流体力学课程报告
流体力学在建筑工程中的应用
姓名：杜科材班级：1033002 学号:1103300233
摘要：简要介绍了流体力学的基本知识，针对计算流体力学计算的特点及模拟的目的, 对当前CFD 在建筑工程方向的研究进展进行了论述, 介绍了CFD的处理过程, 探讨了CFD 技术在建筑工程中的应用前景, 指出将理论分析、实验研究及数值模拟结合起来, 从而推动建筑工程的发展。并结合实际的工程实例论述了计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用。
关键词：流体力学；建筑工程；数值模拟；烟气流场模拟
1 流体力学学科的研究方法
流体力学是力学的一个重要分支, 是一门重要的技术基础课程.它是研究流体的机械运动规律以及运用这些规律解决实际工程问题的一门学科。流体力学是一门既有较强理论性又有较强工程实际意义的课程, 几乎每本流体力学教科
书的绪论中都提到: 流体力学是为解决实际问题而产生的,并随着社会的发展而进步的学科。许多近现代科学的重大成就都源于流体力学的研究, 从上远古时期的治水工程, 到18世纪造船、航海的崛起, 从20 世纪的航空技术的发展, 到现
在生物技术、环境科学的飞速进步, 无不渗透着流体力学的相关理论。在整个流体力学课程的学习过程中, 大多数人都被深奥的理论、繁杂的概念和高阶偏微分方程所难倒。这就要求学习者必须有扎实的高等数学知识、灵活的综合分析问题和处理问题能力。
特别是在21 世纪, 最激烈的竞争就是高素质人才的竞争。而高校教育的任务就是要为国家培养造就一大批具有宽广、深厚、扎实的基础理论和技术基础理论, 具有创新性和创造性的高级工程技术人才以适应经济时代对人才的要求。因此要求学生在拓宽基础知识面, 打好坚实的理论基础的基础上重点提高综合析
和迅速解决问题的能力流体力学作为一门古老的学科, 其生命力在于不断同其
它学科领域相结合, 用它自身的学科视角审视其它领域, 解决其中存在的有关
问题, 同时其自身在解决各种矛盾问题当中得到不断的发展同。任何一门学科的知识量是无尽的, 不可能通过有限的学时讲授很多内容, 如何运用流体力学基
本理论解决实际问题就显得十分重要。
那么, 流体力学的学习有什么规律可寻? 怎样才能与实际工程相结合? 这
对教与学的双方都提出了更高的要求。
概括起来, 流体力学的研究方法大致分为3 类: 实验、理论和数值模拟方法。
1.1 实验方法
实验方法是通过对具体流动的观察与测量, 来认识流动的规律。理论上的分析结果需要经过实验验证, 实验又需用理论来指导. 流体力学的实验研究, 包
括原型观测和模型实验, 而以模型实验为主。
1.2 理论方法
理论方法是通过对流体物理性质和流动特征的科学抽象, 提出合理的理论
模型。根据物质机械运动的普遍规律,建立控制流体运动的闭合方程组, 将实际的流动问题, 转化为数学问题, 在相应的边界条件和初始条件下求解。理论研
究方法的关键在于提出理论模型, 并能运用数学方法求出理论结果, 达到揭示
运动规律的目的。由此而产生了多相流体力学等。
1.3 数值方法
数值方法是在计算机应用的基础上, 采用各种离散化方化方法(有限差分法、有限元法等) , 建立各种数值模型, 通过计算机进行数值计算和数值实验, 得
到在时间和空间上, 许多数字组成的集合体, 最终获得定量描述流场的数值解。近三四十年来, 这一方法得到很大发展, 已形成一个专门的分支学科——计算
流体力学。
2 计算流体力学在建筑工程中的应用
2.1 计算流体力学简介
计算流体力学( Computational Fluid Dynamics, 简称CFD) 是基于计算机技术的一种数值计算工具, 用于求解流体的流动和传热问题。它是流体力学的一个分支, 用于求解固定几何形状空间内的流体动量、热量和质量方程以及相关的其他方程, 并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD 最早用于航空航天事业, 用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题,后来不断扩展到海洋[ 1] 、化学[ 2] 、铸造[ 3] 、制冷[ 4] 、城市规划设计[ 5] 、汽车[ 6] 等多个领域。近年来, CFD 也开始越来越多地应用到建筑工程中, 如对于高层建筑风场的模拟。
CFD计算相对于实验研究, 具有成本低、速度快、周期短、效率高, 可以模拟真实及理想条件, 后处理技术较完善, 便于分析计算结果等优点。20 世纪60 年代末, CFD 技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛的应用[ 7] 。这些年来, 随着计算机技术的发展, CFD 应用方面的研究开始活跃起来。CFD 模拟的目的是做出预测和获得信息, 以达到对流体流动的更好控制。建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述。数学模型主要是由一组微分方程组成, 这些方程的解就是CFD 模拟的结果。CFD的基础是动量、能量、质量守恒方程, 在实际的应用中还会综合利用其他方程。CFD 计算的方法主要有三种: 有限差分法、有限体积法、有限元法。计算流体力学是多领域交叉的学科, 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值分析等学科。这些学科的交叉融合, 相互促进和支持, 也推动着这些学科的深入发展。
当然数值模拟也有一定的局限性: 1) 要有准确的数学模型,这不是所有问
题都能够做到的; 2) 数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的, 对非线性方程则无效; 3) 受到计算机本身条件的限制, 即计算机运行速度和容量的限制, 只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体力学发展新阶段的出现。作为一门发展学科, 必然需要一个逐步成熟、完善的过程。
2.2 CFD在建筑工程中的应用
风是影响建筑物设计的主要气象因素之一, 兴建一座有足够抗风强度的高
层建筑需要考虑到风对结构体的动态载重效应、建筑外墙的风压、建筑物在强风作用下的摆动等结构安全性问题。对于大楼周边风场变化情形研究主要采用风洞物理模拟试验, 但随计算机硬件水平的飞速发展和CFD 技术的不断完善, 出现
了与试验相对应的数值模拟方法。建筑工程结构抗风的数值模拟有其自身的特点, 研究的对象多是钝体绕流问题。由于钝体绕流的特殊性, 钝体外流体的数值模拟和流线体相比较存在诸多困难。尤其是湍流模型的选取, 要考虑模型对所求解问题的适用性[ 8] 。比如: 高层建筑的几何模型可以考虑为矩形。一般选用工程中应用广泛的基于雷诺均值的标准模型。流场的控制方程是粘性不可压N-S方程。
3.案例介绍及性能化评估内容
3.1 案例介绍
本案例涉及的建筑是北京市一栋已建成的建筑,由于原设计不能满足我国现行强制性防火规范要求,无法通过消防验收。该建筑的建设单位请北京市消防
局和国家建筑设计研究院共同为该建筑进行火灾模拟设计, 确定是否需加设排
烟系统。
1) 建筑概况。该建筑为现浇钢筋混凝土结构,建筑面积为20 840 m2, 建筑
形式可以归类为塔式核心桶式, 建筑层数为19 层( 地上17 层, 地下2 层) ,
建筑主体高度( 檐口标高) 为60.6 m, 建筑类别为一类, 耐火等级为一级, 标
准层面积约1 200 m2, 为工字形内走道, 南北各设一部疏散楼梯, 北楼梯设疏散楼梯间前室, 南楼梯设合用前室。设有四部电梯, 其中三部为客用电梯, 电梯层门开向内走道( 兼电梯厅) , 一部为消防电梯, 电梯层门开向合用前室。办公区域为大开间设计, 局部角落设领导小开间办公室。该建筑在南北楼梯间和前室都设了消防机械加压设施, 可保证火灾时烟气不轻易侵袭楼梯间和前室, 工字形
内走道原设计虽有外窗自然排烟, 但因设计变更, 外窗被堵塞使自然排烟失效, 造成超过20 m 长的内走道不能满足消防设计规范要求。
2)人员情况。该建筑为办公建筑, 人员主要为本单位职工, 相对固定。从火灾场景下人员疏散心理分析, 人员仅需要熟悉所在层建筑布局和首层建筑疏散
通道布局, 就能保证满足疏散要求。
3)火灾荷载。该建筑的火灾荷载主要分布在办公区, 火灾荷载主要为办公家具、电器设备和办公用纸张、资料等。家具主材为中密度板, 外贴防火板。所以, 火灾荷载按中危险级考虑。
4)安全防火措施。该建筑三至十七层每层为一个防火分区, 一、二层各分设三个防火分区, 地下一层、地下二层各为两个防火分区。防火墙采用加气混凝土砌块, 地面铺地砖、墙面刷白、屋顶使用硅钙板吊顶。办公家具外贴防火板。其他材料性能、砌筑构造及面层做法符合防火有关的规范要求。全楼设置消火栓给水系统、自动喷水灭火系统和火灾自动报警控制系统, 以及火灾紧急广播系统、应急照明系统和安全疏散指示灯。
5)需要解决的问题。该建筑的工字型内走道,全长44 m, 最大长度26 m, 未设置排烟设施, 不符合《高层民用建筑设计防火规范》有关规定。
3.2 性能化评估内容
中国建筑科学研究院建筑防火研究所依据《高层民用建筑设计防火规范》, 利用自己积累的经验, 并借鉴国外建筑防火安全性能化评估技术的研究和实践成果, 对工字型内走道的安全疏散性能进行了预测评估,性能化评估内容分以下四个部分:
1) 依据该建筑内火灾荷载设计多种火灾可能性, 并确定最危险的一种火灾情况, 通过计算流体力学计算出在这种情况下火灾烟气蔓延并堵塞疏散通道所需的时间ta。
2) 通过计算流体力学计算出, 火灾烟气蔓延至消防报警设备并达到其报警阀值的时间tb, 简称“报警时间”。
3) 用模拟手段确定人们从得到火灾信息到顺利疏散到安全地带的时间t c, 简称“疏散时间”。
4) 比较上述几个时间, 计算差值△t=ta-(tb+tc) 。如果△t< 0, 则表明火灾烟气在人员未安全疏散到安全地带前就已堵塞疏散通道, 建筑需增设排烟等消防设施来确保该建筑的消防安全; 如果△t>0, 则表明人员可以在烟气堵塞疏散通道前安全疏散, 该建筑可以不增加排烟设施, 但人们必须在△t 的时间内开始疏散, △t 即为允许的“疏散开始时间”,其意义是火灾自动报警系统等设备感知火灾的时刻与人员确认火灾发生开始疏散时刻之间的时间差。评估结果证实该建筑在可燃物数量和人员数量一定范围内的情况下, 可以突破规范不增加排烟设施并保证人员的安全。从评估过程看, 这类案例评估的第一、二部分都依赖计算流体力学, 下面讨论计算流体力学在这个案例中的应用。
3.3 性能化评估方法
《高层民用建筑设计防火规范》( GB 50045- 95)8.1.3条规定, 一类高层建筑长度超过20 m 的内走道应设排烟设施。该建筑属于一类高层建筑, 其工字型内走道最大长度超过20 m, 按规范要求应设排烟设施。该规范在条文说明中对走道设置排烟设施的理由解释如下: “据火灾实地观测, 人在浓烟中低头掩鼻最大通行的距离为20 m～30 m”。根据原苏联的防火设计规定: 内廊式住宅的走廊长度超过15 m 时, 在走廊中间必须设置排烟设备。根据德国的防火设计规定: 高层住宅建筑中的内廊每隔15 m 应用防烟门隔开, 每个分隔段必须有直接通向楼梯间的通道, 并应直接采光和自然通风。该建筑工字型内走道最危险的情况将出现在其中一个安全出口( 即疏散口) 被浓烟封堵不能使用, 使得部分人员不能通过最近的安全出口进行疏散, 而必须选择较远的安全出口进行疏散。在这种最不利的情况下, 当第二个安全出口被浓烟封堵之前, 如果该楼层所有人员能够安全进入疏散楼梯间, 那么可以不设排烟设施。工字型内走道只出现在该建筑三层至十七层, 各层工字型内走道设计相同, 所以选择工作位最多、人员密度最大的标准层作为具体的评估对象, 即选择第四层进行预测评估。
3.3.1 ta 的确定
对办公室和工字型走道内火灾烟气从发生到扩散至整个空间的全过程进行计算模拟, 解出三维瞬态的烟气运动的浓度场、温度场, 据此可判断出ta 的值。另外, 疏散方案也有赖于模拟结果。模拟工具为商用计算流体力学软件CFX5. 5, 它主要由三个模块组成。
日本在建筑物防火安全的性能化设计和评估方面做了大量的研究工作, 其
研究表明[ 3] : 疏散通道安全性能的判定指标主要有两个, 一个是烟气对人的
影响, 另一个是热对人的影响。烟气的安全评价标准为烟层不得下降到疏散人员的位置, 其性能指标为烟层高度S 应满足( 2) 式:
S> 1.6+ 0.1( H - h) ( 2)
式中: S ——烟层分界处距疏散通道地面的高度, m;
H ——顶棚离火源位置的高度, m;
h ——疏散通道地面距离火源位置的高度, m 。
该建筑工字型内走道与西侧疏散楼梯间相连的走道高度为2. 15 m, 与东侧疏散楼梯间相连的走道高度为2. 3 m, 取h= 0, 则S 的临界值分别为1. 815 m 和
1. 83 m 。为安全起见, 先取S =
2. 0 m 进行试算。对疏散人员的热作用, 主要考虑来自烟气层或其他方面辐射热的影响。保证人在热辐射作用下不受伤 害, 其性能指标计算式为:
()t 2
0(r 2)dt 10 3?-≤ 式中: r 为烟层的辐射热, kW / m2; t e 为停留时间, s 。
用( 3) 式判断的辐射热如果在2 kW/ m2 以下, 则对疏散毫无影响[ 3] 。在火灾发展的初期阶段, 工字型走道墙壁的温度要比烟层的温度低很多, 所以忽略墙壁热辐射对人的作用, 而烟气层的辐射热强度可用( 4) 式计算[ 3] :
()114
E 5. 6710T 4=? 式中: E 为热辐射强度, kW/ m2 ; T 为烟气层的温度, K 。
设E = 2 kW/ m2 , 可以计算出T = 433 K, 也就是说当烟层温度小于160 ℃, 热辐射强度小于2 kW/ m2时, 满足人在热辐射作用下不受伤害的评判标准。由上述分析可知, 在疏散过程中, 如果疏散通道中的烟气层高度大于2 m, 并且烟层温度不超过160 ℃,则疏散人员是安全的, 如果不同时满足这两个性能指标, 则认为疏散人员是不安全的, 此时为危险来临时刻。解出三维瞬态的烟气运动的浓度场、温度场, 即可计算出火灾烟气蔓延并堵塞疏散通道的时间。
3.3.2 b t 的确定
疏散是否成功, 要看建筑中的所有人员是否能够在危险到来之前转移到安全的地点。这样疏散逃生时间就成为判定人们能否安全疏散的主要参数。疏散逃 生时间由两部分组成, 即疏散开始时间tb 和疏散行动时间tc, 也就是火灾烟气致使火灾报警设备联动报警的时间tb 和人员疏散时间t c 。疏散开始时间在理想情况下, 应为火灾烟气蔓延至影响消防报警设备并达到其报警阀值的时间tb , 此时消防报警设备受烟气影响报警, 人员开始疏散。依据火灾报警探测器的安装位置, 一般在距吊顶或顶板下方5 cm ～20 cm, 选20 cm 试算, 具体计算方法与计算ta 的方法基本相同, 只是输入边界条件变为S = 2. 10m 。通过计算表明: 因东、西侧走道高度不一致, 时间可能不完全一样, 当燃烧开始5 s 时( 不考虑阴燃时间) ,烟层厚度已超过20 cm, 范围超过单个感烟探测器的保护面积, 因此报警时间b t 可按5 s 计算[ 3] 。
3.3.3 c
t 的确定 逃生时间从人员得到火灾警报通知开始到疏散至安全出口为止, 选择最不利的情况, 也就是在最大一层平面( 四层平面) 的最不利点来考虑, 同时考虑这
个最不利点的近端疏散安全出口受到烟气影响, 而人员不得不向另一个安全出口疏散的可能。通过模拟计算可求出在各种情况下人员疏散所需最长时间, 这就是我们想求解的“人们从得到火灾信息到顺利疏散到安全地带的时间tc”。其模拟计算工具采用“九五”科技攻关课题《地下大空间建筑火灾防排烟与疏散救生新技术研究开发的人员疏散计算机模拟分析软件。该软件基于日本木村幸一郎对建筑物人群流动状态进行的观察与研究结果, 疏散空间的模化采用网络型控制方法,将各个房间、通道、楼梯前厅、楼梯间、防烟楼梯间分别作为网络的节点, 它们之间的联系为连接途径。t c 按( 4) 式计算:
tc= f ( m, v, n, w ) ( 4)
式中: m 为人流密度; v 为人流速度; n 为开口流出系数; w 为节点出口宽度。
当逃生方向相同时, 人流密度将逐渐增加, 人流速度将逐渐减慢, 而开口
流出系数和节点出口宽度也因网络节点而异, 故实际计算中m、v、n和w 都为变量。
3.4 火灾场景设定和初始计算条件
该建筑第四层的建筑面积为804. 8 m2 , 东、西两侧大办公区面积分别为205 m2 和202 m2。根据前面对评估对象和内容的分析, 最不利的火灾场景有两个。一是西侧办公室临近北出口的办公区着火, 所有外窗关闭, 通向工字型走道的门开启, 火灾烟气流入工字型内走道, 导致北侧安全出口被烟气封堵; 二是东
侧办公室临近南出口的办公区着火, 所有外窗关闭, 通向工字型走道的门开启, 火灾烟气流入工字型内走道, 导致南侧安全出口被烟气封堵。本文主要讨论假定西侧办公室临近北出口的办公区着火情况。
3.4.1 火灾规模的设定
建筑物内可能发生火灾的释热速率是决定火灾发展及火灾危害的主要参数。但是, 建筑火灾中往往是一件物品先着火, 再引燃周围的其他物品, 然后逐渐扩大火势, 其典型燃烧过程如图1 中曲线1 所示[ 4] 。可以看到, 火灾的发展一般经过了起始阶段、增长阶段、稳定燃烧阶段和衰减阶段。由于室内可燃物的种类和分布复杂多样, 而且进行现场实际的火灾试验也不现实, 所以考虑对火灾的释热速率取平均值进行分析计算, 也就是假设火灾从燃烧开始就是一个稳定的燃烧过程,
如图1 曲线2。由于没有考虑火灾的起始酝酿阶段, 所以对于报警时间的计算采用烟层厚度超过20 cm 的判定方法。依据该建筑筹建处提供的火灾荷载分布资料,主要可燃物为中密度板制作的办公家具, 最大可能燃烧面积18 m2。根据中密度板燃烧性能测试报告, 充分燃烧时的热释放速率为102. 2 kW/ m2。计算得到最大可能热释放速率为Qm= 1. 84 MW。实际上, 由于使用了自动喷水灭火系统, 燃烧强度不可能达到这个数值,这里选择平均热释放速率为喷头动作时的值。考虑标称动作温度为68 ℃的喷头当温度达到90 ℃时开始动作, 喷头按间距4 m 布置, 火从地面燃起, 根据判定条件[ 3] , 燃烧可以达到的最大热释放速率为481 kW, 按发烟量公式[ 5] m= 0.007Q1/3z5/ 3计算判定单位时间产生的烟气量约为1. 2 kg, 即烟气生成率为1. 2 kg/ s。
3.4.2 初始条件的设定
设室内平均风速为0, 室内相对压力为0, 出口相对压力为0( 设当地大气压P = 101 325 Pa) , 室内平均温度为27 ℃, 室内空气密度为1. 2 kg/ m3, 人的平均步行速度为1.0 m/ s, 人群流动系数为1.5 人/ m。
3.5 人员疏散的模拟计算
设定的疏散方案见图4。因西办公区北侧起火, 西办公区北侧门1 和安全出口1 很快被烟封堵, 除少数很快经门1 和安全出口1 疏散的人员, 其他人员只能通过西办公区南侧门2 和安全出口2 疏散, 疏散完成所需时间由表2 所示。
3.6 模拟结果分析
从上述计算结果可知, t a= 121 s, tb= 5 s, tc= 46 s,所以△t= 70 s> 0, 也就是说假设烟气开始威胁安全出口2 时, 恰好整个疏散结束, 则可以逆向计算出允许的“疏散开始时间△t”应大于70 s。可以判定在上述假设前提下, 当人们在确认报警信号70 s 内开始疏散是安全的。类似的方法可求出假设场景二
情况下东侧办公室临近南出口的办公区着火时的△t= 110 s> 0, 即当人们在确认报警信号110 s 内开始疏散, 疏散是安全的。
4 结束语
实际工程中的问题千差万别, 层出不穷, 这就需要流体力学工作者不断地
发现问题, 运用所学知识解决问题, 强大的使命感使流体力学教师在教学中具有严谨的学风和强烈的责任心。流体力学是和我们的国家的建设以及日常生活息息相关的. 设计中的一点疏忽就可能给人民生命财产造成重大的损失。所以, 在流体力学学习过程中, 应注重运用流体力学基本原理解释实际工程中的具体问题, 特别是分析问题的方法和思路。这对流体力学课程的学习具有一定的指导意义,对于调动学生学习的自觉性、主动性和积极性很有益处, 使学生的知识丰富, 分析问题的能力得到提高。
参考文献
[1]刘鹤年.流体力学.北京: 中国建筑工业出版社, 2001.
[2]严宗毅, 郑桂珍在流体力学教学中通过重大事件实例教书育人.力学与实践, 2002,24(2):61-64.
[3]李建强.流体力学在工程建设中的应用.华东交通大学学报,2001,18 (3 ): 66-67.
[4]石油部海洋石油勘探局忽略安全工作、违章指挥蛮干,造成渤海二号钻井船翻沉重大事故.人民日报, 1980年7月2日,第1版.
流体力学
课程专题报告
题目流体力学
在建筑工程中的应用
专业土木工程
学号1103300233
学生杜科材
教师刘老师
日期2012-11-24
计算流体力学课程总结
计算流体力学课程总结 计算流体动力学(computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值 计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支。 流体力学和其他学科一样，是通过理论分析和实验研究两种手段发展起来的。很早就已有理论流体力学和实验流体力学两大分支。理论分析是用数学方法求出问题的定量结果。但能用这种方法求出结果的问题毕竟是少数，计算流体力学正是为弥补分析方法的不足而发展起来的。计算流体力学是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域。 计算流体力学的任务是流体力学的数值模拟。数值模拟是“在计算机上实现的一 个特定的计算，通过数值计算和图像显示履行一个虚拟的物理实验——数值实验“。 数值模拟包括以下几个部分。首先，要建立反映问题(工程问题、物理问题等)本质数 学模型。其次，数学模型建立以后需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。再次，在确定了计算方法和坐标系统后，编制程序和进行计算式整个工作的主体。最后，当计算工作完成后，流畅的图像显示是不可缺少的部分。 还有一个就是CFD的基本思想问题，它就是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通 过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求 解代数方程组获得场变量的近似值。 经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于 对控制方程的离散方式。根据离散的原理不同，CFD大体上可分为三个分支： ?有限差分法(Finite Different Method，FDM) ?有限元法(Finite EIement Method，FEM) ?有限体积法(Finite Volume Method，FVM) 有限差分法是应用最早、最经典的CFD方法，也是最成熟、最常用的方法。它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的 导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分万程组 的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题 的近似数值解法。
流体力学知识点大全-吐血整理讲解学习
流体力学知识点大全- 吐血整理
1． 从力学角度看，流体区别于固体的特点是：易变形性，可压缩性，粘滞性和表面张 力。 2． 牛顿流体: 在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的流体。即τ=μ*du/dy 。 当n<1时，属假塑性体。当n=1时，流动属于牛顿型。当n>1时，属胀塑性体。 3． 流场: 流体运动所占据的空间。 流动分类 时间变化特性： 稳态与非稳态 空间变化特性： 一维，二维和三维 流体内部流动结构： 层流和湍流 流体的性质： 黏性流体流动和理想流体流动；可压缩和不可压缩 流体运动特征： 有旋和无旋； 引发流动的力学因素： 压差流动，重力流动，剪切流动 4. 描述流动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法 拉格朗日法着眼追踪流体质点的流动，欧拉法着眼在确定的空间点上考察流体的流动 5. 迹线：流体质点的运动轨迹曲线 流线：任意时刻流场中存在的一条曲线，该曲线上各流体质点的速度方向与 该曲线的速度方向一致 性质 a.除速度为零或无穷大的点以外，经过空间一点只有一条流线 b.流场中每一点都有流线通过，所有流线形成流线谱 c ．流线的形状和位置随时间而变化，稳态流动时不变 迹线和流线的区别：流线是同一时刻不同质点构成的一条流体线； 迹线是同一质点在不同时刻经过的空间点构成的轨迹 线。 稳态流动下，流线与迹线是重合的。 6. 流管：流场中作一条不与流线重合的任意封闭曲线，通过此曲线的所有流线 构成的管状曲面。 性质：①流管表面流体不能穿过。②流管形状和位 置是否变化与流动状态有关。 7．涡量是一个描写旋涡运动常用的物理量。流体速度的旋度▽xV 为流场的涡 量。 有旋流动：流体微团与固定于其上的坐标系有相对旋转运动。无旋运动：流 场中速度旋度或涡量处处为零。 涡线是这样一条曲线，曲线上任意一点的切线方向与在该点的流体的涡量方 向一致。 8. 静止流体：对选定的坐标系无相对运动的流体。 不可压缩静止流体质量力满足 ▽x f=0 9. 匀速旋转容器中的压强分布p=ρ(gz -22r2 ω)+c 10. 系统：就是确定不变的物质集合。特点 质量不变而边界形状不断变化 控制体：是根据需要所选择的具有确定位置和体积形状的流场空间。其表 面称为控制面。特点 边界形状不变而内部质量可变 运输公式：系统的物理量随时间的变化率转换成与控制体相关的表达式。
产品数据管理技术与计算流体力学课程介绍
〈〈产品数据管理（PDM技术》课程简介 课程代码:AM011 课程简介： 本门课程将讲授PDM技术的基本概念、理论方法、系统结构和PDM^r业实施案例以及典型PDM^统介绍等相关专题，以满足我国企业信息化工程对大量复合型人才的需求 本课程的主要任务是： 1、掌握PDMJ术的发展与应用； 2、掌握PDMJ术的基本理论和方法； 3、掌握PDMK统体系结构和主要功能； 4、掌握PD"对象的建模方法和对象模型； 5、了解PDMK统实施方法； 6、了接国内外著名PDMS用系统。 本课程是一门实用性和系统性很强的课程，包含了机械工程和工业工程等领域高级技术 人员必须掌握的基本知识和内容。课程学习的目的是使学生掌握 PD M 基本理论知识和方法，为今后从事企业信息化工作，特别是从事产品数字化设计、制造与管理工作打下坚实的理论基础。 This course is the basic course on product development, it covers the following topics: Development and applications of PDM technology, Supporting technologies of PDM, Product data management technology, Product development lifecycle management technology, PDM implementation methodology, Introduction to SIPM/PDM.
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计算流体力学论文
自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。 对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态的三维N-S 方程的全模拟方法，此时无需引进任何模型。然而由于计算方法及计算机运算水平的限制，该种方法不易实现。另一种要求稍低的方法是亚网格尺寸度模拟即大涡模拟（LES ），也是由N-S 方程出发，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍然很大，只能模拟一些简单的情况，直接应用于实际的工程问题也存在很多问值题[1]。目前数模拟主要有三种方法：1.平均N-S 方程的求解，2.大涡模拟（LES ），3.直接数值模拟（DNS ），而模拟的前提是建立合适的湍流模型。 2、基本湍流模型 常用的湍流模型有： 零方程模型：C-S 模型，由Cebeci-Smith 给出；B-L 模型，由Baldwin-Lomax 给出。一方程模型：来源由两种，一种从经验和量纲分析出发，针对简单流动逐步发展起来，如Spalart-Allmaras(S-A)模型；另一种由二方程模型简化而来，如Baldwin-Barth(B-B)模型。二方程模型：应用比较广泛的两方程模型有Jones 与Launder 提出的标准k-e 模型，以及k-omega 模型。 2.1 零方程模型 上世纪30年代发展的一系列湍流的半经验理论，如Prandtl 的混合长度理论、Taylor 的涡量输运理论、von Karman 的相似性理论等，本质上即是零方程湍流模型。零方程模型直接建立雷诺应力与平均速度之间的代数关系，由于不涉及代数关系故称为另方程模型： ''m u u v y ρρε?-=? 其中m ε称为涡粘系数，他与分子的运动粘性系数ν有相同的量级。对于一般的三维的情况，上式可写为： '' 223 i j m ij ij u v S K ρεδ-=- K 为单位质量的湍流脉动动能。为了发展上述方法，需要建立m ε与平均速度之间的关系。1925年，普朗特沿这一方向做了重要工作，提出可混合长度理论，混合长度理论认为，存在这样的长度l ,在此长度内流体质点运动是自由的（不与
《流体力学》复习参考答案(年整理)
流体力学 习题解答
选择题： １、恒定流是: (a) 流动随时间按一定规律变化；（b）流场中任意空间点上的运动要素不随时间变化；(c) 各过流断面的速度分布相同。（b） 2、粘性流体总水头线沿程的变化是：(a) 沿程下降 (a) 沿程下降；（b) 沿程上升；(c) 保持水平；(d) 前三种情况都可能； 3、均匀流是：（b)迁移加速度（位变）为零； (a) 当地加速度（时变）为零；（b)迁移加速度（位变）为零； （c）向心加速度为零；(d)合速度为零处； 4、一元流动是：(c) 运动参数是一个空间坐标和时间变量的函数； (a) 均匀流；（b) 速度分布按直线变化；(c) 运动参数是一个空间坐标和时间变量的函数； 5、伯努利方程中各项水头表示：(a) 单位重量液体具有的机械能； (a) 单位重量液体具有的机械能；（b)单位质量液体具有的机械能； (c)单位体积液体具有的机械；(d)通过过流断面流体的总机械能。 6、圆管层流，实测管轴线上流速为４m/s，则断面平均流速为：：(c)2m；(a) 4m；（b）3.2m；(c)2m； 7、半圆形明渠，半径r=4m，其水力半径为：(a) ４m；（b）3m；(c) 2m；(d) 1m。 8、静止液体中存在：(a) 压应力；（b）压应力和拉应力；(c) 压应力和剪应力；(d) 压应力、拉应力和剪应力。 （1）在水力学中，单位质量力是指（c、） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力。 答案：c （2）在平衡液体中，质量力与等压面（） a、重合； b、平行 c、斜交； d、正交。
流体力学总结
流体力学总结 第一章 流体及其物理性质 1. 流体：流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用， 流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。流体一般不能承受拉力，在静止状态下也不能承受切向力，在任何微小切向力的作用下，流体就会变形，产生流动 2. 流体特性：易流动(易变形)性、可压缩性、粘性 3. 流体质点：宏观无穷小、微观无穷大的微量流体。 4. 流体连续性假设：流体可视为由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。稀薄空气和 激波情况下不适合。 5. 密度0lim V m m V V δδρδ→== 重度0lim V G G g V V δδγρδ→=== 比体积1v ρ= 6. 相对密度：是指某流体的密度与标准大气压下4C 时纯水的密度（1000）之比 w w S ρ ρρ= 为4C 时纯水的密度 13.6Hg S = 7. 混合气体密度1 n i i i ρρα == ∑ 8. 体积压缩系数：温度不变，单位压强增量引起的流体体积变化率。体积压缩系数的倒数 为体积模量1 P P K β= 1p V p V δβδ=- 1 1 0 1.4p p T Q p p βγβγ→= === 9. 温度膨胀系数：压强不变，单位温升引起的流体体积变化率。 1T V T V δβδ= 1 T p T β→= 10. 不可压缩流体：流体受压体积不减少，受热体积不膨胀，密度保持为常数，液体视为不 可压缩流体。气体流速不高，压强变化小视为不可压缩流体
11. 牛顿内摩擦定律： du dy τμ = 黏度du dy τ μ= 流体静止粘性无法表示出来，压强对黏 度影响较小，温度升高，液体黏度降低，气体黏度增加 μ υρ = 。满足牛顿内摩擦定律的流体为牛顿流体。 12. 理想流体：黏度为0，即0μ=。完全气体：热力学中的理想气体 第二章 流体静力学 1. 表面力：流体压强p 为法向表面应力，内摩擦τ是切向表面应力（静止时为0）。 2. 质量力（体积力）：某种力场对流体的作用力，不需要接触。重力、电磁力、电场力、 虚加的惯性力 3. 单位质量力：x y z F f f i f j f k m ==++ ，单位与加速度相同2m s 4. 流体静压强： 1）流体静压强的方向总是和作用面相垂直且指向该作用面，即沿着作用面的内法线方向 2）在静止流体内部任意点处的流体静压强在各个方向都是相等的。 x y z n p p p p === 5. 流体平衡微分方程式（欧拉平衡方程） 101010 x y z p f x p f y p f z ρρρ?- =??-=??-=? 10 p p p f p p i j k x y z ρ???-?=?= ++??? 6. 压差方程 ()x y z dp f dx f dy f dz ρ=++ 7. 势函数 ()()() ,,x y z f f f x y z πππ?-?-?-= ==??? ()dp d ρπ=-
流体力学实践报告
黑龙江科技大学建筑工程二学历实践报告 流体力学实践报告 一、实践概述 在此次实践中,老师给我演示了雷诺试验与伯努利方程试验。下面我就实践的主要内容进行一下总结。 二、雷诺实验 (一)、实验目的 1、观察液体流动时的层流与紊流现象。区分两种不同流态的特征,搞清两种流态产生的条件。分析圆管流态转化的规律,加深对雷诺数的理解。 2、测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数及沿程水头损失。绘制沿程水头损失与断面平均流速的关系曲线,验证不同流态下沿程水头损失的规律就是不同的。进一步掌握层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性。 3、通过对颜色水在管中的不同状态的分析,加深对管流不同流态的了解。学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法,并了解其实用意义。 (二)、实验原理 1、液体在运动时,存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时,惯性力较小,粘滞力对质点起控制作用,使各流层的液体质点互不混杂,液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大,质点惯性力也逐渐增大,粘滞力对质点的控制逐渐减弱,当流速达到一定程度时,各流层
的液体形成涡体并能脱离原流层,液流质点即互相混杂,液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态,反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。 液体运动的层流与紊流两种型态,首先由英国物理学家雷诺进行了定性与定量的证实,并根据研究结果,提出液流型态可用下列无量纲数来判断: Re=Vd/ν Re 称为雷诺数。液流型态开始变化时的雷诺数叫做临界雷诺数。 在雷诺实验装置中,通过有色液体的质点运动,可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中,有色液体与水互不混惨,呈直线运动状态,在紊流中,有大小不等的涡体振荡于各流层之间,有色液体与水混掺。 2、在如图所示的实验设备图中,取1-1,1-2两断面,由恒定总流的能量方程知: f 2222221111h g 2V a p z g 2V a p z ++γ+=+γ+ 因为管径不变V 1=V 2 ∴=γ +-γ+=)p z ()p z (h 2211f △h 所以,压差计两测压管水面高差△h 即为1-1与1-2两断面间的沿程水头损失,用重量法或体积浊测出流量,并由实测的流量值求得断面平均流速A Q V =,作为lgh f 与lgv 关系曲线,如下图所示,曲线上EC 段与BD 段均可用直线关系式表示,由斜截式方程得: lgh f =lgk+mlgv lgh f =lgkv m h f =kv m m 为直线的斜率
《计算流体力学》结课作业要点.doc
2012～2013学年第1学期 12级研究生《计算流体力学》结课作业 适用专业：供热供燃气通风及空调工程 一、结合某一具体学科，阐述纯理论方法、实验方法及数值方法在科学研究中的各自优缺点，在此基础上论述数值模拟方法的发展前景。（不少于4千字）。 流体力学是力学的一个重要分支, 是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科, 主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态特征，以及流体和相邻固体界面有相对运动时的相互作用和流动规律。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，流体力学与人类的日常生活和生产事业密切相关。按其研究内容的侧重点不同，分为理论流体力学和工程流体力学。其中理论流体力学主要采用严密的数学推理方法，力求准确性和严密性，工程流体力学侧重于解决工程实际中出现的问题，而不追求数学上的严密性。当然由于流体力学研究的复杂性，在一定程度上，两种方法都必须借助于实验研究，得出经验或半经验的公式。 在实际工程的诸多领域流体力学都起着十分重要的作用。如气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了流体力学自身的不断发展。1950年后，计算机的发展给予流体力学以极大的推动作用。 目前，解决流体力学问题的方法主要有实验方法、理论分析方法和数值方法三种。 实验方法 同物理学、化学等学科一样，流体力学的研究离不开实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。流体力学实验研究方法有实物实验、比拟研究和模型研究三类：实物实验是用仪器实测原型系统的流动参数，适用于较小的原型；比拟实验是利用电场和磁场来模拟流场，实施起来限制条件较多；模型研究是实验流体力学最常用的研究方法。 实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立实验模型，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。建立实验模型要求模型与原型满足相似理论，即满足两个流场
工程流体力学复习知识总结
一、 二、 三、是非题。 1.流体静止或相对静止状态的等压面一定是水平面。（错误） 2.平面无旋流动既存在流函数又存在势函数。（正 确） 3.附面层分离只能发生在增压减速区。 （正确） 4.等温管流摩阻随管长增加而增加，速度和压力都减少。（错误） 5.相对静止状态的等压面一定也是水平面。（错 误） 6.平面流只存在流函数，无旋流动存在势函数。（正 确） 7.流体的静压是指流体的点静压。 （正确） 8.流线和等势线一定正交。 （正确） 9.附面层内的流体流动是粘性有旋流动。（正 确） 10.亚音速绝热管流摩阻随管长增加而增加，速度增加，压力减小。（正确） 11.相对静止状态的等压面可以是斜面或曲面。（正 确） 12.超音速绝热管流摩阻随管长增加而增加，速度减小，压力增加。（正确） 13.壁面静压力的压力中心总是低于受压壁面的形心。（正确） 14.相邻两流线的函数值之差，是此两流线间的单宽流量。（正确） 15.附面层外的流体流动时理想无旋流动。（正 确） 16.处于静止或相对平衡液体的水平面是等压面。（错 误） 17.流体的粘滞性随温度变化而变化，温度升高粘滞性减少；温度降低粘滞性增大。（错误 ) 18流体流动时切应力与流体的粘性有关，与其他无关。（错误） 四、填空题。 1、1mmH2O= 9.807 Pa 2、描述流体运动的方法有欧拉法和拉格朗日法。 3、流体的主要力学模型是指连续介质、无粘性和不可压缩性。 4、雷诺数是反映流体流动状态的准数，它反映了流体流动时惯性力 与粘性力的对比关系。 5、流量Q1和Q2，阻抗为S1和S2的两管路并联，则并联后总管路的流量 Q为，总阻抗S为。串联后总管路的流量Q 为，总阻抗S为。
流体力学学习心得
竭诚为您提供优质文档/双击可除 流体力学学习心得 篇一：我对流体力学的认识 我对流体力学的认识 摘要：通过对流体力学这门课程的学习，我了解了流体力学的相关知识，包括：概念，基本假设，研究方法，未来展望等。 关键字：流体力学概述基本假设研究方法 流体力学概述 流体力学是研究流体的平衡和流体的机械运动规律及 其在工程实际中应用的一门学科。是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。 流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。1738年伯努利出版他的专著时，首先
采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。 气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体 力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。 流体力学的基本假设 流体力学有一些基本假设，基本假设以方程的形式表示。流体力学假设所有流体满足以下的假设： （1）质量守恒 （2）动量守恒 （3）连续体假设 在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零，而且
流体力学结课论文
谈流体力学的研究内容及发展简史 流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机 械运动规律及其实际应用的技术科学，在许多工业部门中都有着广泛应 用，航空工业中飞机的制造离不开空气动力学；造船工业部门要用到水 动力学，与土建类各专业有着更加密切的关系，了解流体动力学的研究 内容及发展简史对学习流体力学知识具有的一定的引导作用，为以后的 学习铺设台阶，引起学习的兴趣。 流体力学的研究内容 流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都 可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。 大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70% 是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等) 乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。 流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的 应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动 学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力 学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛 顿流体力学等。 在流体力学中为简化计算，对流体模型做出了假设：质量守恒;动量 守恒;能量守恒。 在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密 度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会 假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为 非粘性流体。若流体黏度不为零，而且流体被容器包围（如管子）， 则在边界处流体的速度为零。 流体的主要物理性质： 1、流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。液体 有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一 定的体积，不存在自由液面。 2、流体的连续介质模型 微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有3.3×1022个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm。 宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都
计算流体力学结课报告
计算流体力学结课报告200Km/h列车fluent仿真计算 学部：化、环、生学部 学院：化工机械与安全学院 学号：31507095 班级：化1512班 学生姓名：孙金
引言 数值仿真就是对所建立的数值模型进行数值实验和求解的过程。而计算流体力学CFD （Computational Fluid Dynamics）就是在工程仿真实验领域中应用最广泛的一门学科。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律这就是CFD研究问题的方法。在实际计算流体力学方面，采用通用的CFD软件来完成工程上的一些流体力学问题，有极为广泛的应用前景。近年来，随着计算机技术以及相关技术的发展，CFD技术已经在工程领域内取得重大的进步，特别是在高速列车的外型设计方面起了很大作用。随着国家经济的发展，国家运输业也有了很大的发展，特别是列车经过几次提速后，高速列车在国家运输行业中所占比例不断提高。高速列车的特点是庞大、细长、在地面轨道上运行，其空气动力学问题非常复杂。空气在列车表面形成空气流场，空气阻力急剧增加，作用在列车的阻力大部分来自压强阻力，而一部分来自表面磨擦阻力，这就使能耗过大，同时列车可能出现较大的空气升力，导致列车产生“飘”的现象，激发列车脱轨事故的发生，因此研究高速列车气动力性能非常重要。用CFD仿真可以详细了解高速列车的空气动力特性，从而设计出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高质量列车。本文采用CFD学科中的常用商业软件Fluent仿真一个时速200km/h的二维流线型车头的外流场，对其空气动力性能进行分析，从而得到不同车辆形状其周围流场的不同，进而分析哪种车型更适合。
流体力学-总结+复习 4-5章
A16轮机3，流体力学复习资料，4&5章 第四章相似原理和量纲分析 1. 流动的力学相似 1）几何相似：两流场中对应长度成同一比例。 2）运动相似：两流场中对应点上速度成同一比例，方向相同。 3）动力相似：两流场中对应点上各同名力同一比例，方向相同。 4）上述三种相似之间的关系。 基本概念（量纲、基本量纲、导出量纲） 量纲：物理参数度量单位的类别称为量纲或因次。 基本量纲：基本单位的量纲称为基本量纲，基本量纲是彼此独立的，例如用,LMT来表示长度，质量和时间等，基本量纲的个数与流动问题中所包含的物理参数有关，对于不可压缩流体流动一般只需三个即,LMT（长度，质量和时间），其余物理量均可由基本量纲导出。 导出量纲：导出单位的量纲称为导出量纲。 一些常用物理量的导出量纲。 2. 动力相似准则 牛顿数？表达式？ 弗劳德数？表达式，意义？ 雷诺数？表达式，意义？ 欧拉数？柯西数？韦伯数？斯特劳哈尔数？ 判断基本模型实验通常要满足的相似准则数。 掌握量纲分析法（瑞利法和π定理）。
第五章黏性流体的一维流动 1. 黏性总流的伯努利方程 应用：黏性不可压缩的重力流体定常流动总流的两个缓变流截面。 该方程的具体形式？几何意义？ 2. 黏性流体管内流动的两种损失 沿程损失：产生的原因？影响该损失的因素？ 沿程损失的计算公式？达西公式？ 局部损失：产生原因？ 局部损失计算公式？ 3. 黏性流体的两种流动状态 层流和紊流 上临界速度，上临界雷诺数？ 下临界速度，下临界雷诺数？ 工程实际中，圆管中流动状态判别的雷诺数？2000 4. 管口进口段中黏性流体的流动 边界层的概念？ 紊流边界层 层流边界层 层流进口段长度计算经验公式 5. 圆管中的层流流动 速度分布？ 切应力分布？
流体力学重点概念总结(可直接打印版)
第一章绪论 表面力： 又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用面积成比例。剪力、拉力、压力 质量力： 是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。重力、惯性力 流体的平衡或机械运动取决于： 1.流体本身的物理性质（内因） 2.作用在流体上的力（外因） 牛顿通过著名的平板实验，说明了流体的粘滞性，提出了牛顿内摩擦定律。 τ=μ(du/dy) τ只与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。 动力粘度： 反映流体粘滞性大小的系数，单位： N?s/m2 运动粘度： ν=μ/ρ 第二章流体静力学 流体静压强具有特性
1.流体静压强既然是一个压应力，它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向，即垂直于作用面，并指向作用面。 2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关，即同一点上各方向的静压强大小均相等。 静力学基本方程: P=Po+pgh 等压面： 压强相等的空间点构成的面 绝对压强： 以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强Pabs 相对压强： 以当地大气压为基准起算的压强P P=Pabs—Pa（当地大气压） 真空度： 绝对压强不足当地大气压的差值，即相对压强的负值Pv Pv=Pa-Pabs= -P 测压管水头： 是单位重量液体具有的总势能 基本问题： 1、求流体内某点的压强值： p = p0 +γh；
2、求压强差： p–p0 =γh； 3、求液位高： h =（p - p0）/γ 平面上的净水总压力： 潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P，大小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。 注意： 只要平面面积与形心xx不变: 1．面积上的总压力就与平面倾角无关； 2．压心的位置与受压面倾角无直接关系，是通过yc表现的； 3．压心总是在形心之下，在受压面位置为水平放置时，压心与形心重合。 作用在曲面壁上的总压力—水平分力 作用于曲面上的静水总压力P的水平分力Px等于作用于该曲面的在铅直投影面上的的投影（矩形平面）上的静水总压力，方向水平指向受力面，作用线通过面积Az的压强分布图体积的形心。 作用在曲面壁上的总压力—垂直分力 作用于曲面上的静水总压力P的铅垂分力Pz等于该曲面上的压力体所包含的液体重，其作用线通过压力体的重心，方向铅垂指向受力面。 xx原理： 静止不可压缩流体内任意一点的压强变化等值传递到流体内的其他各点； 重力场中静止流体等压面的特点
计算流体力学螺旋管分析报告
重庆大学《计算流体力学与计算传热学基础》上机实验水平螺旋管内的对流换热过程 学生：刘伟文 学号：20123000 指导教师：李隆键 专业：热能与动力工程 重庆大学动力工程学院 二O一五年六月
一、前言 螺旋管在热力、化工、石油及核工业等领域得到了广泛应用，螺旋管换热器也具有结构简单、传热系数高等优点。它的传热系数比直管高，在相同空间里可得到更大的传热面积，布置更长的管道，减少了焊缝，提高了安全性。尽管螺旋管的流体阻力增大，压降增大，但是其传热效率的提高导致能量的节约要高于因阻力增大而消耗的能量。因此，螺旋管在许多行业得到普遍应用而倍受青睐。在工程应用中，由于工艺要求，往往需将流体加热至规定的温度范围，传热是其中的基本单元操作，所以有必要对螺旋管的传热与流动特性进行研究。从理论知识我们知道由于向心力的作用，流体从管中心部分由螺旋管内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋管内侧的低压区。在压差作用下，流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧。这种流动是与管的轴向垂直的，也就是与流体的主体流动相垂直，称为二次流。流体的这种二次流与轴向主流复合成螺旋式的前进运动。这样，对于流体的传热传质，不仅可依靠流体的径向扩散，还有径向二次流的作用，相当于边界层进行了破坏，增强了流体传质。 二、GAMBIT建模
1、先建立一个半径为6的圆面。 2、将该圆面向X轴正方向移动120。 3、用圆面sweep形成螺旋柱体。（绕Y轴正方向）
4、重复以上操作，得到如图所示几何体弯管。 5、设置边界层。
并应用至每个截面：
6、设置圆面的网格，选择pave方式，interval size 选择0.6，这样边界层网格与圆面中心网格过渡较平缓。 7、依次建立体网格。 8、检查网格质量。 最差网格为0.41，满足要求。 8、输出网格。
(完整版)流体力学知识点总结汇总
流体力学知识点总结 第一章 绪论 1 液体和气体统称为流体，流体的基本特性是具有流动性，只要剪应力存在流动就持续进行，流体在静止时不能承受剪应力。 2 流体连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的，内部无空隙的连续体来研究。 3 流体力学的研究方法：理论、数值、实验。 4 作用于流体上面的力 （1）表面力：通过直接接触，作用于所取流体表面的力。 作用于A 上的平均压应力 作用于A 上的平均剪应力 应力 法向应力 切向应力 （2）质量力：作用在所取流体体积内每个质点上的力，力的大小与流体的质量成比例。（常见的质量力： 重力、惯性力、非惯性力、离心力） 单位为 5 流体的主要物理性质 （1） 惯性：物体保持原有运动状态的性质。质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。 常见的密度（在一个标准大气压下）： 4℃时的水 20℃时的空气 （2） 粘性 ΔF ΔP ΔT A ΔA V τ 法向应力周围流体作用 的表面力 切向应力 A P p ??=A T ??=τA F A ??=→?lim 0δA P p A A ??=→?lim 0为A 点压应力，即A 点的压强 A T A ??=→?lim 0τ 为A 点的剪应力 应力的单位是帕斯卡（pa ） ，1pa=1N/㎡，表面力具有传递性。 B F f m =u u v v 2m s 3 /1000m kg =ρ3 /2.1m kg =ρ
牛顿内摩擦定律： 流体运动时，相邻流层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即 以应力表示 τ—粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。由图可知 —— 速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度） 粘度 μ是比例系数，称为动力黏度，单位“pa ·s ”。动力黏度是流体黏性大小的度量，μ值越大，流体越粘，流动性越差。 运动粘度 单位：m2/s 同加速度的单位 说明： 1）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。 2）液体 T ↑ μ↓ 气体 T ↑ μ↑ 无黏性流体 无粘性流体，是指无粘性即μ=0的液体。无粘性液体实际上是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模型。 （3） 压缩性和膨胀性 压缩性：流体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原状的性质。 T 一定，dp 增大，dv 减小 膨胀性：流体受热，体积膨胀，密度减小，温度下降后能恢复原状的性质。 P 一定，dT 增大，dV 增大 A 液体的压缩性和膨胀性 液体的压缩性用压缩系数表示 压缩系数：在一定的温度下，压强增加单位P ，液体体积的相对减小值。 由于液体受压体积减小，dP 与dV 异号，加负号，以使к为正值；其值愈大，愈容易压缩。к的单位是“1/Pa ”。（平方米每牛） 体积弹性模量K 是压缩系数的倒数，用K 表示，单位是“Pa ” 液体的热膨胀系数：它表示在一定的压强下，温度增加1度，体积的相对增加率。 du T A dy μ =? dt dr dy du ? =?=μ μτdu u dy h =ρ μν= dP dV V dP V dV ? -=-=1/κρ ρ κ d dP dV dP V K =-==1
流体力学报告
流体力学报告 每一门力学学科的建立,都需要建立模型,也就是把实际的问题抽象化,而抽象过程就是把现实中对所研究问题不重要的因素忽略掉,也就是模型假设,从而建立于这个问题相适应的模型进行研究,如果有意义有价值,也就慢慢深入研究,从而形成一门学科,它们都是随社会的发展而发展形成的.比如现如今最前沿的力学学科"纳米力学"就是如此。我们土木工程常说的三大力学有：1.理论力学---分析力学,振动力学,水力学或称为流体力学(这些研究对材料都不太侧重 )2.材料力学---弹性力学,塑性力学(都是又材料特性而分的) 3.结构力学:就是分析复杂的结构的情形。在此我重点叙述我对流体力学这门课学科的学习和认知。 一·流体的基本信息解释： 流体，是与固体相对应的一种物体形态，是液体和气体的总称. 由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状并且具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力(即粘滞性)。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。是液压传动和气压传动的介质。大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体的研究内容。
二·流体力学的阐述： 流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体(包含气体，液体以及等离子态)现象以及相关力学行为的科学。可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学，还可按流动物质的种类分为水力学，空气动力学等等。对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础，特别是从20世纪以来，流体力学已发展成为基础科学体系的一部分，同时又在工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等方面得到广泛应用。流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学;从对不同"力学模型"的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。 三·对流体的研究假设： 连续体假设 物质都由分子构成,尽管分子都是离散分布的,做无规则的热运动.但理论和实验都表明,在很小的范围内,做热运动的流体分子微团的统计平均值是稳定的.因此可以近似的认为流体是由连续物质构成,其中的温度,密度,压力等物理量都是连续分布的标量场。 质量守恒 质量守恒目的是建立描述流体运动的方程组。欧拉法描述为:流进
计算流体力学课程大作业
《计算流体力学》课程大作业 ——基于涡量-流函数法的不可压缩方腔驱动流问题数值模拟 张伊哲 航博101 1、 引言和综述 2、 问题的提出，怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式 3、 程序说明 4、 计算结果和讨论 5、 结论 1引言 虽然不可压缩流动的控制方程从形式上看更为简单，但实际上，目前不可压缩流动的数值方法远远不如可压缩流动的数值方法成熟。 考虑不可压缩流动的N-S 方程： 01()P t νρ??=? ? ??+??=-?+???? U U UU f U (1.1) 其中ν是运动粘性系数，认为是常数。将方程组写成无量纲的形式： 01()Re P t ??=?? ??+??=-?+????U U UU f U (1.2) 其中Re 是雷诺数。 从数学角度看，不可压缩流动的控制方程中不含有密度对时间的偏导数项，方程表现出椭圆-抛物组合型的特点；从物理意义上看，在不可压缩流动中，压力这一物理量的波动具有无穷大的传播速度，它瞬间传遍全场，以使不可压缩条件在任何时间、任何位置满足，这就是椭圆型方程的物理意义。这就造成不可压缩的N-S 方程不能使用比较成熟的发展型．．．偏微分方程的数值求解理论和方法。 如果将动量方程和连续性方程完全耦合求解，即使使用显示的离散格式，也将会得到一个刚性很强的、庞大的稀疏线性方程组，计算量巨大，更重要的问题是不易收敛。因此，实际应用中，通常都必须将连续方程和动量方程在一定程度上解耦。 目前，求解不可压缩流动的方法主要有涡量-流函数法，SIMPLE 法及其衍生的改进方法，有限元法，谱方法等，这些方法各有优缺点。其中涡量-流函数法是解决二维不可压缩流动的有效方法。作者本学期学习了研究生计算流体课程，为了熟悉计算流体的基本方法，选择使用涡量-流函数法计算不可压缩方腔驱动流问题，并且对于不同雷诺数下的解进行比较和分析，得出一些结论。 本文接下来的内容安排为：第2节提出不可压缩方腔驱动流问题，并分析该问题怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式、选择边界条件。第3节介绍程序的结构。第4节对于不同雷诺数下的计算结果进行分析，并且与U.GHIA 等人【1】的经典结论进行对比，评述本
《流体力学考》考点重点知识归纳(最全)
《流体力学考》考点重点知识归纳 1.流体元：就有线尺度的流体单元，称为流体“质元”，简称流体元。流体元可看做大量流体质点构成的微小单元。 2.流体质点：（流体力学研究流体在外力作用下的宏观运动规律） （1）流体质点无线尺度，只做平移运动 （2）流体质点不做随即热运动，只有在外力的作用下作宏观运动； （3）将以流体质点为中心的周围临街体积的范围内的流体相关特性统计的平均值作为流体质点的物理属性； 3.连续性介质模型的内容：根据流体指点概念和连续介质模型，每个流体质点具有确定的宏观物理量，当流体质点位于某空间点时，若将流体质点的物理量，可以建立物理的空间连续分布函数，根据物理学基本定律，可以建立物理量满足的微分方程，用数学连续函数理论求解这些方程，可获得该物理量随空间位置和时间的连续变化规律。 4.连续介质假设：假设流体是有连续分布的流体质点组成的介质。 5.牛顿的粘性定律表明：牛顿流体的粘性切应力与流体的切变率成正比，还表明对一定的流体，作用于流体上的粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定的，而不是由速度决定的： 6.牛顿流体：动力粘度为常数的流体称为牛顿流体。 7.分子的内聚力：当两层液体做相对运动时，两层液体的分子的平均距离加大，分子间的作用力变现为吸引力，这就是分子的内聚力。 液体快速流层通过分子内聚力带动慢流层，漫流层通过分子的内聚力阻滞快流层的运动，表现为内摩擦力。、 流体在固体表面的不滑移条件：分子之间的内聚力将流体粘附在固体表面，随固体一起运动或静止。 8.温度对粘度的影响：温度对流体的粘度影响很大。液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则相反，随温度的升高而增大。 压强对粘性的影响：压强的变化对粘度几乎没有什么影响，只有发生几百个大气压的变化时，粘度才有明显改变，高压时气体和液体的粘度增大。 9.描述流体运动的两种方法 拉格朗日法：拉格朗日法又称为随体法。它着眼于流体质点，跟随流体质点一起运动，记录流体质点在运动过程中会各种物理量随所到位置和时间的变化规律，跟中所有质点便可了解整个流体运动的全貌。 欧拉法：欧拉法又称当地法。它着眼于空间点，把流体的物理量表示为空间位置和时间的函数。空间点的物理量是指，某个时刻占据空间点的。 流体质点的物理量，不同时刻占据该空间点的流体质点不同。 10.速度场：速度场是由流体空间各个坐标点的速度矢量构成的场。速度场不仅描述速度矢量的空间分布，还可描述这种分布随时间的变化。 11.毛细现象：玻璃管内的液体在表面张力的作用下液面升高或降低的现象称为毛细现象； 12.迹线：流体质点运动的轨迹。在流场中对某一质点作标记，将其在不同时刻的所在位置点连成线就是该流体质点的迹线。 13.定常流动：流动参数不随时间变化的流动。反之，流体参数随时间变化的流动称为不定长流动。 14.流线：流线是指示某一时刻流场中各点速度矢量方向的假象曲线。