,t) vy(x, y,z,t) vz(x, y,z,t)
ds
ds
涡管vortex tube
流管
涡丝vortex filament
截面积为无限小的涡束 称为涡索（涡丝）。
元流 截面积为无限小的流束 称为元流
AB
AB
A
漩涡理论
2. 若已知速度场，求沿一条闭曲线的速度环量
对于无旋场:
c cVxdx Vydy Vzdz
c x dx y dy z dz c d 0
对于有旋场:
V
α Vs
ds C
c cVsds 2 nd
————斯托克斯定理
漩涡理论
三、斯托克斯定理
沿任意闭曲线的速度环量等于该 曲线为边界的曲面内的旋涡强度 的两倍,即 Γｃ＝２J
求:沿周线S的速度环量
解: 由斯托克斯定理
s Vsds A B C D
s
0
S所围区域内速度环量为零，但该区域内并 非处处无旋。
例5.4
已知速度场
Vx
y x2 y2
求:绕圆周r=R的速度环量
Vy
x2
x
y2
解： 在极坐标下 x r cos y r sin
在圆周r=R上
Vx
sin
V
α Vs
ds C
cV ds cVxdx Vydy Vzdz
漩涡理论
速度环量的计算
1) 已知速度场，求沿一条开曲线的速度环量
对于无旋流场:
AB
Vxdx
AB
Vy dy
Vz dz
AB
x
dx
y
dy
z
dz
B
A d B A
V Vs
B
对于有旋场:
ds
AB V ds Vxdx Vydy Vzdz
涡管不能在流体中以尖端形式终止或开始
涡管存在的形式：要么终止于流体边界或固
体边界，要么自行封闭形成涡环。
不可能 的情况
海姆霍兹第二定理——涡管保持定理
正压、理想流体在有势质量力作用下， 涡管永远由相同的流体质点所组成。
即涡管永远由相同的流体质点所组成。 但涡管的形状和位置可能随时间变化。
涡管
涡管
漩涡理论
参数脉动以及能量耗散，旋涡强度将随时
间衰减。
漩涡理论
§５-４ 毕奥一沙伐尔定理