流体力学
流体力学简介
设环流速度为u,机翼远前方气流的速度和压强可视为
常量,与位置无关,分别设为v和p0,机翼上部的压强为 p1,下部为p2,则由伯努利方程,有
p0
1 2
v2
p1
1 2
(v
u)2
由此得
p0
Байду номын сангаас1 2
v2
p2
1 2
(v
u)2
p2
p1
1 2
[(v
u)2
(v
u)2 ]
2uv
a1 b1
因为时间t极短，所以 p1 S1
v1
a1b1和a2b2是两段极短的 位移，在每段极短的位
移中，压强p、截面积S
h1
和流速v都可看作不变。
a2 b2
h2 p2
v2 S2
设p1、S1、v1和p2、S2、v2分
a1 b1
别是a1b1与a2b2处流体的压 强、截面积和流速，则后方
p1 S1
v1
根据伯努利方程,在等 高(水平)流管中,有
p 1 v2 常量
2
即,流速大处压强小,流速小处压强大.
例题1 水电站常用水库出水管道处水流的动能来发 电．出水管道的直径与管道到水库水面高度h相比为 很小，管道截面积为S．试求出水处水流的流速和流 量。
解：把水看作理想流体.在 水库中出水管道很小，水 流作定常流动．如图所示， 在出水管中取一条流线ab. 在水面和管口这两点处的 流速分别为va和vb.在大水 库小管道的情况下，水面 的流速va远比管口的小,可 以忽略不计，即va=0.
网球、乒乓球中的”弧 圈球”以及足球中的” 香蕉球”偏离原运动方 向的现象,就是由于这一 效应造成的.
流体力学课件(全)
Y 1 p 0 y
欧拉平衡方程
Z 1 p 0 z
p p( , T )
t
1 V V T p
1 V V p T
p p(V , T )
1 t T p
p
p
1 p T
V
p y = pn pz = pn
px = p y = pz = pn = p
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第二章
流体静力学
§1 静压强及其特性 §2 流体静力学平衡方程 §3 压力测量 §4 作用在平面上的静压力 §5 作用在曲面上的静压力 §6 物体在流体中的潜浮原理
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§2流体静力学平衡方程
通过分析静止流体中流体微团的受力，可以建立 起平衡微分方程式，然后通过积分便可得到各种不同 情况下流体静压力的分布规律。 why 因此，首先要建立起流体平衡微分方程式。 现在讨论在平衡状态下作用在流体上的力应满足 的关系，建立平衡条件下的流体平衡微分方程式。
《流体力学》
汪志明教授
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第一章 流体的流动性质
§1 流体力学的基本概念
§2 流体的连续介质假设 §3 状态方程 §4 传导系数 §5 表面张力与毛细现象
《流体力学》
汪志明教授
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§2 流体的连续介质假设
虽然流体的真实结构是由分子构成，分子间有一定的孔隙，但流 体力学研究的并不是个别分子微观的运动，而是研究大量分子组成的 宏观流体在外力的作用下所引起的机械运动。 因此在流体力学中引入连续介质假设：即认为流体质点是微观上 充分大，宏观上充分小的流体微团，它完全充满所占空间，没有孔隙 存在。这就摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观机械运动。
第六章流体力学10.8
第六章流体力学基础基本概念一、流体的粘滞性流体流动时，由于流体与固体壁面的附着力及流体本身的分子运动和内聚力，使各流体层的速度不相等。
在两个相邻流体层之间的接触面上，将产生一对阻碍两层流体相对运动的等值反向的摩擦力，叫做内摩擦力。
流体的粘滞性：流体流动时产生内摩擦力的性质。
二、理想流体与实际流体粘性流体：具有粘性的流体（实际流体）。
理想流体：忽略了粘滞性的流体。
三、流体流动的基本概念1．稳定流动与非稳定流动(1)稳定流动运动流体内任意点的速度u和压力p仅仅是空间坐标()z,的函数，而不x,y随时间变化而变化。
()zu,=,uyx()z,p,=xyp(2)非稳定流动运动流体内任意点的速度u和压力p不仅是空间坐标()z,的函数，也随x,y时间而不同。
()t z,,=u,yxu()t z,,=pp,yx2．迹线与流线(1)迹线流体质点的运动轨迹。
(2)流线流场：流体流动的空间。
流线：是流场中某一瞬间绘出的一条曲线，在这条曲线上所有各流体质点的流速矢量与该曲线相切。
流线的性质：①稳定流动时，流线形状不随时间而变化；②稳定流动时，同一点的流线始终保持不变，且流线上质点的迹线与流线重合，即流线上的质点沿流线运动；③流线既不会相交，又不能转折，只能是光滑的曲线。
假定某一瞬间有两条流线相交于M点或转折。
M处就该有两个速度矢量，这是不符合流线的定义。
3．流管、微小流速及总流(1)流管在流场中取出一段微小的封闭曲线，过这条曲线上各点引出流线，这些流线族所围成的封闭管状曲面。
(2)微小流束及总流流束：在流管中运动的流体。
微小流束：断面无穷小的流束称为微小流束。
微小流束断面上各点的运动要素相等。
流管内的流体只能在流管内流动，流管外的流体也只能在流管外流动。
伯努利方程一、理想流体的伯努利方程仅在重力作用下作稳定流动的理想流体gu g p Z g u g p Z 2//2//22222111++=++ρρ=常数1Z 和2Z ：过流断面1-1和2-2距基准面0-0的高度，1u 和2u ：断面1-1和2-2的流速，1p 和2p ：断面1-1和2-2的压力，ρ：为流体密度。
流体力学
h1 流体运动示图
在这个过程中，机械能的增量为：
a´ 2 v2
h2
△2
l
△E ＝ E 2 － E 1
状态2的（动能＋势能）－ 状态1的（动能＋势能）
△E ＝ E 2 － E 1
1 1 2 △ E ＝ △m v2＋△mgh 2 － △m v12 － △mgh 1 2 2
在这个过程中，流体两端 的压力对流体作的功为：
＝ 3.6×105 Pa
第四节 伯努利方程的应用
一.文特利管（串接在管道中测量流体流速）
s1 s2
已知条件：粗管和细管的横截面s1、 s2，水银柱的高度差h 原理：设，流体密度为ρ，大小管处的 压强分别为P1、P2，流速分别为v1、v2 由连续性方程和伯努利方程
h
曲管压强计
消去v2，可得
1ρ v 2 ＋ ＝ 1ρ v 2 ＋P P1 2 2 2 1 2
△F dF ＝lim △S ＝d P S 液体内部压强的特点:
△S 0
单位: Pa (帕斯卡)
1.静止液体内部同一点各个方向的压强相等。 2. 静止液体内部随深度的增加，压强也增加。
ρ P＝ g h
3. 密闭容器内的静止流体受到
也称重力压强
P
e
外界压强时，流体内任一点的 压强是：
ρ P＝ P ＋ g h
设：入水端和出水端的截面分别为A1和A2
由：
入水端
v A ＝ v A ＝ 常数
1 1 2 2 1 2 1 2 2 2
2
1
(
v ＝v
π d） （ A 2 ＝ ( 6.4 ＝v × 4.0 A 2.5 d） π （ 2 ＝ 26 m/s
1
2
流体力学名词解释
流体力学：是力学的一个分支，主要研究流体的各种运动特性，在各种里的作用下流体的运动规律，以及流体与其他界面（固体壁面，不同密度的流体等）由于存在相对运动时的相互作用。
惯性：是物体保持原有运动状态的性质质量：是用来度量物体惯性大小的物理量。
、粘性：反映流体客服外界切向力的物理属性。
气蚀：如这种运动是周期的，将对固体表面产生疲劳并导致剥落，这种现象称为气蚀。
表面张力：由于分子间的吸引力，在液体的自由表面上能够承受及其微小的张力，这种张力称表面张力。
表面力：是通过直接接触，施加在接触面上的力，它正比于接触面面积，通常用单位面积上所受的力表示应力。
质量力：作用在隔离体内每个流动质点上的力称为质量力。
流体静力学：是研究流体处于静止或相对静止状态下的力学规律。
等压面：压强相等的空间点构成的面称为等压面绝对压强：以无物质分子存在的或虽存在但处于绝对静止状态下的压强为起算点，所表示的压强为绝对压强。
相对压强：以当地同高程的大气压强为起算点，所表示的压强为相对压强。
恒定流：在流场中，任意空间位置上运动参数都不随时间而改变，即对时间的偏导数等于零，这种流动称为恒定流。
非恒定流：在流场中，任意空间位置上只要存在某一运动参数是时间的函数，即对时间的偏导数不等于零，这种流动称为非恒定流。
流线：在流场中，流线是一条瞬时曲线，在曲线上每一点的切线方向代表该点的流速方向，流线是由无限多个流体质点组成的。
迹线：在流场中，迹线是由一个流体质点随着时间的推移在空间中所勾画的曲线，即为流体质点的轨迹线。
流管：在流场中任意取一非流线的封闭曲线，通过该曲线上的每一点作流场的流线，这些流线所构成的一封闭管状曲面称为流管。
过流断面:在流束上作与流线正交的横断面称为过流断面。
元流：当流束的过流断面为微元时，该流束称为元流。
总流：总流是由无数元流组成的流束，断面上各点的运动参数一般不相等。
流量：单位时间通过某一过流断面的流体体积或质量称为该断面的流量。
流体力学
流体力学（简介）流体力学是在人类与自然界相处和生产实践中逐步发展起来的。
对流体力学学科的形成做出卓越贡献的是古希腊哲学家阿基米德（《论浮体》，公元前250年）建立了包括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。
流体力学原理主要指计算流体动力学中的数值方法的现状；运用基本的数学分析，详尽阐述数值计算的基本原理；讨论流域和非一致结构化边界适应网格的几何复杂性带来的困难等。
一、发展简史各物理量关系构成牛顿内摩擦定律,τ=μ*du/dy动压和总压。
显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。
飞机机翼产生举力，就在于下翼面速度低而压强大，上翼面速度高而压强小，因而合力向上。
据此方程，测量流体的总压、静压即可求得速度，成为皮托管测速的原理。
在无旋流动中，也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同，此时公式中的常量在全流场不变，表示各流线上流体有相同的总能量，方程适用于全流场任意两点之间。
在粘性流动中，粘性摩擦力消耗机械能而产生热，机械能不守恒，推广使用伯努利方程时，应加进机械能损失项[1]。
图为验证伯努利方程的空气动力实验。
补充：p1+1/2ρv1^2+ρgh1=p2+1/2ρv2^2+ρgh2（1）p+ρgh+(1/2)*ρv^2=常量（2）均为伯努利方程其中ρv^2/2项与流速有关，称为动压强，而p和ρgh称为静压强。
伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。
由伯努利方程可以看出，流速高处压力低，流速低处压力高。
后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。
N-S方程反映了粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。
它是一个非线性偏微分方程，求解非常困难和复杂，目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解；但在有些情况下，可以简化方程而得到近似解。
例如当雷诺数Re1时，绕流物体边界层外，粘性力远小于惯性力，方程中粘性项可以忽略，N-S方程简化为理想流动中的欧拉方程（=－Ñp+ρF）；而在边界层内，N-S方程又可简化为边界层方程，等等。
流体力学(共64张PPT)
1) 柏努利方程式说明理想流体在管内做稳定流动，没有
外功参加时，任意截面上单位质量流体的总机械能即动能、
位能、静压能之和为一常数，用E表示。
即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种形式的机
械能却不一定相等，可以相互转换。
2) 对于实际流体，在管路内流动时，应满足：上游截面处的总机械能大于下游截面
p g 1z12 u 1 g 2W g ep g 2z22 u g 2 2g hf
JJ
kgm/s2
m N
流体输送机械对每牛顿流体所做的功
令
HeW ge,
Hf ghf
p g 1z12 u 1 g 2H ep g 2z22 ug 2 2 H f
静压头
位压头
动压头 泵的扬程（ 有效压头） 总压头
处的总机械能。
22
3)g式中z各、项 的2u 2物、理 意p 义处于g 某Z 个1 截u 2 1 面2上的p 1流 W 体e本 身g Z 所2具u 有2 22 的 能p 量2 ; hf
We和Σhf： 流体流动过程中所获得或消耗的能量〔能量损失〕;
We：输送设备对单位质量流体所做的有效功;
Ne：单位时间输送设备对流体所做的有效功，即有效功率;
u2 2
u22 2
u12 2
p v p 2 v 2 p 1 v 1
Ug Z 2 u2 pQ eW e
——稳定流动过程的总能量衡算式 18
UgZ 2 u2pQ eW e
2、流动系统的机械能衡算式——柏努利方程
1) 流动系统的机械能衡算式〔消去△U和Qe 〕
UQ'e vv12pdv热力学第一定律
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五、柏努利方程应用
三种衡算基准
(完整版)流体力学 第一章 流体力学绪论
第一章绪论§1—１流体力学及其任务1、流体力学的任务：研究流体的宏观平衡、宏观机械运动规律及其在工程实际中的应用的一门学科。
研究对象：流体,包括液体和气体。
2、流体力学定义：研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用.3、研究对象：流体(包括气体和液体）。
4、特性：•流动(flow)性，流体在一个微小的剪切力作用下能够连续不断地变形,只有在外力停止作用后,变形才能停止。
•液体具有自由（free surface）表面，不能承受拉力承受剪切力（ shear stress)。
•气体不能承受拉力,静止时不能承受剪切力，具有明显的压缩性，不具有一定的体积，可充满整个容器。
流体作为物质的一种基本形态，必须遵循自然界一切物质运动的普遍，如牛顿的力学定律、质量守恒定律和能量守恒定律等。
5、易流动性：处于静止状态的流体不能承受剪切力,即使在很小的剪切力的作用下也将发生连续不断的变形,直到剪切力消失为止。
这也是它便于用管道进行输送，适宜于做供热、制冷等工作介质的主要原因.流体也不能承受拉力，它只能承受压力.利用蒸汽压力推动气轮机来发电，利用液压、气压传动各种机械等,都是流体抗压能力和易流动性的应用.没有固定的形状，取决于约束边界形状，不同的边界必将产生不同的流动。
6、流体的连续介质模型流体微团——是使流体具有宏观特性的允许的最小体积。
这样的微团，称为流体质点。
流体微团：宏观上足够大,微观上足够小。
流体的连续介质模型为:流体是由连续分布的流体质点所组成，每一空间点都被确定的流体质点所占据,其中没有间隙，流体的任一物理量可以表达成空间坐标及时间的连续函数，而且是单值连续可微函数。
7流体力学应用:航空、造船、机械、冶金、建筑、水利、化工、石油输送、环境保护、交通运输等等也都遇到不少流体力学问题。
例如,结构工程:钢结构，钢混结构等.船舶结构；梁结构等要考虑风致振动以及水动力问题；海洋工程如石油钻井平台防波堤受到的外力除了风的作用力还有波浪、潮夕的作用力等，高层建筑的设计要考虑抗风能力;船闸的设计直接与水动力有关等等。
流体力学
流体力学第一章1流体有哪些特性？试述液体和气体特性的异同？流动性，无固定形状，可压缩。
不同点：液体不易被压缩，具有一定体积。
液体有力求自身表面积收缩到最小的特性。
气体有很大压缩性没有固定体积，无自由表面，无固定形状2什么是连续介质？在流体力学中为什么要建立连续介质这一理论模型？由无数连续分布的流体微团组成的介质。
当把流体看作是连续介质后，表征流体性质的密度、速度、压强和温度等物理量在流体中也应该是连续分布的。
这样，可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数，从而可以引用连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。
3试述流体的密度、相对密度的概念，并说明它们之间的关系流体的密度表征流体在空间某点质量的密集程度。
流体的密度定义为单位体积流体所具有质量；流体的相对密度是指某流体的密度与4℃时水的密度的比值4何谓流体的压缩性和膨胀性？在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为压缩性；在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。
5为什么要提出理想流体这个假设？它与热力学中的理想气体有什么区别？不具有黏性的流体称为理想流体。
在许多场合，想求得黏性流体流动的精确解是很困难的。
对某些黏性不起主要作用的问题，先不计黏性的影响，使问题的分析大为简化，从而有利于掌握流体流动的基本规律。
区别分子间没有作用力。
第二章1流体静压强有哪些特性？流体静压强的方向与作用力相垂直，并指向作用面的内法线方向；任一点上各方向的流体静压强都相同。
2流体平衡微分方程是如何建立的？它的物理意义是什么？在静止的流体中取一微小平行六面体，六面体各边dx,dy,dz分别与各直角坐标轴平行，用泰勒级数展开，并略去高阶无穷小项，设单位质量流体得到质量力在x方向的分量为X，则作用在六面体的质量力在x方向的分力为Xpdxdydz,再根据流体的平衡条件，静止六面体上各个方向作用力之和均为零。
力我的平衡应用在静止流体的数学模型中。
什么是流体力学
什么是流体力学
流体力学是力学的一个分支，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以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。
流体力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，前者研究处于静止状态的流体，后者研究力对于流体运动的影响。
流体力学按照应用范围，分为：水力学及空气力学等等。
流体力学是连续介质力学的一们分支，是以宏观的角度来考虑系统特性，而不是微观的考虑系统中每一个粒子的特性。
流体主要计算公式
流体主要计算公式流体是液体和气体的统称，具有流动性和变形性。
流体力学是研究流体静力学和动力学的学科，其中主要涉及到流体的力学性质、运动规律和力学方程等内容。
在流体力学的研究中，有一些重要的计算公式被广泛应用。
下面将介绍一些常见的流体力学计算公式。
1.流体静力学公式：(1)压力计算公式：P=F/A-P表示压力-F表示作用力-A表示受力面积(2)液体静力学公式：P=hρg-P表示液体压力-h表示液体高度-ρ表示液体密度-g表示重力加速度2.流体动力学公式：(1)流体流速公式：v=Q/A-v表示流速-Q表示流体流量-A表示流体截面积(2)流体流量公式：Q=Av-Q表示流体流量-A表示流体截面积-v表示流速(3)连续方程：A1v1=A2v2-A1和A2表示流体截面积-v1和v2表示流速(4) 流体动能公式：E = (1/2)mv^2-E表示流体动能-m表示流体质量-v表示流速(5)流体的浮力公式：Fb=ρVg-Fb表示浮力-ρ表示液体密度-V表示浸泡液体的体积-g表示重力加速度3.流体阻力公式：(1)层流阻力公式：F=μAv/L-F表示阻力-μ表示粘度系数-A表示流体截面积-v表示流速-L表示流动长度(2)湍流阻力公式：F=0.5ρACdV^2-F表示阻力-ρ表示流体密度-A表示物体的受力面积-Cd表示阻力系数-V表示物体相对于流体的速度4.比力计算公式：(1)应力计算公式：τ=F/A-τ表示应力-F表示力-A表示受力面积(2)压力梯度计算公式：ΔP/Δx=ρg-ΔP/Δx表示压力梯度-ρ表示流体密度-g表示重力加速度(3) 万斯压力计算公式：P = P0 + ρgh-P表示压力-P0表示参考压力-ρ表示流体密度-g表示重力加速度-h表示液体的高度以上是一些流体力学中常见的计算公式，涉及到压力、流速、阻力、浮力以及比力等方面的运算。
这些公式在解决流体力学问题时非常有用，可以帮助我们理解和分析流体的运动和力学性质。
(完整版)流体力学
第1章绪论一、概念在任何微小剪切力持续作用下连续变形的物质叫做流体（易流动性是命名的由来）宏观尺寸非常小，微观尺寸非常大的任意一个物理实体宏观体积极限为零，微观体积大于流体分子尺寸的数量级假设组成流体的最小物质是流体质点，流体是由无限多个流体质点连绵不断组成，质点之间不存在间隙。
分子平均自由程远远小于流动问题特征尺寸作用在一定量的流体上的压强增加时，体积减小Ev=-dp/（dV/V）压强的改变量和体积的相对改变量之比Ev=1/Kt体积弹性模量越大，流体可压缩性越小等温Ev=p等嫡Ev=kpk二Cp/Cv作用在一定量的流体上的压强增加时，体积不变Ev=dp/（dp/p）（低速流动气体不可压缩）流体抵抗剪切变形的一种属性动力粘度：|1,单位速度梯度下的切应力U=T/（dv/dy）运动粘度：V,动力粘度与密度之比，v=u/pV=|!=0的流体T=+-|idv/dy（T大于零）、T=^V/8切应力和速度梯度成正比粘性产生的机理，粘性、粘性系数同温度的关系；液体：液体分子间的距离和分子间的吸引力,温度升高粘性下降气体：气体分子热运动所产生的动量交换,温度升高粘性增大牛顿流体的定义；符合牛顿内摩擦定律的流体质量力：与流体微团质量大小有关的并且集中在微团质量中心上的力表面力：大小与表面面积有关而且分布在流体表面上的力二、计算1、牛顿内摩擦定律的应用－间隙很小的无限大平板或圆筒之间的流动.第2章流体静力学一、概念流体内任意点的压强大小都与都与其作用面的方位无关微元平衡流体的质量力和表面力无论在任何方向上都保持平衡欧拉方程=0流体平衡微分方程重力场下的简化：dp二一pdW二一pgdz不可压缩流体静压强基本公式z+p/pg二C不可压缩流体静压强分布规律p=p0+pgh平衡流体中各点的总势能是一定的静止流体中的某一面上的压强变化会瞬间传至静止流体内部各点4、绝对压强、计示压强（表压）、真空压强的定义及相互之间的关系；绝对压强：以绝对真空为起点计算压强大小记示压强：比当地大气压大多少的压强真空压强：比当地大气压小多少的压强绝对压强二当地大气压+表压表压二绝对压强一当地大气压真空压强=当地大气压-绝对压强单管式：简单准确；缺点：只能用来测量液体压强，且容器内压强必须大于大气压强，同时被测压强又要相对较小，保证玻璃管内液柱不会太高U：可测液体压强也可测气体压强；缺：复杂倾斜管：精度高;缺点：?？F=pS+pgsinayS当p二大气压强，F=pgsinayS压力中心：二、计算1、U型管测压计的计算；2、绝对压强、计示压强及真空压强的换算3、平壁面上静压力大小的计算。
流体力学-知识点
第一章 流体的基本概念质量力：f X i Yj Z k =++表面力：0lim =limA A P T p AAτ∆→∆→∆∆=∆∆/w w g s γργγρρ== =/体积压缩系数：111dV d V dpdp Kρβρ=-==温度膨胀系数： 11dV d V dTdTραρ==-pRT ρ= =du du T Adydyμμτμνρ= =第二章 流体静力学欧拉平衡微分方程：()dp Xdx Ydy Zdz ρ=++0p p h γ=+ vv a v p p p p p h γ'=-=-=12sin A p l Kl A γα⎛⎫=+= ⎪⎝⎭匀加速水平直线运动中液体的平衡：0arctan s a a ap p x z ax gz C z x g g g γα⎛⎫⎛⎫=+--+==- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭=匀角速度旋转运动容器中液体的平衡：2222220222s r r rp p z z C z g g g ωωωγ⎛⎫=+--== ⎪⎝⎭静止液体作用于平面壁上的总压力：1．解析法：C c c D C C J P h A p A y y y Aγ===+2．图解法：静水总压力大小等于压强分布图的体积，其作用线通过压强分布图的形心，该作用线与受压面的交点即是压力中心D 。
第三章 流体运动学基础欧拉法：速度为()()(),,,,,,,,,x x y y z z u u x y z t u u x y z t u u x y z t ⎧=⎪=⎨⎪=⎩加速度为x x x x x xx y z y y y y y y x y z z z z z zz x y zdu u u u u a u u u dt t x y zdu u u u u a u u u dt t x y z du u u u u a u u u dt t x y z ∂∂∂∂⎧==+++⎪∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪==+++⎨∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂==+++⎪∂∂∂∂⎩()u a u u t ∂=+⨯∇∂0utu t⎧∂≠⎪⎪∂⎨∂⎪=⎪∂⎩非恒定流： 恒定流： ()()u u u u ⎧⨯∇≠⎪⎨⨯∇=⎪⎩非均匀流： 均匀流： 流线微分方程：xyzdx dy dz u u u ==迹线微分方程：xyzdx dy dz dt u u u ===流体微团运动分解：1．亥姆霍兹（Helmhotz ）速度分解定理 2．微团运动分解 （1）平移运动（2）线变形运动 线变形速度：x xy y z z u xu y u z θθθ∂⎧=⎪∂⎪∂⎪=⎨∂⎪⎪∂=⎪∂⎩（3）角变形运动 角变形速度： 121212yz x x z y y x z u u y z u u z x u u x y εεε⎧∂⎛⎫∂=+⎪⎪∂∂⎝⎭⎪⎪∂∂⎪⎛⎫=+⎨ ⎪∂∂⎝⎭⎪⎪∂⎛⎫∂⎪=+⎪∂∂⎪⎝⎭⎩ （4）旋转运动 旋转角速度： 121212yz x x z y y x z u u y z u u z x u u x y εεε⎧∂⎛⎫∂=-⎪⎪∂∂⎝⎭⎪⎪∂∂⎪⎛⎫=-⎨ ⎪∂∂⎝⎭⎪⎪∂⎛⎫∂⎪=-⎪∂∂⎪⎝⎭⎩3．有旋运动与无旋运动定义涡量：2xyzij k u xy z u u u ω∂∂∂Ω==∇⨯=∂∂∂有旋流：0Ω≠ 无旋流：0Ω= 即y z x z y xu u y z u u z x u u xy ∂⎧∂=⎪∂∂⎪⎪∂∂=⎨∂∂⎪∂⎪∂=⎪∂∂⎩ 或 000x y z ωωω⎧=⎪=⎨⎪=⎩平面无旋运动：1．速度势函数（简称势函数）(),,x y z ϕ （1）存在条件：不可压缩无旋流。
一、流体力学
• 分类：按运动方式分为流体静力学和流体 分类：按运动方式分为流体静力学 流体静力学和 动力学。 动力学。
2
流体力学概论
• 应用：在水利工程学、空气动力学、气象学、气 应用：在水利工程学、空气动力学、气象学、 体和液体输运、 体和液体输运、动物血液循环和植物液汁输运等 领域有运用。 领域有运用。
高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？ 高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？
v1
1 2
v2
3
v3
8
1.2
理想流体的定常流动 流管——流线围成的管子 流线围成的管子. 流管 流线围成的管子
一般流线分布随时间改变. 一般流线分布随时间改变
二、定常流动
空间各点流速不随时间变化称定常流动. 空间各点流速不随时间变化称定常流动
定常流动流体能 加速流动吗？ 加速流动吗？
v = v ( x, y, z)
1 2 1 2 P + ρvA = P + ρvB A B 2 2 SAvA = SBvB
A B h1 h H1
∵P −P = (ρ银 −ρ流)gh B A
2(ρ银 −ρ流)gh ∴vA = ρ流[1−(SA / SB)2]
所以流量为
Q= SAvA = SBvB = SASB
2(ρ银 −ρ流)gh 2 2 ρ流(SB −SA)
阻力系数约为0.8 阻力系数约为
阻力系数仅为0.137 阻力系数仅为
3
流体力学概论
• 应用： 应用：
植物水分运输动力？ 植物水分运输动力？ 人体血液循环图 毛细作用 渗透压 水分中的负压强
4
1.1
流体静力学
1、静止流体内应力的特点 压强 、
静止流体内部应力的特点： 静止流体内部应力的特点： a、 ∆ ⊥∆ ，无切向应力。（表现为流动性） F S b、同一点不同方位的截面的应力大小相等。 由上述第二个特点可引入：压强P 由上述第二个特点可引入：压强
1流体力学基本知识
（kg/m3）
密度： 单位体积的质量称为流体的密度
（N/m3）
容重： 单位体积的重量称为流体的密度
二、流体的流动性和粘滞性
流体在运动状态时，由于流体各层的流速不同，就会在流层 粘滞性： 间产生阻滞相对运动和剪切变形的内摩擦力，称为粘滞力也 称粘滞性。
u ν0 = y h
作业:
1、名词解释： 压缩性、膨胀性、密度、容重、黏滞性、流体静压力的基本特性、流量。 压缩性、膨胀性、密度、容重、黏滞性、流体静压力的基本特性、流量。 2、写出流体的柏努利方程，并解释各部分意义。 写出流体的柏努利方程，并解释各部分意义。 3、如图判断压力的大小 4、判断图 中，A—A（a、b、c 、d），B—B，E—E是否为等压面，并说 判断图2中 是否为等压面， 明理由。 明理由。 5、如图3，液体1和液体3的密度相等，ρ1g=ρ3g=8.14 kN/m3，液体2的 如图3 液体1和液体3的密度相等， 1g=ρ = =ρ3g kN/m3，液体2 2g=133.3kN/m3。已知：h1=16cm，h2=8cm，h3=12cm。（ 。（1 ρ2g=133.3kN/m3。已知：h1=16cm，h2=8cm，h3=12cm。（1）当 pB=68950Pa时，pA等于多少?（2）当pA=137900Pa时，且大气压力计 pB=68950Pa时 pA等于多少 等于多少? pA=137900Pa时 的读数为95976Pa时 点的表压力为多少? 的读数为95976Pa时，求B点的表压力为多少?
qv = ∫∫ v cos(v , x)dA
A
有效截面： 有效截面：
qv = ∫∫ vdA
A
3.平均流速： 3.平均流速：流经有效截 平均流速 面的体积流量除以有效截 面积而得到的商
流体力学 第一章 流体的物理性质和宏观模型
连续介质假设：把由离散分子构成的实际流体看 成是有无数流体质点没 有间隙连续分布构成的，
这就是所谓的流体连续介质假设。
质点力学中把实际物体抽象概括称为“质点”（ 有质量但无体积）
流体质点（或流点、流体微团或流体微元）=大量 流体分子的集合。
对流点的尺度要求：既要充分小（以使它在流动 中可当作“点”），又要足够大（能保持大量分 子，具有确定的统计平均效应）。
某人坐在匀速运动的飞机上测量和记录周围各点 空气的速度和压强，请问它采用的研究方法是：
大气流体力学（Fluid Mechanics of the Atmosphere）：以大气为主要研究对象的流 体力学。
二. 流体力学研究方法
流体力学的研究方法分三个方面。
1．理论分析方法：
理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理 学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法 求解方程，检验和解释求解结果。
流体力学
引言
一、流体力学的研究对象
水 －－液体 空气 －－气体
海洋 流体 地球流体 大气
问 题： 流体的运动规律如何？ 流体运动时对处于其中的其他物体会产生的影响和作用如何？
流体力学的基本内容。
流体力学是力学的一个分支，它以流体为研究对象， 是研究流体运动规律，以及流体与固体之间相互作 用规律的一门学科。
流体的力学定义：流体不能抵抗任何剪切力作用 下的剪切变形趋势。
流体的易变形性是流体的决定性特征，这决定了 流体的许多特征行为：
当受到剪切力持续作用时，固体的变形是有限的， 流体能产生无限大变形（流动）
2.流体的粘性
当流体层之间存在相对运动或切形变时，流体的 这种抗切变性，或阻碍流体层相对运动的特性， 称作粘性。
流体力学的三大定律
流体力学的三大定律
1、连续性方程。
连续性方程是质量守恒定律（见质量）在流体力学中的具体表述形式。
它的前提是对流体采用连续介质模型，速度和密度都是空间坐标及时间的连续、可微函数。
2、能量方程。
能量方程是分析计算热量传递过程的基本方程之一，通常表述为：流体微元的内能增量等于通过热传导进入微元体的热量、微元体中产生的热量及周围流体对微元体所作功之和。
3、动量方程。
动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。
流体力学(流体运动学)
§3 －2
流场的基本概念
恒定流与非恒定流 迹线和流线 一维、二维、 一维、二维、三维流动 流管、 流管、流束及总流 过流断面、 过流断面、流量和平均流速 均匀流和非均匀流
§3－2
流场的基本概念
一、恒定流与非恒定流（定常流与非定常流） 恒定流与非恒定流（定常流与非定常流）
恒定流动是指流场中流动参数不随时间变化而改变的流动。 它满足下列条件：
(3) (4)
将(3)、(4)式代入(1)式得 A′( x)e t + A( x)e t = A( x)e t + t
A′( x)e t = t
A′( x) = te − t
得
dA( x) = te − t dt
(分部积分公式：∫ uv ′dx = uv − ∫ vu ′dx )
用分部积分得
A( x ) = −(te − t − ∫ e − t dt ) = −te − t − e − t + A
迹线是流体质点在一段时间过程中运动的轨迹线。 迹线的特点是：对于每一个质点都有一个运动轨迹，所以迹线 是一族曲线。 如图所示AB曲线是质点M的迹线，在这一迹线上取微元长度ds 表示该质点M在dt时间内的微小位移，则其速度为
ds u= dt
z u c ds
速度的分量为
dx ux = dt
dy uy = dt
第三章
流体运动学
流体运动的描述方法 流场的基本概念 流体微团的运动 连续性方程
引言
静止（包括相对静止） 静止（包括相对静止）是流体的一种特殊的 存在形态，运动（或流动） 存在形态，运动（或流动）才是流体更普遍的存 在形态，也更能反映流体的本质特征。 在形态，也更能反映流体的本质特征。因此相对 流体静力学而言， 流体静力学而言，研究流体的运动规律及其特征 具有更加深刻的意义。这也为流体动力学——研 具有更加深刻的意义。这也为流体动力学 研 究在外力作用下流体的运动规律， 究在外力作用下流体的运动规律，打下了理论的 基础。 基础。
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计算流体力学的发展及应用刘光斌关键词:计算流体力学;发展;应用摘要:计算流体力学是流体力学的一个分支。
它用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息,是分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具。
对计算流体力学的发展和应用进行了综述并对其发展趋势做了探讨。
1 计算流体力学的发展20世纪30年代,由于飞机工业的需要,要求用流体力学理论来了解和指导飞机设计,当时,由于飞行速度很低,可以忽略粘性和旋涡,因此流动的模型为Laplace方程,研究工作的重点是椭圆型方程的数值解[1]。
利用复变函数理论和解的迭加方法来求解析解。
随着飞机外形设计越来越复杂,出现了求解奇异边界积分方程的方法。
以后,为了考虑粘性效应,有了边界层方程的数值计算方法,并发展成以位势方程为外流方程,与内流边界层方程相结合,通过迭代求解粘性干扰流场的计算方法。
同一时期,许多数学家研究了偏微分方程的数学理论,Hadamard,Couran,t Friedrichs等人研究了偏微分方程的基本特性、数学提法的适定性、物理波的传播特性等问题,发展了双曲型偏微分方程理论。
以后,Cou-ran,t Friedrichs,Lewy等人发表了经典论文[2],证明了连续的椭圆型、抛物型和双曲型方程组解的存在性和唯一性定理,且针对线性方程的初值问题,首先将偏微分方程离散化,然后证明了离散系统收敛到连续系统,最后利用代数方法确定了差分解的存在性;他们还给出了著名的稳定性判别条件:CFL条件。
这些工作是差分方法的数学理论基础。
20世纪40年代,VonNeumann,Richtmyer,Hop,f Lax和其他一些学者建立了非线性双曲型方程守恒定律的数值方法理论,为含有激波的气体流动数值模拟打下了理论基础。
在20世纪50年代,仅采用当时流体力学的方法,研究较复杂的非线性流动现象是不够的,特别是不能满足高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。
针对这种情况,一些学者开始将基于双曲型方程数学理论基础的时间相关方法用于求解宇航飞行器的气体定常绕流流场问题,这种方法虽然要求花费更多的计算机时,但因数学提法适定,又有较好的理论基础,且能模拟流体运动的非定常过程,所以在60年代这是应用范围较广的一般方法[3]。
以后由Lax、Kreiss和其他著者给出的非定常偏微分方程差分逼近的稳定性理论,进一步促进了时间相关方法。
当时还出现了一些针对具体问题发展起来的特殊算法。
值得一提的是,我国在20世纪50年代也开始了计算流体力学方面的研究[3]。
我国早期的工作是研究钝头体超声速无粘绕流流场的数值解方法,研究钝头体绕流数值解的反方法和正方法。
以后,随着我国宇航事业的发展,超声速、高超声速绕流数值计算方法的研究工作发展很快。
对定常欧拉方程数值解的计算方法进行研究,并给出了钝体超声速三维无粘绕流流场的计算结果。
20世纪70年代,在计算流体力学中取得较大成功的是飞行器跨音速绕流数值计算方法的研究。
首先在计算模型方面,又提出了一些新的模型,如新的大涡模拟模型、考虑壁面曲率等效应的新的湍流模式、新的多相流模式、新的飞行器气动分析与热结构的一体化模型等[5]。
这就使得计算流体力学的计算模型由最初的Euler和N-S方程,扩展到包括湍流、两相流、化学非平衡、太阳风等问题研究模型在内的多个模型[6]。
其中以考虑更多流动机制,如各向异性的非线性(应力/应变关系)湍流研究为重点。
研究结果再次证明,万能的湍流模型还不存在,重要的是如何在模型精度和计算量上较好地取得折中;也有学者从更高层次研究湍流模型问题,由湍流流动中速度不可微,怀疑N-S方程的有效性,进而提出以积分方程为基础的数学模型[6]。
其次,在计算方法方面,又提出了一些新的计算方法,如新的遗传算法、无网格算法、新型高精度紧致格式、气动计算的新变分原理、结构/非结构混合网格新技术、新型动网格技术等等[5]。
目前计算方法的研究集中在高精度格式方法,即追求三阶精度以上,其中又以解决真正实际问题。
除此之外,计算方法研究还涉及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方法,时-空守恒元方法等等。
将其它方法引进传统的计算流体力学也是现阶段的重要成果之一[6],其中特别值得一提的是将基因算法与传统计算流体力学结合在一起,在域分裂和最优化设计等许多方面显示出了良好的应用前景。
在算法分析上,除传统的精度、稳定性、收敛性等方面的分析,还有更深层次的数值动力学分析,即将数值方法看成是动力系统来进行分析,揭示了许多奇异的数值现象。
再次,在研究成果方面,英国M·A·Lesdhziaer关于湍流模型、美国H·C·Yee关于计算不确定性、日本学者的玻耳兹曼方程解流动问题、德国的E. von Lavante关于使用并行计算机进行发动机气缸流场涡和激波的非定常流动模拟等等[6],都有较新的学术思想,较高的学术水平。
目前,计算流体力学研究的热点是:研究计算方法,包括并行算法和各种新型算法;研究涡运动和湍流,包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、大涡模拟和湍流机理;研究网格生成技术及计算机优化设计;研究计算流体力学用于解决实际流动问题,包括计算生物力学、计算声学、微型机械流动、多相流及涡轮机械流动的数值模拟等[7]。
2 计算流体力学的应用计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船舶[8]、海洋[9]、化学[10]、铸造[11]、制冷[12]、工业设计、城市规划设计[13]、建筑消防设计[14]、汽车[15]等多个领域。
近几年来计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等[6]方面获得广泛应用。
这表明计算流体力学在解决工程实际问题方面具有重要的应用价值。
下面仅以在汽车领域的应用为例,介绍计算流体力学应用于工程实际中的速度和深度。
20世纪80年代初期才开始有计算流体力学应用于汽车领域的论文发表,经过短短的二十余年,其应用已涉及到汽车车身设计、汽车内部空间的空调与通风、发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算,同时进一步发展到研究汽车与发动机中传热、燃烧以及预测噪声强度与模具设计等相关的问题[15]。
当着手研究一项计算流体力学课题时,首先需要建立模型,即根据相关专业知识将问题用数学方法表达出来;然后就是如何利用计算流体力学软件,对问题进行求解、分析。
整个计算流体力学处理过程大致包括三个部分:前处理,包括几何模型的选取和网格划分;求解器,包括确定计算流体力学方法的控制方程,选择离散方法进行离散,选用数值计算方法,输入相关参数;后处理,包括速度场、压力场、温度场及其它参数的计算机可视化及动画处理等[12]。
由此和计算流体力学在工程实际中的应用可以将计算流体力学应用的优点大致归纳如下:可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程;可以容易地改变实验条件、参数,以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料;整个研究、设计所花的时间大大减少;可以方便地用于那些无法实现具体测量的场合,如高温、危险的环境;根据模拟数据,可以全方位的控制过程和优化设计。
随着计算流体力学在工程技术应用中的迅速推广,计算流体力学也逐渐软件化。
CFX、FLUENT、PHOE-NICS、CFD2000、CFD++等一大批计算流体力学软件已经商品化[16]。
这些商业软件既有通用的也有作为特殊用途的专业软件。
这些软件能方便地处理工程技术领域内的各种高难度复杂问题,因而极具吸引力。
然而计算流体力学软件在某些领域的应用还不成熟,有必要在计算精度、功能的强化、计算的效率、收敛性和操作的简单化等方面作进一步的完善。
计算流体力学应用研究中的关键问题包括:对应用于各种具体情况的数学模型、对复杂外形的描述以及对计算网格的划分做进一步研究;探索更有效的算法来提高计算精度,并降低计算费用;进一步开展计算流体力学在各方面的应用等。
计算流体力学的应用现状与现代超级计算机相结合的计算流体力学流体流动模拟工具,使计算流体力学所具有的创立新概念、降低设计成本和缩短生产时间的潜力开始发挥作用。
当前,计算流体力学工作者的重要任务是发展准确、高效的粘性流计算方法,把计算流体力学应用推向一个更新的应用阶段。
3 展望及结论计算流体力学主要向两个方面发展:一方面是研究流动非定常稳定特性、分叉解及湍流流动的机理,更为复杂的非定常、多尺度的流动特征,高精度、高分辨率的计算方法和并行算法;另一方面是将计算流体力学直接用于模拟各种实际流动,解决工业生产中提出来的各种问题。
美国和日本在这两方面做得最为突出。
在我国经济飞速发展的今天,一些计算流体力学问题的解决,将有利于我国的国民经济建设工作,我们需要迎头追赶。
参考文献:[1]刘国俊·计算流体力学的地位、发展情况和发展趋势[J]·航空计算技术, 1994(1): 15-21·[2]CourantR, FriedrichsK O and LewyH.On the PartialDifference Equations ofMathematicalPhysics. IBM Journa.lMarch. 1967: 215-234·[3]傅德薰·流体力学数值模拟[M]·北京:国防工业出版社, 1993: 3-6·[4]侯天相,周荣春·钝体绕流的非定常差分法[M]·北京:宇航出版社, 1986·[5]张涵信·第四届亚洲计算流体力学会议学术交流情况[J]·力学进展, 2001(1): 156-157·[6]国家自然科学基金委员会数理科学部·第七届国际计算流体力学尝议简介[J]·力学进展, 1998, 28(3): 430-431·[7]傅德薰·第二届国际计算流体力学会议简介[J]·力学进展, 2003(3): 388[8]蔡荣泉·船舶计算流体力学的发展与应用[J]·船舶, 2002(4): 8-13·[9]周连第·船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用[J]·空气动力学学报, 1998, 16(1): 122-131·[10]尹晔东,王运东,费维场·计算流体力学(CFD)在化学工程中的应用[J]·石化技术2000, 7(3): 166-169·[11]肖柯则,夏艺·计算流体力学在铸造过程中的应用[J]·内蒙古工业大学学报, 1995, 4(3): 30-38·[12]翟晓华,谢晶,徐世琼·计算流体力学在制冷工程中的应用[J]·制冷, 2003, 22(1): 17-22·[13]傅晓英,刘俊,许剑峰·计算流体力学在城市规划设计中的应用研究[J]·四川大学学报(工程科学版), 2002, 34(6): 36-39·[14]金杉,庄达民,张向阳·计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用[J]·消防科学与技术, 2003, 22(3): 194-197·[15]常思勤,扈圣刚·计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用[J]·武汉汽车工业大学学报, 1997, 19(4): 12-15·[16]Da-Wen Sun·Computers and Electronics in Agricultrue. supplement, Ireland, 2002·作者简介:刘光斌(1988-),男，黑龙江齐齐哈尔人,中国矿业大学热能与动力工程专业本科生。