第二章、流体基本知识.ppt

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第二章 流体力学基本理论
一、流体的连续介质模型 二、流体性质 三、作用在流体上的力 四、牛顿内摩擦定律 五、流体流动的研究方法
六、流体运动的质量守恒方程 七、能量守恒定律:伯努利方程 八、边界层分离和物体绕流阻力 九、层流和紊流
2~3学时
风——风沙运动的动力 风——流动着的空气
空气——大气:(空气动力学、大气动力学、气象学、
2.沿程损失:
hf
l d
V2 2 2g
λ —沿程阻力系数;l—行程;d—直径(当量直径)
从公式中看出:确定阻力关键在于确定λ和ζ λ取决于粗糙度、雷诺数、直径(当量直径); ζ取决于流形变化、粗糙度、雷诺数。
截面突变的局部阻力系数:
V1
A1
V2
A2
1
(1
A1 A2
)2
2
(
A2 A1
1)2
V1
A1
V2
0.11( )0.25
d
八、边界层(附面层)分离、 物体绕流阻力
z
附面层(摩擦层):平表面上 风速从零急剧增大到与来流速 度相同数量级的薄层; 从大气的分层上,该层的厚度 约为600-1000米。 一般气象站测量风速时,风速 仪的设置高度为12米。
V
平表面风速分布廓线
(1)转用时注意; (2)气象数据的准确性问题
(2)在ef段上V>Vc‘,流动为紊流流态,直线的斜率为 1.75~2.0,说明Hw与V1.75~V2.0成正比。
(3)在层流流态与紊流流态之间的区域(be段)为过渡区, 流动状态是不稳定的。既取决于流动的初始流态,又取决于 外界扰动的大小。
实验过程中流速逐渐增大时实验点将沿bce移动,流速逐 渐减小时将沿edb移。vc'值的大小对外界扰动十分敏感。
一、流体的连续介质模型:
1 、流体由分子组成,分子与分子间存在空隙,从微观的角度 看,流体并非是连续分布的物质。
2、流体分子间的距离非常小:标准状态下,1mm3的气体包含 2.7 × 1016 个分子。
3、研究流体时取“微团”(质点), “微团”虽小,有足够 多的分子,宏观物理量的统计平均值有意义。
六、流体运动的质量守恒方程(恒定总流的连续方程) 在没有质量和能量相互转换的条件下,连续介质的
流体运动遵循质量守恒定律。
体积流量相等: V1 A1 = V2 A2 = Q
Q 单位时间内通过过流断面的流体体积 m3/s
V1 ,A1
V2 ,A2
流线越密集,流速就愈大。
V1 A1 = V2 A2 + V3 A3 = Q
边界层分离点
• 边边界界层:层流:速小于主流流速99%的流层。
边界层分离:钝形体壁面附近的流体质点会在某个位置脱 离壁面,在壁面附近形成回流称为边界层分离。
沙丘背风坡容易产生边界层分离现象。Why ? 局部阻力损失:变成热能
A1
压能变成动能
A2
动能变成压能
V1<V2, P1>P2;
V2; P2
V3=0; P3 P3‘
P2 < P3 <P1
A4
V4=V1, P4≈P1>P3;
(P3’-P3) 压差力阻力
z1p 11V 21 g 2z2p 22V 22 g 2hw
物体绕流阻力 用量纲和谐原理:π定律可以理论推导出来
• 由于边界层分离,物体在流场中受到流动方向上的的流动阻 力主要是与物体物体表面压力的合力(压差阻力或形状阻 力),压差阻力往往远远大于摩嚓阻力。——由于物体形状
动力气象学、大气物理学)
空气——属于流体:(流体力学、工程流体力学)
风沙运动的研究历史表明,不研究它的流体力学特征,不研究它的力学 作用过程,其形成和发展就不可能再前进一步.
空气水平运动——风
高压
低压
高低压的起源 辅合上升就是气压流向向内部聚拢后向上抬升
辐散 高压区
辐合
加 热 也 可 引 起 大 气 上 升 低压区
当阀门开度较小时,玻璃管内流速较小,注入的色 水在玻璃管B内呈一条位置固定、界线明确的细股直线流 束(见图b),说明玻璃管内的水流有条不紊地呈层状运动。 这种流态称为层流。
若将阀门c的开度逐渐加大,玻璃管B中流速增加。当 流速增大到某一临界值时,颜色水细小流束开始摆动、发 生弯曲、且流束的线条沿程逐渐变粗(见图c)。
不注重个别质点的运动,从场 的观点出发。
场——充满着运动的流体微团的 空间,如速度场、密度场、温度 场等等。
流线:流场内某瞬间所有流体 质点流动方向的曲线。曲线上各 质点的流速矢量都与该曲线相切。
(大多数流体物理量测量、烟流 试验)
Ut1 Ut2 y x
z
Ua
Ub
流线:
恒定流:流场中各空间点上的任何空间要素都不随时间变化
随着流速继续增大,颜色水股流出针管正后流束的线 条会迅速断裂,且与周围水体掺混、扩散至管内各处(见 图d),说明玻璃管内的流体质点皆作杂乱无章的掺混运动。 这种流态称为紊流。
颜色水还显示,紊流状态下存在很多旋涡的运动,这 些旋涡不时地产生、发展与消灭,使固定点上瞬时流速的 大小与方向随时间随机地变化。
层流与紊流在流动结构上的差异必然会导致在能量损失 上的不同。为了便于分析,选取图a中玻璃管B的两个过流断 面1与2,测定断面平均流速V值不同时两断面之间的水头损 失hw。若将Hw-—V关系点绘在对数坐标上,能够得到图e所 示的结果。由图可以看出:
(1)在ab段上V<Vc,流动为层流流态,直线的斜率为1.0, 说明Hw与V成正比。
5、粘性——粘度(流体层发生相对滑移时产生切 向阻力的性质)
三、作用在流体上的力:
表面力:由邻近流体质点或其他物体所直接施加 的表面接触力(又称近程力)。 压 力:垂直表面,沿表面内法线方向 摩擦力:与表面平行,也叫粘性力
质量力:作用流体质量上的非接触力(又称长程力)。 重 力:地球引力作用 惯性力:加速运动 向心力:沿曲线流动
z1p 11V 21 g 2z2p 22V 22 g 2hw
α—动能修正系数,一般取1; hw—机械能损失(阻力)
hw有两种形式:1.局部损失:流动突变产生(障碍物、
方向突变、大小突变) 2.沿程损失:由摩擦阻力产生
1.局部损失:
hj
V22 2g
ζ —局部阻力系数
防护林作用是增大 局部阻力损失
相当于动能的多少来表示总机械能损失
• 4.随机进入和飞出“微团”体积的分子数随时都是 平衡的.这个微团体中所有分子的总体称质点.
• 5、空间各点都有“微团”,流体由无数连续分布的 流体微团组成,空 间每一点都有宏观属性(密度、速 度、压力、温度等)。
• 6、连续介质模型,流体是由连续分布的流体质点所 组成的,宏观物理量亦连续分布,它们是空间坐标和 时间的单值 连续可微函数,由数学工具研究。
p1 V12 p2 V22 C
2g 2g
p与V呈反相关。p大则V小, p小则V大
流速高压力低,流速低压力高。 流线越密集,流速就愈大。
流线越密集;流速就愈大;压强越小。
皮托管:弯成直角的玻璃管测流速
p1V 212 0p200
h
V12
2
(H0
h)
H0
V1
h
V1 2gH0
1
2
总流的伯努里方程:
Y
V 0.99V
边 界 层
层流底层以外是紊 流区,包括处于发展状 态的过渡区和紊流充分 发展的紊流流核区。
水力光滑壁面 (b): δ0 层流底层 厚度>> ks粗糙度。
水力粗糙壁面(c): δ0层流底层厚度<< ks粗糙度。
下垫面的粗糙度 是衡量治沙防护效益最重要的指标之一
增加下垫面粗糙度,使层流底层厚度δ0 << ks粗 糙度;凸出物伸出层流底层,流线绕过凸出物时发生 边界层分离,凸出屋前后产生较大压差,因而形成很 大阻力,对近地面层气流阻力就大。
动能
z1p 1V 21g2 z2p2MV 22g2MC
1V2 1 mV2
重力
2 g 2m g
Z—高程; p—压强; γ—流体重度(ρg 密度×加速度)
理想(无粘性)总流各过流断面上单位重力所具有的机械能 (位 能、压能和动能之和)沿程保持不变,三者之间可以互相转化。
当高差可忽略时,上述方程简化为:
飞机设计主要是减小绕流体所受绕 流的阻力。
防护林体系设计主要是增加绕流体 所受绕流的阻力。但是,沙丘上的沙障 若受阻力太大可能会冲垮沙障,所以设 计形状如图。
×
九、层流和紊流流态
水箱水位保持恒定; 玻璃管内水流恒定; 调整阀门F,使颜色水注入针管E中流速与玻璃管内流体流速接近。
• A:水箱; B:喇叭进口玻璃管 C:阀门; • D:颜色水容器 E:颜色水注入针管;F:颜色水阀门
• 拉格朗日法——质点法(迹线描述)
注重个别质点的运动,综合所有质点情况,找到运动规律。方法复 杂,一般不用。(一叶扁舟,水中气泡等)
迹线;流体质点的运动轨迹线。
y
空间点
U xxx(a,b,c,t)
t
t
迹线 b
质点
取 x 对 t 的偏导数
x c
a
z
• 欧拉法——“流场” 法(流 线描述)
U x x x(x,y,z,t)
四、牛顿内摩擦定律:
处于相对运动的两层流体之间的内摩擦 力,其大小与流体ຫໍສະໝຸດ Baidu物理性质(μ动力粘度) 有关,并于流速梯度(du/dz)和流层的接触面 (A)成正比,而与接触面的压力无关。
单位面积上的内摩擦力:
du
dz
τ—内摩擦力; u—流动速度 μ—流体粘度; z—垂直坐标
五、流体流动的研究方法:
不同,而产生的边界层分离位置不同,压差分布不同,物体 表面的压力合力自然不同。
• ρ:流体密度
D = CD A ρU2/2
U:受绕流物体扰动以前流体的流速
A:绕流物体与流向垂直的平面上的投影面积
CD :绕流阻力系数--主要取决于绕流体形状、雷诺数
D:绕流体受到的阻力,包括摩擦阻力和压差阻力(流线型物 体压差阻力为零)
雷诺实验结果不只限于圆 管中的水流,同样适合于其它 流动边界形状,也适合于其它 液体与气体。
结论:任何实际流体的流动 皆具有层流与紊流两种流态。
雷诺数——流态的判别
不同流体临界流速不同;不同管径流体临界流速也不同。
实验发现Vc = Rec.υ /d; Rec = Vc d /υ
当Re 小于Rec,流体层流运动; 当Re 大于Rec,流体紊流运动。
紊流特征:流体质点以杂落无章、相互掺混与涡体旋转为特征。 涡体产生:由于粘性,流体产生流速梯度差,流层上下产生摩擦
力矩;外界干扰和来流残余扰动使流线变弯曲,产生 横向压差。
层流底层与边界层的概念 在紊流中并不是整个流场都是紊流,由于流体具有
粘性,紧贴管壁或槽壁的流体质点将贴附在固体边界上, 无相对滑移,流速为零;继而它们又影响到邻近流体速 度也随之变小,有显著的流速梯度;在靠近流道边壁的 流层内,边壁约束使流体质点基本不作横向运动,粘滞 力起主导作用,该薄层称粘性地层或层流底层。
1lnzu
k
C1
V—风速;
u*—摩阻流速; Z—高程; k—卡门常数;
ν—空气的运动粘度; C1—积分常数
紊流粗糙区:
V
u
1lnz
k
C2
C2—积分常数,ε —粗糙度,其它同上。
尼古拉兹通过实验测得k=0.4,C1=5.5,C2=8.48
则平表面风速分布公式又可写为:
二、流体性质: 1 、流动性(受微小剪切力的作用就连续流动) 2、质量——密度ρ(单位体积内流体的质量kg/m3) 3、重量——重度γ(单位体积内流体的重量N/m3) 4、压缩性与膨胀性——温度不变,流体的体积随
压强增大而缩小称压缩性.PV=nRT
(P:压强 V:气体体积 n:气体物质的量 R:常数,8.31 T,t:温度 T=t+273.15 )
Ccc2
( 1 Cc
1)2
A2
当A1»A2 时 0.5
沿程阻力系数:
a.层流流动(理论公式): b.过渡区(扎依钦科公式):
64
Re
1
0.002R5e3
c.紊流光滑区(布拉修斯公式):
0.3164 R0.25
e
d.紊流粗糙过渡区(阿里特苏里公式):
0.11( 68)0.25
d Re
e.紊流粗糙区(希弗林松公式):
所以用粗糙度描述不同下垫面对近地气流的不同 阻碍作用。下垫面的粗糙度是衡量治沙防护效益最重 要的指标之一。
零风速高度通常出现在平均表面粗糙度以上某个高度;地 表越粗糙,零风速出现也越高高度。因为粗糙因素很难测定,因 此,把零风速出现的高度当作粗糙性尺度的一个指标。
平表面风速分布公式:
紊流光滑区:
Vu
V1 ,A1
V2 ,A2
质量守恒定理——连续性方程
V1A1V2A2
A1——断面1处有效面积; V1——断面1处流体流动速度; A2——断面2处流体流动速度; V2——断面2处有效面积。
(峡谷风、风洞改造、沙丘、路基、乔木林边缘、峡谷水流湍急、抽刀断水水更流)
七、能量守恒定律——伯努利方程(压力柱表示)
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