中职教育-《工程流体力学》课件：第6章 水波理论(2).ppt
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流体力学课件第六章 流动阻力和水头损失(新)
水头损失：沿程水头损失和局部水头损失。 水头损失与液流的物理性质和边界特征密切相关。
用单位重量液体的能量损失 hw 表示水流的能量损失
流体的流动：层流和湍流（紊流） 研究简单流动：管流和渠道流
第六章 流动阻力和水头损失
§6-1 水头损失的两种形式 §6-2 粘性流体的两种流态
雷诺实验 流态的判别 紊流的成因 §6-3 圆管中的层流
动能减少（液体扩散） 压能增加 减少的动能完全补充为压能。
C
A
B
C
液体质点运动 A－C
动能增加（液体挤压） 压能减少 减少的压能补充为动能
液体质点运动 C— B
动能减少（液体扩散） 压能增加 减少的动能完全补充为压能。
C
A
B
C
由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从A－B 时，A和B
点的流速和压强相同。其他流线情况类似。
§6-1 水头损失的两种形式
局部水头损失：
当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局 部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较 大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。
§6-1 水头损失的两种形式
突然管道缩小：
漩涡区
§6-1 水头损失的两种形式
管道中的闸门局部开启
漩涡区
§6-1 水头损失的两种形式
流速较小时， hf ∝ v； 流速较大时， hf ∝ v2(几乎)
英国物理学家Reynolds试验研 究：水头损失之所有不同，是 因为粘性流体存在两种流态。
水 金属网
排水 进水
有色液体
节门 玻璃管
层流: 分层流动 ； 有条不紊； 互不掺混 紊流(湍流): 杂乱无章； 相互掺混 ； 涡旋紊乱
§6-2 粘性流体的两种流态
用单位重量液体的能量损失 hw 表示水流的能量损失
流体的流动：层流和湍流（紊流） 研究简单流动：管流和渠道流
第六章 流动阻力和水头损失
§6-1 水头损失的两种形式 §6-2 粘性流体的两种流态
雷诺实验 流态的判别 紊流的成因 §6-3 圆管中的层流
动能减少（液体扩散） 压能增加 减少的动能完全补充为压能。
C
A
B
C
液体质点运动 A－C
动能增加（液体挤压） 压能减少 减少的压能补充为动能
液体质点运动 C— B
动能减少（液体扩散） 压能增加 减少的动能完全补充为压能。
C
A
B
C
由于液体绕流运动无能量损失，因此，液体从A－B 时，A和B
点的流速和压强相同。其他流线情况类似。
§6-1 水头损失的两种形式
局部水头损失：
当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局 部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较 大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。
§6-1 水头损失的两种形式
突然管道缩小：
漩涡区
§6-1 水头损失的两种形式
管道中的闸门局部开启
漩涡区
§6-1 水头损失的两种形式
流速较小时， hf ∝ v； 流速较大时， hf ∝ v2(几乎)
英国物理学家Reynolds试验研 究：水头损失之所有不同，是 因为粘性流体存在两种流态。
水 金属网
排水 进水
有色液体
节门 玻璃管
层流: 分层流动 ； 有条不紊； 互不掺混 紊流(湍流): 杂乱无章； 相互掺混 ； 涡旋紊乱
§6-2 粘性流体的两种流态
工程流体力学第6章明渠均匀流与渠流详解
1、层流的速度分布 定常均匀流速度分布方程
u i y(2h y) 2
y=h，液流表面的速度，
umax
i 2
h2
§6.2 明渠定常均匀流的水力计算
取单位宽度的液体深度为dy，微单元面积为dA=dy×1， 沿液流深度积分得流量
Q udA h i (2h y)dy
A
0 2
Q i h3 3
变的长直明渠称为棱柱形渠道，h=f(i)。
非棱柱形渠道（non-prismatic channel）：断面形状和尺寸
沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道，h=f(i,s) 2.底坡（ i ）渠道底部沿程单位长度的降低值
i sin z1 z2 z
l
l
§6.1明渠流的概念
平坡（horizontal bed）：i=0，明槽槽底高程沿程不变
1）过水断面的形状和尺寸、断面平均流速、流量和水深 沿程不变。通常将明渠均匀流的水深称为正常水深，
以h0表示。
2）总水头线、测压管水头线（水面坡度）和渠底线互相 平行，即：
§6.1明渠流的概念
列（1）- （2）能量方程得：
§6.1明渠流的概念
物理意义：水流因高程降低而引起的势能减少正好等 于克服阻力所损耗的能量，而水流的动能维持不变
断面平均流速
i h3
v Q 3
A h1
i 3
h2
2 3
umax
§6.2 明渠定常均匀流的水力计算
2、紊流的速度分布
垂线速度分布符合对数分布规律
u u* ln y c 2.3u* lg y c
K
K
式中 u* ghi明渠流动力流速
K紊流系数 c与槽渠粗糙度有一定关系
u 2.3u* K
《工程流体力学 》PPT课件
总之，工程流体力学这门课非常重要，流体 力学的知识今后会经常用到。大家一定要化力气 扎扎实实地学好工程流体力学。
第一章 流体及其物理性质
§1.1流体的定义和特征 §1.2流体力学发展简史 §1.3流体的连续介质假设 §1.4国际单位制 §1.5流体的密度 §1.6流体的压缩性和膨胀性 §1.7流体的粘性 §1.8液体的表面张力
为非常大，另一方面，要通过流体质点反映流体及其物 理量在空间的变化，故流体质点相对于整个流体力学问 题的区域又是非常小，即微观无限大与宏观无限小。
在大多数流体力学问题中，这个条件能够满足。
例：许多工程问题，特征尺寸大于1mm，取Vmin=1mm3， 以10-3 cm作为流体质点的特征尺寸，δV′=10-9 cm3，对 于这个流体质点，考察在标准状况下的气体，则δV′中 包含2.69×1010个分子，完全能得到与分子数无关的统 计平均特性。而另一方面，Vmin/δV′=106，也完全能体 现出流体质点的变化.
lim 包含P(x,y,z)点的流体质点的密度
m
V V V
作为P(x,y,z)点的流体密度。而一般教科书都定义：
lim
V 0
m V
这是数学上的δV→0，或上节中所述的宏观无限小。
从宏观角度，即与所述问题的整个流体体积相比， δV′→0。
现分子统计平均特性的体积。 微元体积δV′中的所有流体分子的
总体就称为流体质点。δV′就是流体质点(微团)的体积。
四、流体的连续介质假设(模型)
流体是由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。
而表征流体特性的物理量可由流体质点的物理量代表，
且在空间连续分布。这就是流体的连续介质假设(模型)。
第一章 流体及其物理性质
§1.1流体的定义和特征 §1.2流体力学发展简史 §1.3流体的连续介质假设 §1.4国际单位制 §1.5流体的密度 §1.6流体的压缩性和膨胀性 §1.7流体的粘性 §1.8液体的表面张力
为非常大，另一方面，要通过流体质点反映流体及其物 理量在空间的变化，故流体质点相对于整个流体力学问 题的区域又是非常小，即微观无限大与宏观无限小。
在大多数流体力学问题中，这个条件能够满足。
例：许多工程问题，特征尺寸大于1mm，取Vmin=1mm3， 以10-3 cm作为流体质点的特征尺寸，δV′=10-9 cm3，对 于这个流体质点，考察在标准状况下的气体，则δV′中 包含2.69×1010个分子，完全能得到与分子数无关的统 计平均特性。而另一方面，Vmin/δV′=106，也完全能体 现出流体质点的变化.
lim 包含P(x,y,z)点的流体质点的密度
m
V V V
作为P(x,y,z)点的流体密度。而一般教科书都定义：
lim
V 0
m V
这是数学上的δV→0，或上节中所述的宏观无限小。
从宏观角度，即与所述问题的整个流体体积相比， δV′→0。
现分子统计平均特性的体积。 微元体积δV′中的所有流体分子的
总体就称为流体质点。δV′就是流体质点(微团)的体积。
四、流体的连续介质假设(模型)
流体是由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。
而表征流体特性的物理量可由流体质点的物理量代表，
且在空间连续分布。这就是流体的连续介质假设(模型)。
《工程流体力学 》课件
1
动量守恒定律的原理
从动量的守恒角度出发，深刻理解动量守恒定律的实际含义。
2
螺旋桨叶片受力分析方法
通过螺旋桨叶片受力分析的实例，解析动量守恒定律在实际问题中的应用。
3
旋转流体给出经典范例。
能量守恒定律
1 什么是能量守恒定律？
解析能量守恒定律的定义及其基本特性，令人信服地说明其重要性。
第二章：质量守恒定律
详细介绍质量守恒定律的深刻含义和应用范围， 以及流体连续性方程的应用实例。
第四章：能量守恒定律
归纳总结能量守恒定律的核心表述和基本特征， 以及流体能量方程的求解方法。
流体力学基础
1
流体的基本概念
定义流体和非流体的区别，详细介绍流体的基本性质和特征。
2
流场参数
分类介绍各项流场参数的定义、特征和计算方法，重点阐述雷诺数的作用。
概述水力发电站的基本构造和 设备，重点描述流场参数的计 算方法和水力器件的工作原理。
油气管道压力调节方 法
介绍油气管道压力发生变化的 原因和影响，以及调节压力的 方法与流体力学的联系。
结论和要点
结论1
质量守恒定律的意义及其在实际 问题中的应用。
结论2
动量守恒定律的实际含义，以及 其在涡轮和桨叶设计中的应用。
2 如何求解能量守恒定律？
采用实例解析法，将复杂的能量守恒定律应用问题简单化。
3 如何避免能量损失？
从能量损失的根源出发，提出避免能量损失的有效途径。
应用举例
机翼气动力设计
阐述机翼气动力设计的重要性 及其与流体力学的联系，以及 之前学到的动量守恒定律和能 量守恒定律在机翼气动力设计 中的应用。
水力发电站设计
结论3
流体力学教材 6
第6章 水波理论据统计在海面上大约70%的时间发生海浪，海浪使舰船摇摆、击水并产生波浪增阻，波浪还会周期或随机地冲击海上钻井平台、海工结构物、海底管线、海岸堤坝和港口；另一方面，水面舰船或近水面航行体兴起的波浪将使舰船遭受兴波阻力。
因此，合理地设计和建造船舶、海洋或海岸结构物，必须考虑海浪的影响，水波理论也就成为从事上述领域的工程技术人员必须掌握的基础知识。
海洋中存在着各种各样的波动，如阵风作用的风波、船体扰动的船行波、太阳和月亮引力作用的潮汐波、海底摇荡产生的地震津波，还有压缩性引起的声波、表面张力引起的毛细波等。
这些波动形成的原因虽然不同，但是其物理本质是一样的，即恢复力与惯性力的动态平衡。
风波和船行波的恢复力是重力。
本章讨论在重力作用下具有自由面的不可压缩理想流体的波动，即与船体尺度相当的风波和船波，这种波动主要发生在水（液体）表面附近，因此称为水表面波、水波或重力波。
水波可分为线性波和非线性波，这里仅介绍线性波，重点讲述线性简谐波的数学描述、运动特性和能量概念，为进一步研究非线性波以及波浪与结构物的相互作用打下基础。
水波问题的基本方程和定解条件6.1.1 基本方程我们知道，重力场中处于静止状态液体的自由面必为水平面。
在某种扰动（如风压或船体压力）的作用下引起凸凹不平，其液面离开了自己的平衡位置，而重力则力图使凸起的液面回到原来的平衡位置；这时惯性的作用驱动液面再次离开平衡位置，重力又使其恢复；流体的这种往复运动以波的形式在整个自由面上传播，形成波浪。
当外界扰动停止后，水的粘性将使波浪运动衰减并逐渐消失，但这种衰减过程极其缓慢，以至于可忽略粘性影响。
即使有粘性影响，仅局限于水底面附近很薄的边界层内。
因此，在波浪理论中假定水是不可压缩的理想流体。
根据Kelvin 定理，对于不可压缩或正压的理想流体，如果质量力有势，则原来处于静止状态的水受某种扰动后的运动将永远是无旋的。
综上所述，研究水波问题基于以下基本假定：(1) 流体是不可压缩的，在重力场中运动；(2) 流体是理想的，忽略粘性； (3) 流体的运动无旋，存在速度势，且。
船舶流体力学第6章水波理论
水波的传播速度
总结词
水波的演化过程是指水波在传播过程中，由于受到各种因素的影响，其波形、振幅、频率等参数的变化过程。
详细描述
水波在传播过程中，会受到风、水流、地形等多种因素的影响，从而导致其波形、振幅、频率等参数发生变化。这些变化会影响水波的传播速度和方向，进而影响水波的能量传播和散射。
水波的演化过程
边界条件是指水波运动在边界上的限制条件，如岸边、船舶或其他障碍物对水波的影响。
初始条件是指水波开始时的状态和条件，如初始水位、速度等。
边界条件和初始条件对于确定水波的运动状态和演化过程至关重要。
边界条件和初始条件
水波理论的数值解法
数值解法是求解水波理论的常用方法，通过离散化偏微分方程，将其转化为代数方程组，然后使用数值计算方法求解。
线性水波模型假设水波中的波动是微小的，波前的水分子运动是线性的，适用于描述浅水中小振幅的水波运动。
非线性水波模型
非线性水波模型考虑了水波中大振幅、非线性的波动现象，适用于描述深水或海洋中的大波浪。
非线性水波模型基于非线性偏微分方程，如KdV方程、Boussinesq方程等，通过求解这些方程可以模拟水波的破碎、调制等现象。
水波的能量传播是指水波在传播过程中，能量的传递和散射过程。
总结词
水波在传播过程中，会与周围介质发生相互作用，导致能量的传递和散射。这种能量的传递和散射会影响水波的波形、振幅和频率等参数的变化，进而影响水波的传播路径和范围。在水波理论中，研究水波的能量传播对于理解水波与船舶、海洋结构物等的相互作用具有重要意义。
船舶流体力学第6章水波理论
目录
水波理论概述 水波的数学模型 水波的传播与演化 水波与船舶的相互作用 水波理论的工程应用 水波理论的未来发展
流体力学 第6章
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
选定流层
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
紊流的形成过程
6.5 紊流运动
13600 ( 1) 0.3 4.23m 900
设为层流
4Q v 2 2.73m/s d
6.4 圆管中的层流运动
64 l v2 hf vd d 2 g
解得
2 gd 2 hf 8.54106 m 2 /s 64lv
7.69103 Pa s
【解】 列细管测量段前、后 断面的伯努利方程
p1 p2 hf g g
p1 p2 p1 p2 hf g g g
6.4 圆管中的层流运动
p1 g (h hp ) p2 gh p hp p1 p2 ( p ) ghp
h
p p1 p2 hf ( 1)hp g g
2r0
w v 8
6.3 沿程水头损失与剪应力的关系
w v 8
w 定义 v
—— 壁剪切速度，则
v v
8
(6 -11)
上式表明了为沿程阻力系数λ和壁面剪应力τw的关系 式。
6.4 圆管中的层流运动
6.4.1 流动特征
①有序性：水流呈层状流动，各层的质点互不掺混， 质点作有序的直线运动。
6.2.2 雷诺数 1. 圆管流雷诺数
工程流体力学电子课件
教材及教学参考书
禹华谦主编，工程流体力学，第1版，高等教育出版社，2004 禹华谦主编，工程流体力学（水力学），第2版，西南交通大学 出版社，2007 黄儒钦主编，水力学教程，第3版，西南交通大学出版社，2006 刘鹤年主编，流体力学，第1版，中国建筑工业出版社，2001 李玉柱主编，流体力学，第1版，高等教育出版社，1998 禹华谦主编，水力学学习指导，西南交通大学出版社，1998 禹华谦编著，工程流体力学新型习题集，天津大学出版社，2006
汽车阻力来自前部还是后部？
汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对 空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力 系数CD很大，约为0.8。
汽车阻力来自前部还是后部？
实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。
汽车阻力来自前部还是后部？
20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状， 出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。
汽车阻力来自前部还是后部？
20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。
汽车阻力来自前部还是后部？
80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。
以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。
汽车阻力来自前部还是后部？
90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
工程流体力学课件
西南交通大学国家工科力学基础课教学基地 工 程 流 体力 学 教 研 室
工程流体力学课件
☞你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗
糙吗？ ☞你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？ ☞你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？ ☞你想知道……… ———请学习
工程流体力学课件.
工程流体力学
流体力学与热力学教研室
第1章 绪论 第2章 流体静力学
目 录
第3章 流体动力学原理
第4章 管流损失和水力计算
第5章 气体的一维定常流动
第1章 绪论
§1.1 流体力学发展史简述 §1.2 流体力学研究的对象和应用
§1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质 §1.5 作用在流体上的力 返回目录
流体平衡的条件及压强分布规律
4. 流体力学 的研究内容
流体运动的基本规律
流体绕流某物体或通过某通道时的速度分布、压强分 布、能量损失以及流体与固体间的相互作用
§1.2
流体力学研究的对象和应用
5. 流体力学的研究方法
研究方法 进行步骤 建立理论模型→建立方程 组与定解条件→求解析解 →算例验证 建立实验模型并选取实验 介质→测定有关物理量→ 拟合实验数据找出准则方 程式 建立理论模型→建立方程 组与定解条件→编制计算 程序→计算并分析答案 优点 缺点 数学难度大， 分析解有限
§1.1
流体力学发展简述
L. Prandtl (1875-1953)
建立边界层理论，解释了 阻力产生的机制 针对紊流边界层，提出混 合长度理论
§1.1
流体力学发展简述
儒科夫斯基 H. E. (1847-1921)
找到了翼型升力和绕翼型 的环流之间的关系，建立了二 维升力理论的数学基础，为近 代高效能飞机设计奠定了基础。
流体具有明显的流动性。
§1.2
流体力学研究的对象和应用
固体、液体、气体的区别
呈现易流动性？
是
流体 固体
否
状态 液体 气体
有无固定体积 有 无
能否形成自由液面 能 否
流体力学与热力学教研室
第1章 绪论 第2章 流体静力学
目 录
第3章 流体动力学原理
第4章 管流损失和水力计算
第5章 气体的一维定常流动
第1章 绪论
§1.1 流体力学发展史简述 §1.2 流体力学研究的对象和应用
§1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质 §1.5 作用在流体上的力 返回目录
流体平衡的条件及压强分布规律
4. 流体力学 的研究内容
流体运动的基本规律
流体绕流某物体或通过某通道时的速度分布、压强分 布、能量损失以及流体与固体间的相互作用
§1.2
流体力学研究的对象和应用
5. 流体力学的研究方法
研究方法 进行步骤 建立理论模型→建立方程 组与定解条件→求解析解 →算例验证 建立实验模型并选取实验 介质→测定有关物理量→ 拟合实验数据找出准则方 程式 建立理论模型→建立方程 组与定解条件→编制计算 程序→计算并分析答案 优点 缺点 数学难度大， 分析解有限
§1.1
流体力学发展简述
L. Prandtl (1875-1953)
建立边界层理论，解释了 阻力产生的机制 针对紊流边界层，提出混 合长度理论
§1.1
流体力学发展简述
儒科夫斯基 H. E. (1847-1921)
找到了翼型升力和绕翼型 的环流之间的关系，建立了二 维升力理论的数学基础，为近 代高效能飞机设计奠定了基础。
流体具有明显的流动性。
§1.2
流体力学研究的对象和应用
固体、液体、气体的区别
呈现易流动性？
是
流体 固体
否
状态 液体 气体
有无固定体积 有 无
能否形成自由液面 能 否
工程流体力学第6章课件
φ = Vx x φ = Vy y φ = Vz z
grad = ＝V
→
§6-1 势函数和流函数
(1)速度势的势函数φ (1)速度势的势函数φ，有势流就是无旋流 速度势的势函数 有势流
grad = ＝V
→
Vz 2 V y = z = y z = z y = z y y Vx 2 Vz = x = z x = x z = x z z
dQ = Vx dy V y dx =
B
y
dy +
x
dx = dψ
∴ Q = ∫ dψ = ψ B ψ A
A
两条等Ψ 两条等Ψ线，Ψ值之差即为流 过这两条流线间的体积流量
§6-1 势函数和流函数
（4）不可压平面势流的势函数，流函数方程 不可压平面势流的势函数，
φ φ 将势函数表达式 = Vx， = Vy 代入连续方程 y x Vx V y φ φ 2φ 2φ + = + = 2 + 2 = 0 x y x x y y x y
§6-2 平面势流叠加原理和几种简单的平面定 常势流
(1)势流叠加原理 (1)势流叠加原理 (2)均匀直线运动 (2)均匀直线运动φ＝ax+by ψ=ay-bx (3)点源和点汇 (3)点源和点汇φ＝(Q/2π)lnr ψ=(Q/2π)θ (4)点涡 有势涡） 点涡（ (4)点涡（有势涡）φ＝(Γ/2π)θ ψ=- (Γ/2π)lnr
φ＝(M/2π)(x/r^2) ψ=-(M/2π)(y/r^2)
(3)圆柱绕流（均直流＋偶极流） (3)圆柱绕流（均直流＋偶极流） 圆柱绕流
φ＝Vcosθ(r+R^2/r) ψ=Vsinθ(r-R^2/r)
零流线、远场流动、圆柱表面流动、圆柱表面压强