杜编《工程流体力学》总结
工程流体力学知识点
（3）边界上可有力的作用和能量的交换，但不能有质量的交换。
4
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f = 1 p ρ
该方程的物理意义：当流体处于平衡状态时，作用在单位质量流体上的质量
力与压力的合力相平衡。 其中： 称为哈密顿算子， i j k ，它本身为一个矢量，同时对
x y z
其右边的量具有求导的作用。
4．静力学基本方程式的适用条件及其意义。
牛顿内摩擦定律中的比例系数 μ 称为流体的动力粘度或粘度，它的大小可以
反映流体粘性的大小，其数值等于单位速度梯度引起的粘性切应力的大小。单位
1
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为 Pa·s，常用单位 mPa·s、泊（P）、厘泊（cP），其换算关系： 1 厘泊(1cP)=1 毫帕斯卡·秒(1mPa.s) 100 厘泊(100cP)=1 泊(1P) 1000 毫帕斯卡·秒(1mPa·s)=1 帕斯卡.秒(1Pa·s)
5．膨胀性
指在压力不变的条件下，流体的体积会随着温度的变化而变化的性质。其大
小用体积膨胀系数 βt 表示，即
βt
=
1 V
dV dt
6．粘性
流体所具有的阻碍流体流动，即阻碍流体质点间相对运动的性质称为粘滞性，
简称粘性。
7．牛顿流体和非牛顿流体
符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。
8．动力粘度
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《工程流体力学》知识点
第一章 流体的物理性质
一、学习引导
1．连续介质假设
流体力学的任务是研究流体的宏观运动规律。在流体力学领域里，一般不考
虑流体的微观结构，而是采用一种简化的模型来代替流体的真实微观结构。按照
工程流体力学知识点
在非惯性坐标系中，虚加在物体上的力，其大小等于该物体的质量与非惯性 坐标系加速度的乘积，方向与非惯性坐标系加速度方向相反，即
Fi ma
12．表面力 表面力作用于所研究的流体的表面上，并与作用面的面积成正比。表面力是 由与流体相接触的流体或其他物体作用在分界面上的力，属于接触力，如大气压 强、摩擦力等。 二、难点分析 1．引入连续介质假设的意义 有了连续介质假设，就可以把一个本来是大量的离散分子或原子的运动问题 近似为连续充满整个空间的流体质点的运动问题。而且每个空间点和每个时刻都 有确定的物理量，它们都是空间坐标和时间的连续函数，从而可以利用数学分析
z1
p1 ρg
=
z2
p2 ρg
（1）其适用条件是：重力作用下静止的均质流体。
（2）几何意义：z 称为位置水头，p/ρg 称为压力水头，而 z＋p/ρg 称为测压
管水头。因此，静力学基本方程的几何意义是：静止流体中测压管水头为常数。
（3）物理意义：z 称为比位能，p/ρg 代表单位重力流体所具有的压力势能， 简称比压能。比位能与比压能之和叫做静止流体的比势能或总比能。因此，流体
9．运动粘度 流体力学中，将动力粘度与密度的比值称为运动粘度，用 υ 来表示，即
υ= μ ρ
其单位为 m2/s，常用单位 mm2/s、斯（St）、厘斯（cSt），其换算关系： 1m2/s＝1×106mm2/s＝1×104 St=1×106 cSt 1 St=100 cSt
10．质量力 作用在每一个流体质点上，并与作用的流体质量成正比。对于均质流体，质 量力也必然与流体的体积成正比。所以质量力又称为体积力。 重力、引力、惯性力、电场力和磁场力都属于质量力。 11．惯性力 （1）惯性系和非惯性系 如果在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿 定律不能成立的参考系则是非惯性参考系。
工程流体力学复习知识总结
工程流体力学复习知识总结一、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）二、填空题。
1、1mmH 2O= 9.807 Pa2、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。
6、流体紊流运动的特征是脉动现像，处理方法是时均法。
7、流体在管道中流动时，流动阻力包括沿程阻力和局部阻力。
8、流体微团的基本运动形式有：平移运动、旋转流动和变形运动。
9、马赫数气体动力学中一个重要的无因次数，他反映了惯性力与弹性力的相对比值。
工程流体力学课后习题答案(杜广生)(杂)
4. 解：
设容器中气体的真空压强为 pe ，绝对压强为 pab
如图所示，选取 1-1 截面为等压面，则列等压面方程： pab + gh=pa
因此，可以计算得到：
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《工程流体力学（杜广生）》习题答案
pab =pa - gh=101325-1594 9.8 90010-3 =87.3 kPa
0.51109 m2
/N
6. 解：根据动力粘度计算关系式：
678 4.28107 2.9104 Pa S
7. 解：根据运动粘度计算公式：
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《工程流体力学（杜广生）》习题答案
1.3103 999.4
1.3106 m2
因此，可以计算
h
得到： h=
pA -pB Hg g
=
(2.7+2.9) 104 13.55103 9.8
=0.422m
2. 解：
由于煤气的密度相对于水可以忽略不计，因此，可以得到如下关系式：
p2 =pa2 +水gh2 （1）
p1 =pa1+水gh1 （2）
由于不同高度空气产生的压强不可以忽略，即 1,2 两个高度上的由空气产生的大气压强分别为 pa1 和 pa2 ，
dA=2
r
dh cos
=
2 h tan cos
dh
由于间隙很小，所以间隙内润滑油的流速分布可看作线性分布，则有：
d = = r = h tan
则在微元 dh 高度内的力矩为：
dM = dA r= h tan 2 h tan dh h tan =2 tan3 h3dh
工程流体力学总结
流体力学 研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体间的相互作用。
第1章 绪论流体——静力平衡时，不能承受剪切力的物质（液体、气体） 流体的主要物理性质：①易流动性；②抗压不抗拉；③边界影响，流体特性影响；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）理想流体——假想的没有粘性的流体。
µ = 0，τ= 0 实际流体——事实上具有粘性的流体。
（流体质点）a.宏观尺寸足够小；b.微观尺寸足够大；c.具有一定的宏观物理量；d.形状可以任意分割；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μ：反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m 2 运动粘度ν：ν=μ/ρ第2章 流体静力学流体静压强——作用在流体内部单位面积上的力【方向性】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。
【大小性】与其作用面的方位无关，只能由该点的坐标位置决定，即同一点上各方向的静压强大小均相等。
流体平衡微分方程⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=∂∂=∂∂=∂∂01-Z 01-Y 01-X z pypx p平衡流体任一点压强(c=p 0-ρW)P=pW+c=p 0+ρ(W-W 0)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。
（1）等压面必为等势面；（2）等压面必然与质量力正交； 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 P abs 相对压强：以当地大气压为基准起算的压强 P P=P abs —P a （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 P v P v =P a -P abs = -P测压管水头：是单位重量液体具有的总势能c gp=+ρz 【比位能（位置水头）+比压能（压强水头）=比势能】 （1）p 1=p 2时，z 1=z 2,即等压面为水平面；（2）z 2>z 1时，p 1>p 2，即位置较低处压强大于位置较高处；基本问题：（γ=ρg ）1、求流体内某点的压强值：p = p 0 +γh ；2、求压强差：p – p 0 = γh ；3、求液位高：h = （p - p 0）/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p c 之积。
工程流体力学知识点总结
工程流体力学知识点总结考试题型一填空题 102分 20分二选择题102分 20分三计算题 4题共40分四论述题 2题每题10分共20分第二章流体的主要物理性质第二章流体的主要物理性质第二章流体的主要物理性质第二章流体的主要物理性质三流体的粘性 1流体的粘性液体在外力作用下流动或有流动趋势时其内部因相对运动而产生内摩擦力的性质静止液体不呈现粘性第二章流体的主要物理性质第二章流体的主要物理性质恩氏粘度与运动粘度的换算关系第二章流体的主要物理性质流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学 1不可压缩流体的静压强基本公式流体静力学该式为重力场中不可压缩流体的静压强基本方程式流体静力学流体静压强基本方程式表明流体静力学 2流体静压强基本方程式的物理意义流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学第四章流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体运动学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础例试求射流对挡板的作用力相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析相似理论与量纲分析第七章流体在管路中的流动主要讨论液体流经圆管及各种接头时的流动情况进而分析流动时所产生的能量损失即压力损失液体在管中的流动状态直接影响液流的各种特性流体在管路中的流动流体在管路中的流动流体在管路中的流动雷诺数是惯性力对粘性力的无量纲比值 Re↑→惯性力起主导作用→紊流 Re↓→粘性力起主导作用→层流流体在管路中的流动流体在管路中的流动在半径为r处取一层厚度为dr的微小圆环面积通过此环形面积的流量为流体在管路中的流动 1紊流流动时的流速分布三个区域流体在管路中的流动流体在管路中的流动局部压力损失是液体流经阀口弯管通流截面变化等所引起的压力损失液流通过这些地方时由于液流方向和速度均发生变化形成旋涡如下图使液体的质点间相互撞击从而产生较大的能量损耗流体在管路中的流动局部压力损失计算公式流体在管路中的流动流体在管路中的流动流体在管路中的流动第八章孔口流动孔口流动孔口流动流量与小孔前后的压差的平方根以及小孔面积成正比与粘度无关沿程压力损失小通过小孔的流量对工作介质温度的变化不敏感常用作调节流量的器件孔口流动孔口流动其中的流量系数Cd在有关液压设计手册中查得当Re 2000时保持在08左右短孔加工比比薄壁小孔容易因此特别适合于作固定节流器使用孔口流动液压冲击和气穴现象定义在液压系统中由于某种原因引起液体中产生急剧交替的压力升降的阻力波动过程危害出现冲击时液体中的瞬时峰值压力往往比正常工作压力高好几倍它不仅会损坏密封装置管道和液压元件而且还会引起振动与噪声有时使某些压力控制的液压元件产生误动作造成事故原因流道的突然堵塞或截断液压冲击若将阀门突然关闭则紧靠阀门的这部分液体立刻停止运动液体的动能瞬时转变为压力能接着后面的液体依次停止运动依次将动能转变为压力能并以一定速度由阀门处回传到管头处使全管压力升高在管道内形成压力升高波管内液体受力不平衡使液体倒流管内液体压力逐段降低形成压力衰减波液压冲击适当加大管径限制管道流速一般在液压系统中把速度控制在45ms以内使prmax不超过5MPa就可以认为是安全的正确设计阀口或设置制动装置使运动部件制动时速度变化比较均匀延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间可采用换向时间可调的换向阀尽可能缩短管长以减小压力冲击波传播时间变直接冲击为间接冲击缓慢关闭阀门削减冲击波的强度在阀门前设置蓄能器以减小冲击波传播的距离应将管中流速限制在适当范围内或采用橡胶软管在系统中装置安全阀限制压力升高气穴现象定义在流动液体中由于压力降低而有气泡形成的现象气穴中的气体空气油蒸汽轻微气穴压力降低到某一值时以混入油中的微小气泡为核心其体积胀大并互相聚合而形成相当体积的气泡严重气穴当压力降低到空气分离压4×104pa 以下除混入油中的气泡胀大聚合外溶入油中的空气将突然迅速的自油中分离而产生大量的气泡气穴现象强烈气穴当压力降低到饱和蒸汽压约为2×104pa 以下除上述两种气泡外油液还将沸腾汽化产生大量气泡气穴现象第十章气体的一元定常流动气体的一元定常流动局部压力损失局部阻力系数由于阻力区域流动复杂其值一般由实验来确定具体可查手册液体密度液体平均流速六串联管路与并联管路重点 H 3 2 1 1串联管路 2并联管路Q Q A B 例 L1 500m L2 800m L3 1000m d1 300mm d2 250mm d3 200mm 设总流量Q 028m3s 求每一根管段的流量解铸铁管的粗糙度 12mm 表7-2 查莫迪图有因 qv qv1 qv2 qv3 qv1 1 qv2 qv1 qv3 qv1 17242 qv1 故小孔 ld ≤05薄壁小孔 05＜ld≤4短孔 ld＞4细长孔一薄壁小孔取截面11和22为计算截面选轴线为参考基准则 Z1 Z2并设动能修正系数α 1列伯努利方程为流经小孔的流量为当Re＞105时 Cd＝060～062 可视为常数二短孔两个阶段收缩扩散取截面11和22为计算截面选轴线为参考基准则Z1 Z2并设动能修正系数α 1列伯努利方程为式中 v1可忽略代入整理流经短孔的流量计算式三细长孔式中液体流经细长孔的流量和孔前后压差△p 成正比流量和液体粘度μ成反比因此流量受液体温度变化的影响较大液体流经细长小孔时一般都是层流状态所以可直接应用前面已导出的圆管层流流量公式一液压冲击一液压冲击的物理过程若整个过程中无能量损失则冲击波将永远持续下去水锤二减小液压冲击的措施二气穴现象例管道中水的质量流量为Qm 300kgs 若d1 300mm d2 200mm 求流量和过流断面 1-1 2-2 的平均流速 d2 d1 2 1 2 1 解补充例题4-1掌握第三节伯努利方程重点假设①不可压缩理想流体作定常流动ρ cFf 0 t 0 ②沿同一微元流束积分③质量力只有重力将欧拉运动方程分别乘以dxdydz有由流线方程得三式相加得由假设③故沿流线积分得整形伯努利常数理想流体一微元流束伯努利方程在同一微元流束上伯努利方程可写成伯努利方程的物理意义在密封管道中作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量即压力能动能和势能三种能量之间可以相互转化但其总和为一常数测压管皮托管驻点测总压测静压总压和静压之差称为动压法国皮托1773年实际流体的伯努利方程粘性摩擦力速度分布不均实际动能与平均动能产生差异动能修正系数α 1--2 损失hf 伯努利方程在工程中的应用 1皮托管测量流速沿流线B–A 列伯努利方程第八节动量定理及其应用重点研究动量变化与作用在液体上的外力的关系两种方法积分法动量方程动量定理作用在物体上的合外力的大小等于物体在力的作用方向上的动量变化率即①假设理想液体在管道内作恒定流动②取控制体积12段③在dt时间内控制体积中液体质量的动量变化为由动量定理得几点说明合外力为作用在控制体积上的所有外力之和公式中力速度均为矢量实用中用投影式控制体积的选取原则控制体积必须包含所求总作用力影响的全部液体平均流速动量修正系数β 1133故例如图p1 98kpaV1 4msd1 200mmd2 100mmα 450 不计水头损失求水流作用于水平弯管上的力解设管壁对水流的作用力为RxRy 取控制体积12由连续性方程有列1-2伯努利方程 X方向动量方程 Y方向动量方程代入有关数据得 Rx -2328 kN Ry 1303 kN 利用牛顿第三定律可得到水流对管壁的作用力并可求得合力及合力与X方向的夹角划出abcdef为控制体积则截面abcdef上均为大气压力pa 由动量方程得paA-F ∑ F ρq 0-v1 -ρqv1 相对压力pa 0故 F ρqv1＝ρq2A 因此射流作用在挡板上的力大小与F相等方向向右 1几何相似空间相似定义模型和实物的全部对应线形长度的比值为一定常数 6-1 长度比例常数图1 几何相似 2运动相似时间相似定义满足几何相似的流场中对应时刻对应点流速加速度的方向一致大小成一定比例相等即它们的速度场加速度场相似满足上述条件流动才能几何相似面积比例常数 6-2 体积比例常数 6-3 图2 速度场相似时间比例常数 6--4 速度比例常数6--5 加速度比例常数 6-6 体积流量比例常数 6--7 运动粘度比例常数6--8 长度比例常数和速度比例常数确定所有运动学量的比例常数 3 动力相似力相似定义两个运动相似的流场中对应空间点上对应瞬时作用在两相似几何微团上的力作用方向一致大小互成比例即它们的动力场相似图3 动力场相似力的比例常数 6--9 由牛顿定律可知 6-10 其中为流体的密度比例尺力矩功能比例常数 6--11 压强应力比例常数 6--12 功率比例常数 6--13 动力粘度比例常数 6--14 有了模型与原型的密度比例常数长度比例常数和速度比例常数就可由它们确定所有动力学量的比例常数二相似判据定义在几何相似的条件下两种物理现象保证相似的条件或判据由式 6-10 得 6-15 或 6-16 令 6-17 称为牛顿数它是作用力与惯性力的比值当模型与原型的动力相似则其牛顿数必定相等即反之亦然这就是牛顿相似判据流场中有各种性质的力但不论是哪种力只要两个流场动力相似它们都要服从牛顿相似判据⑴重力相似判据弗劳德判据⑵粘性力相似判据雷诺判据⑶压力相似判据欧拉判据⑷弹性力相似判据柯西马赫判据⑸表面张力相似判据韦伯判据⑹非定常性相似判据斯特劳哈尔判据⑴重力相似判据将重力比代入式 6-15 得 6-18 或 6-19 令 6-20 弗劳德数它是惯性力与重力的比值当模型与原型的重力相似则其弗劳德数必定相等即反之亦然这就是重力相似判据弗劳德判据重力场中则 a ⑵粘性力相似判据将粘性力之比代入式 6-15 得或 6-22 6-21 令 6-23 雷诺数它是惯性力与粘性力的比值当模型与原型的粘性力相似则其雷诺数必定相等即反之亦然这就是粘性力相似判据雷诺判据模型与原型用同一种流体时则 b ⑶压力相似准则将压力比代入式 6-15 得 6-24 或6-25 令 6-26 称为欧拉数它是总压力与惯性力的比值当模型与原型的压力相似则其欧拉数必定相等即反之亦然这就是压力相似判据欧拉判据当压强用压差代替 6-27 欧拉数能量损失hw液体流动时克服粘性摩擦阻力消耗的能量内因粘性外引管道结构局部损失hζ由于管道截面形状突然改变液流方向的改变或其他形式的液流阻力引起的压力损失沿程损失hλ液体在等径直管道中流过一段长度时因摩擦而产生的压力损失达西威斯巴赫公式或沿程阻力系数其值取决于流态一流态与雷诺数一层流和紊流层流液体流动时质点没有横向脉动不引起液体质点混杂而是层次分明能够维持安定的流束状态这种流动称为层流紊流液体流动时质点具有脉动速度引起流层间质点互错杂交换这种流动称为紊流或湍流上临界流速层流转变为紊流下临界流速紊流转变为层流三个区域层流变流紊流判别流态的标准雷诺数会计算通常2雷诺数的计算水力直径湿周过流断面A上液体与固体壁面接触的周界长度水力直径的大小对管道的流通力影响很大大→意味液体与管壁接触少阻力小流通能力大即使通流截面积小时也不容易堵塞 1Re的物理意义二圆管层流 1运动液体的速度分布力平衡方程式为式中整理得积分得当r＝R时u＝0得代入得抛物线规律分布令 2 管路中的流量对上式积分即可得流量q 3沿程压力损失实际由于各种因素的影响对光滑金属管取λ＝75Re 对橡胶管取λ＝80Re 思考速度的0>最大值与平均速度的关系⑴层流边层δ粘性力起主导作用其厚度δ将随雷诺数的增大而减小⑵紊流核心区粘性力惯性力共同作用划归为紊流核心区⑶过渡区紊流中的流速分布比较均匀其动能修正系数α≈105 动量修正系数β≈104故紊流时这两个系数均可近似取1 2沿程压力损失计算 3 λ的确定管壁粗糙凸出部分的平均高度叫做管壁的绝对粗糙度ΔΔd称为相对粗糙度水力光滑管层流边层区δ粗糙度被层流边层淹没重点水力粗糙管δ粗糙度暴露重点四局部压力损失首页上页下页末页结束工程流体力学知识点总结一流体的概念 1流体由极其微小在空间仅占有点的位置的质点所组成的微团构成的连续的易于流动的介质 2特征易流性只承受压力不能承受切应力没有固定的形状其形状取决于容器的形状 3流体液体分子间距小具有微小压缩性气体分子间距大具有很大压缩性二流体的密度与压缩性 1密度单位体积内流体所具有的质量均质流体式中——流体的密度kgm ——4℃时水的密度kgm 2相对密度 3 重度单位体积内流体所具有的重量 4体积弹性模量 V一定在同样Δp下 K 越大ΔV 越小说明K 越大液体的抗压能力越强说明由于压强增大体积缩小Δp与ΔV 变化趋势相反为保证K为正值故加有符号 2牛顿内摩擦定律流体流动时阻滞剪切变形的内摩擦力与流体运动的速度梯度成正比与接触面积成正比与流体的性质有关与流体内的压力无关单位面积上的切应力式中μ----比例常数----动力粘度 3粘性的表示方法及其单位 1动力粘度μ 2运动粘度国际单位制中单位m2s 常用非法定单位 1 m2s 104 St cm2s 106 cSt mm2s 由牛顿内摩擦定律动力粘度表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小国际单位制中常用单位或是 4液体的粘度将随压力和温度的变化发生相应的变化 1流体产生粘性的主要原因①液体分子内聚力②气体分子作热运动流层之间分子的热交换频繁 2压力的影响在高压下液体的粘度随压力升高而增大常压下压力对流体的粘性影响较小可忽略 3恩氏粘度注意 2时使用该公式当没有约束条件时为713 恩氏粘度是无量纲数①液体温度升高粘度降低②气体温度升高粘度增大 3温度的影响 5实际流体和理想流体实际流体粘性流体具有粘性的流体称实际流体理想流体假想没有粘性的流体 1 液体的静压强具有两个重要特性 1 液体静压强的方向总是指向作用面的内法线方向 2 静止液体内任一点的静压力在各个方向上都相等证四面体上的法向表面力投影式由有整理得四面体上的质量力同理即 2 静止流体的平衡微分方程式研究流体在质量力和表面力的作用下的力的平衡关系 1平衡微分方程式设微小六面体中心点a 其静压强为p xyz x方向的平衡方程式化简得同除以同理得欧拉平衡方程 3 重力场中静止流体的压强分布重力场中的平衡流体中的流体静压力只是高度的连续函数重力场中的欧拉平衡方程形式为对于不可压缩流体对上式在流体连续区域内进行积分可得积分常数C可以由平衡液体自由表面边界条件确定这就是不可压缩流体的静压强分布规律重点静止流场中压强分布规律既适用于理想流体也适用于粘性流体所以即①重力作用下的静止液体中任一点的静压强由自由表面上的压强和单位面积液柱重量所组成②静止液体自由表面上的表面压力均匀传递到液体内各点这就是著名的帕斯卡定律如水压机油压千斤顶等机械就是应用这个定律制成的淹深③静止液体内不同位置处的流体静压力数值不同但其数值之间存在如下关系由上式在平衡流体内部位置势能和压力势能可以相互转化但是总能量保持恒定流体静压强基本方程式的意义就是平衡流体中的总能量是一定的这也是能量守衡与转化定律在平衡流体中的体现位置势能压力势能 4静压强的表示方法及其单位 1表示方法大气压强--标准状态下海平面上大气所产生的压强绝对压强--以绝对真空作为基准所表示的压强相对压强--以当地大气压强作为基准所表示的压强多数测压仪表所测得的压强是相对压强故相对压力也称表压强真空度--负的相对压强 2四种压力的关系绝对压强相对压强大气压强真空度大气压强-绝对压强 p O p 0 p pa P pa pa绝对真空表压强真空度绝对压强绝对压强大气压强图3-6 绝对压强与相对压强间的关系 3压力的单位法定压力 ISO 单位称为帕斯卡帕符号为Pa工程上常用兆帕这个单位来表示压力 1MPa 106Pa1bar 1at 工程大气压 1mH2O 米水柱 1mmHg 毫米汞柱 5 等角速旋转容器中液体的相对平衡重点静压强分布代入压强差公式积分得单位质量产生的离心力为当时代入上式得等压面方程积分得等压面为旋转抛物面的等压面为自由液面第一节描述流体运动的两种方法一Lagrange法拉格朗日法基本思想跟踪每个流体质点的运动全过程记录它们在运动过程中的各物理量及其变化规律独立变量abct区分流体质点的标志也称拉格朗日变数质点物理量流体质点的位置坐标速度和加速度 u xt ax 2xt2 v yt ay 2yt2 w zt az 2zt2 二 Euler法欧拉法重点基本思想考察空间每一点上的物理量及其变化着眼于运动流体所充满的空间独立变量空间点坐标速度场 u u xyzt v v xyzt w w xyzt 流体运动质点的空间坐标随时间变化x x t y y t z z t 速度 u dxdt v dydt w dzdt 加速度 aa xyzt 重点局部时变对流迁移若用矢量表示则有为哈密尔顿矢性微分算子同理其他运动参数可表示为第二节几个基本概念定常流动非定常流动steady and unsteady flow 若H不变则有t 0运动参数不随时间变化即流动恒定或流动定常若H是变化的则t不为零即流动非恒定或流动非定常 2 一维流动二维流动和三维流动一维流动流动参数是一个坐标的函数二维流动流动参数是两个坐标的函数三维流动流动参数是三个坐标的函数对于工程实际问题在满足精度要求的情况下将三维流动简化为二维甚至一维流动可以使得求解过程尽可能简化３迹线和流线重点迹线流体质点的运动轨迹线指的某一质点属拉格朗日法的研究内容给定速度场流体质点经过时间 dt移动一段距离该质点的迹线微分方程为流线速度场的矢量线重点任一时刻t曲线上每一点处的切线方向都与该点的速度方向重合流线方程流线的几个性质在定常流动中流线不随时间改变其位置和形状流线和迹线重合在非定常流动中由于各空间点上速度随时间变化流线的形状和位置是在不停地变化的流线不能彼此相交和折转只能平滑过渡流线密集的地方流体流动的速度大流线稀疏的地方流动速度小迹线和流线的差别迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线与Lagrange观点对应流线是同一时刻不同流体质点速度向量的包络线与Euler观点对应例已知流场速度为其中q为常数求流线方程 dxx dyy 积分 lnx lnyc 即 y cx 为平面点源流动解例已知平面流场速度分布为 u 2ytt3 v 2xt 求时刻 t 2 过点 01 的流线解 2x dx 2ydy t2dyt作为参量常数处理积分有 x2 – y2 t2y C 将 t 2 x 0 y 1代入得 C -5 所以有 x2 – y2 –4y 5 0 3 平均流速体积流量与有效截面积之比值用 v 表示第三节连续性方程重点 2 2 1 1 A1 A2 u1 u2 一维流动的连续性方程 u1A1 u2A2 Q 对于不可压管流截面小流速大截面大流速小而对于可压缩管流情况要复杂得多。
工程流体力学知识点总结
速度场
u=u(x,y,z,t) v=v(x,y,z,t) w=w(x,y,z,t)
流体运动质点的空间坐标随时间变化 x=x(t) y=y(t) z=z(t)
速度 u=dx/dt v=dy/dt w=dz/dt
加速度 a=a(x,y,z,t)（重点）
a x ut流 u体ux 运 v 动uy 学w 基uz 础
ay
v t
u
v x
v
v y
w
v z
az
w t
u
w x
v
w y
w
w z
局部（时变） av(v)v t
对流（迁ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
若用矢量表示，则有
为哈密尔顿矢性微分算子。
同理，其他运动参数流可体表运示为动：学基础
Dp p u p v p wp t t x y z
u v w
t t x y z
第二节 几个基本概念
ax= 2x/t2 ay= 2y/t2
w=z/t az= 2z/t2
二、 Euler法（欧拉流法体）运（重动点学）基础
基本思想：考察空间每一点上的物理量及其变化。着眼于 运动流体所充满的空间。 独立变量：空间点坐标 (x, y, z)
vv(x,y,z,t) pp(x,y,z,t) (x,y,z,t)
dpgdz
流体静力学
对于不可压缩流体 con，st对上式在流体连续区域
内进行积分，可得：
z p C g
该式为重力场中不可压缩流体的静压强基本方程式。
积分常数C可以由平衡液体自由表面边界条件确定：
zz0, pp0
z0
p0 g
C
所以 即
z p g
z0
工程流体力学答案 杜广生 习题解答
za
+
p0 g
+
a2 2g
=z4
+
p4 g
+
42 2g
（1）
式中， za =H ，a =0 （面积远大于管子截面积） ， z4 =0 ， p4 =0 （出口为大气压，故而表压为 0）
代入式（1）可得：4 =
2
g
za
+
p0 g
=
2
9.8
5+
147150 1000 9.8
=19.81m/s
因此，流量
ax
x t
x
x x
y
x y
(4x3
2 y xy)(12x2
y) (3x
y3
z)(2 x)
ay
y t
x
y x
y
y y
3(4x3
2 y xy) 3y2 (3x
y3
z)
将质点坐标（2,2, 3）代入上式，可得： ax 2004 , ay 108
4．解：
（1）根据已知条件，x yz+t ，y xz t ，z xy ，流体流动速度与时间 t 有关，因此，该流动属
因此，加速度：
ax
x
dx dx
=
qV A( x)
d
qV A( x)
dx
=
qV2 A( x)
1 A2 (x)
dA( x) dx
=
qV2 A3 ( x)
dA( x) dx
6. 解：
根据已知条件，有：
x
y 2 (x
y)
，y
x 2 (x
y)
，代入流线微分方程： dx x
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杜编《工程流体力学》总结第一章 绪论一、流体的定义：通常说能够流动的物质为流体；如果按照力学的术语进行定义，则在任何微小剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。
液体、气体统称为流体。
二、特征在给定的剪切力作用下，固体只产生一定量的变形，而流体将产生连续的变形，即流体具有流动的特征；当剪切力停止作用时，在弹性极限内固体可以恢复原来的形状，而流体只是停止变形，而不能恢复到原来的位置；在静止状态下，固体能够同时承受法向应力和切向应力,而流体仅能够承受法向应力，只有在运动状态下才能够同时承受法向应力和切向应力；固体有一定的形状，而流体则取其容器的形状。
三、连续性假设把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质，这就是流体的“连续介质模型”。
四、密度密度是流体的重要物理属性之一，它表征流体的质量在空间的密集程度。
对于非均质流体，若围绕空间某点的体积为δV ，其中流体的质量为δm ,则它们的比值δm /δV 为δV 内流体的平均密度。
令δV →0取该值的极限，便可得到该点处流体的密度，即 ρδδδ==→limV m V dmdV0 式中m 为流体的质量（kg ）,V 为流体的体积（m 3），ρ表示流体单位体积内具有的质量（kg/m 3）。
式中数学上的δV →0，在这里应从物理上理解为，体积缩小为上节所定义的流体微团。
以后遇到类似情况，都应该这样去理解。
对于均质流体，其密度为ρ＝mV五、可压缩流体和不可压缩流体流体的膨胀性：流体的膨胀性系数用αV 表示，它是在一定压强下单位温升引起的体积变化率，即VdTdVa V =式中dT 为温度增量，V dV 为d T 引起的体积变化率。
流体的压缩性：用流体的压缩系数k 表示，它是在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率，即pV Vp V V δδ-=δδ-=κ 式中p δ为压强增量，V /V δ为δp 引起的体积变化率。
由于压强增高，体积缩小，δp 和δV 异号，为了保证压缩系数为正，故在等式的右侧冠以负号。
k 的单位为m 2/N 。
由上式可以看出，对于同样的压强增量，k 值大的流体体积变化率大，容易压缩；k 值小的流体体积变化率小，不容易压缩。
六、流体的黏性定义：流体的粘性是指流体流动时产生内摩擦力的性质。
这是流体的固有物理属性，但流体的粘性只有在运动状态下才能显示出来。
粘性产生的原因：气体年性的主要原因分子的热运动，液体年性的主要原因是分子间的引力。
影响因素：主要是温度，温度升高时，气体粘性增大，液体粘性减小。
七、作用在流体上的力表面力：分离体以外其他物体通过作用面作用在分离体上的力，分别有压强和剪切应力。
第二章 流体静力学 一、流体静压强及其特性静压强：流体静止时的法向力。
有两个重要特性：一是静压强指向作用面的内法线方向，再就是静压强与作用面在空间的方位无关。
二、平衡微分方程 等压面1． 方程⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=-=-=-010101z pf y p f x pf z yx ∂∂ρ∂∂ρ∂∂ρ 意义：流体处于静止状态时，质量力和压力相平衡。
2． 等压面压强相等的点连成的面，称为等压面。
等压面的性质：质量力垂直于等压面。
3． 静力学基本方程gp z g p z ρρ2211+=+意义：静止流体中各点总势能为常数。
此时压强可表示为：p p gh =+0ρ 4． 压强的几种表示方式绝对压强：以绝对真空为基准度量的压强,gh p p a ρ+= 计示压强：以大气压为基准度量的压强 gh p p p a e ρ=-=真空：当绝对压强低于大气压强时，大气压强和绝对压强之差，p p p p a e v -=-=5．压强的单位大气压 单位面积上的力 流体柱高 三、液柱式测压计要求熟练掌握课本中关于液柱式测压计的举例和相关内容。
四、 等角速旋转容器中的相对平衡相对平衡平衡时自由液面的方程gr z ss 222ω=可用于计算旋转角速度：==22r gz sω五、液体作用在平面和曲面上的总压力 1． 液体作用在平面上的总压力 总压力的大小A gh F c ρ==其中：ρ为流体的密度，c h 为投影面积形心的淹深，A 为平板的面积。
总压力的方向：作用面的内法线方向。
总压力的作用点：y 坐标 Ax I y y c cxc p += 一般不必求x 坐标。
2． 液体作用在曲面上的总压力 总压力大小 水平分力：x c x A gh F ρ= 垂直分力：p z gV F ρ= 总压力： 22z x p F F F +=总压力的作用点：总压力的水平分力x F 的作用线通过x A 的压力中心指向受压面，垂直分力z F 的作用线通过压力体的重心指向受压面，故总压力的作用线一定通过这两条作用线的交点。
总压力作用线与曲面的交点D 即为总压力的作用点。
压力体：压力体是一个数学概念，与体内是否充满液体无关。
图中有两个形状、尺寸和淹深均相同的曲面，图（a ）曲面ab 内充满液体，图（b ）曲面a 'b '内没有液体，但它们的压力体相等，V abcd =V a 'b 'c 'd '。
前者称实压力体，作用在曲面上的总压力的垂直分力方向向下；后者称虚压力体，作用在曲面上的总压力的垂直分力方向向上。
对于复杂的曲面，可以分段进行计算。
第三章 流体流动的基本概念和方程 一、研究流体流动的两种方法1．拉格朗日法：着眼于整个流场中各个流体质点的流动参数随时间的变化，综合流场中所有流体质点，便可得到整个流场流体的运动规律。
欧拉法：着眼于整个流场中各空间点流动参数随时间的变化，综合流场中的所有点，便可得到整个流场流动参数的变化规律。
运动参量和状态参量是空间点的坐标x 、y 、z 和时间t 的单值连续可微函数：⎪⎭⎪⎬⎫===)()()(t z y x w w t z y x v v t z y x u u ，，，，，，，，，)(t z y x p p ，，，=)t z y x ，，，（＝ρρT=T (x ，y ，z ，t )此处引入了场的概念，即有速度场、温度场、压强场、密度场和温度场。
导数算子：∇⋅+∂∂=tt D D 为流体质点的物理量时间全变化率的通用公式，既适用于矢量，又适用于标量。
式中tD D 为全导数，又称随体导数，意即在对时间求导数时要考虑到流体质点本身的运动；t∂∂为当地导数，是由流场的非稳定性引起的； ∇⋅为迁移导数，是由流场的非均匀性引起的。
二．流体流的分类定常流动和非定常流动：流场中流动参数不随时间变化的流动称为定常流动；否则，为非定常流动。
在定常流动中，流场中的当地导数项等于零，即：td d＝0 所以： ⎪⎭⎪⎬⎫===)()()(，，，，，，，，，z y x w w z y x v v z y x u u )(z y x p p ，，= )(z y x ，，＝ρρ一维流动、二维流动和三维流动：流动参数是一个坐标的函数的流动为一维流动，是两个坐标的函数的流动为二维流动，是三个坐标的函数的流动为三维流动。
显然，坐标变量的数目越少，问题越简单。
对于工程技术问题，在满足精度要求的情况下，如能将函数的维度降低，便可简化计算。
三、流线与迹线 迹线：流体质点由一点运动到另一点时中间所走过的轨迹。
是对流体质点运动过程的描述。
流线：方程),,,(d ),,,(d ),,,(d t z y x w zt z y x v y t z y x u x ==性质：（1）对于定常流动，上式不含时间t ，二微分方程完全相同，积分结果一样，即流线与迹线重合，且不随时间变化。
对于非定常流动，流体质点总有自己确定的迹线，而通过任意一点的流线在不同时刻可能有不同的形状，因而流线不一定始终和迹线相重合。
（2）通常在给定时刻通过流场中某点只有一条流线，因为在该点不能同时有几个流动方向，即流线一般不能转折或彼此相交。
但是，在流速为零或为无穷大的那些点，由于不存在不同流动方向，流线可以转折或彼此相交；流场中流速为零的点称为驻点，流速为无穷大的点称为奇点。
四、流量单位时间流过某截面的流体量称为流量。
体积流量的单位为m 3/s ，用v q 表示。
五、平均流速 在工程实际的许多场合，需要知道的是有效截面上流速的平均值，即平均流速，它等于体积流量除以有效截面积：Aq V v= 六、连续性方程可压缩流体：222111A V A V ρρ= 意义：任意截面上的质量流量相等。
不可压缩流体：2211A V A V =意义：在任意截面上体积流量等于常数。
七、伯努里方程H gp z g V =+ρ＋22 意义：物理意义是，沿同一微元流束或流线，单位重力流体的动能、位势能、压强势能之和为常数。
它的几何意义是，沿同一微元流束或流线，单位重力流体的速度水头、位置水头、压强水头之和为常数，即总水头线为平行于基准面的水平线。
八、动量方程⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=-=-=-∑∑∑z z zV y y y V x x x V F q F q F q )()()(121212υυρυυρυυρ注意：（1）动量方程是矢量方程，应用它的投影式比较方便，要注意流动方向和投影的正负； （2）适当地选择控制体，并完整地考虑作用在控制体内流体上的所有外力；（3）计算只涉及流入、流出截面上的流动和所有外力，不必顾及控制体内的流动状态。
举例：如图所示一水平放置的900渐缩弯管，已知入口处管径d 1＝15cm ，水流平均流速＝x v 1 2.5m/s ，计示压强=e p 1 6.86×104Pa ，出口处管径d 2＝7.5cm ，计示压强421017.2⨯=e p Pa ，试求支撑弯管所需的水平力。
【解】选取弯管壁面和进、出口截面内的体积为控制体，建立图示坐标系。
由连续方程得出口处的平均流速 10)075.015.0(5.222112=⨯=A A V V ＝（m/s ） 设弯管作用在控制体内流体上的水平力为，其在x 、y 轴上的投影为y x F F 、；同样，这里的压强项可用计示压强，由动量方程222221121112114)0(44)0(4d p F V d v d p F V d v ey xe x x ππρππρ-=-+=-∴ )(421121V p d F e x ρπ+=)5.210001086.6(15.04242⨯+⨯⨯⨯π＝=1323（N ） )1010001017.2(075.04)(424222222⨯+⨯⨯⨯=+=πρπV p d F e y =537.7(N)14287.53713232222=+=+=y x F F F (N)这也是支撑弯管所需的水平力。
九、沿流线发现方向的压强个速度的变化在流线发现方向上，压强和速度的分布分别为212rC C p ρ-= rC 2=υ 式中：p ---流线发现方向上的压强；ρ――为流体的密度，C ，C 1，C 2为常数。