fluent--流体力学基础
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车头前端外流场速度图
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车尾端外流场速度图
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流体质点的运动可分解为：
1、随其他质点平动；2、自身旋转运动；3、自身变形运动。
流动过程中，若流体质点自身作无旋运动，则称其为有势流动。 流动过程中，若流体质点自身作旋运动，则称其为有旋流动。
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Fluent软件介绍
Fluent软件是由美国FLUENT公司于1983推 出的CFD软件。在美国的市场占有率为60% 。 用于对流场和温度场的模拟研究。 典型应用场合： ① 风机、泵等流体机械内部的流体流动 ② 飞机和航天飞机等飞行器的设计 ③ 汽车流线外形对性能的影响 ④ 温室及室内空气流动及环境分析 ⑤ 电子元器件的冷却 返回 ⑥ 换热器性能分析
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第一章 流体力学基础
1.1 概述 1.2 流体力学中的力与压强 1.3 能量损失与总流的能量方程 1.4 流体运动的描述
ຫໍສະໝຸດ Baidu前页
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1.1 概述
• 1 流体的密度、重度和比重
均质流体：
m V (kg/m ) ;
3
G V
(N/m3 )
G V 0 V
非均质流体： lim
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1.1 概述
• 2 流体的黏性
流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力 以反抗相对运动的性质。
粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性。
当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时，流体
的粘性就表象不出来，其内摩擦力也就等于零。
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1.1 概述
• 2 流体的黏性
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取决于流体种类，其大小反映流体粘性的大小。
20℃时 流体 原油 甘油 水 空气
1.1 概述
/ Pa·s
72×10-4 149×10-4 10.02×10-4 1.81×10-5
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/ m2/s
8.4×10-6 11.84×10-6 1.003×10-6 1.5×10-5
或
du T A dy
N
T du A dy
N/m
2
或 Pa
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1.1 概述
动力粘滞系数
du / dy
Pa s
表征单位速度梯度作用力下的切应力，反映了粘滞
性的动力性质。
运动粘性系数
m
2
/s
衡量流体的流动性。常用单位为cm2 /s ，称为斯 托克斯（St）。
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1.1 概述
• 4 牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体 符合牛顿切应力公式，且动力粘度为常数实际流体称 为牛顿流体。（水、空气、润滑油等为牛顿流体）。 非牛顿流体 符合牛顿切应力公式，且动力粘度不为常数实际流体 称为非牛顿流体。（油脂、油漆、牛奶等为非牛顿流 体）。
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• 1 定常流动与非定常流动
定常流动
流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）不随时间变化， 称为定常流动。
☆工程中绝大部分稳定运行的设备可采用定常流动来描述。 如：锅炉燃烧、风机运行、化工过程。
非定常流动 流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）随时间变化， 称为非定常流动 。
☆许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动， 如水泵、风机的启动阶段。 返回
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1. 4 流体运动的描述
• 2 迹线与流线
流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向 线。 迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运 动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点在不同 时间的速度的方向。
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1. 4 流体运动的描述
• 3 流量与净通量
流量：
流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积 称为流体的体积流量，一般用Q表示，单位为L/s。 单位时间内流经管道任意截面的流体质量，称为质 量流量，以ms表示，单位为kg/s或kg/h。 体积流量与质量流量的关系为： ms=Qρ 体积流量、过流断面面积A与流速u之间的关系为:
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1.1 概述
• 5 流体的压缩性
可压缩流体 流体的压缩性是指在外界条件发生变化时，其密度和体 积发生了变化。 研究流体流动的过程中，若考虑流体的压缩性，则称其 为可压缩流动，相应流体称为可压缩流体。（水中的 爆炸、高速气流） 不可压缩流体 若不考虑流体的压缩性，则称其为不可压缩流动，相应 流体称为不可压缩流体。（水和油的流动）
流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生 的所有沿程损失和局部损失之和，即
h=∑hl+∑hj
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 2 总流的伯努利方程
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 3 入口段与充分发展段
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1. 4 流体运动的描述
m V 0 V
(kg/m3 ) ; lim
(N/m3 )
显然
牢记
g
水 1000 kg/m 3 ; 汞 13590 kg/m 3 ;
前页
水 9.8 kN/m 3 汞 133kN/m 3
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1.1 概述
• 1 流体的密度、重度和比重
流体的比重 流体的比重为与零上4℃时水的密度之比。
xx xy M yz zy zz xz zx
o y x
图 1-2
任一点所受到的应力
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1.2 流体力学中的力与压强
• 静止流体所受的外力有质量力和压应力两种,流体垂直 作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上 又称为压力。 （1）压力单位 在国际单位制（SI制）中，压力的单位为N/m2，称 为帕斯卡（Pa），帕斯卡与其它压力单位之间的换算 关系为： 1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压） =1.013105Pa =760mmHg =10.33mH2O
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1.2 流体静力学基本概念 • 2 绝对压强、相对压强与真空度
• 以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的 真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度 、相对压力，它是在把大气压强视为零压强的基础上得出 来的。 • 绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基 准计量的压强;表压强简称表压，是指以当时当地大气压 为起点计算的压强。两者的关系为： 绝对压=大气压+表压
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1. 4 流体运动的描述
• 4 层流与湍流
层流 流体运动规则，各部分分层流动 互不掺混，质点的轨线是光滑 的，而且流动 稳定。 湍流 （紊流） 流体运动极不规则，各部分激 烈掺混，质点的轨线杂乱无章 ，而且流场极不稳定。
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1. 4 流体运动的描述
• 5 有旋流动与有势流动
Q=Au
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1. 4 流体运动的描述
• 3 流量与净通量
净通量：
在流场中取整个封闭曲面作为控制面A，封闭曲面内 的空间称为控制体。流体经一部分控制面流入控制体， 同时也有流体经另一部分控制面从控制体中流出，此时 流出的流体减去流入的流体，所得出的流量称为流过全 部封闭控制面A的净流量（或净通量）。 对于不可压流体来说，流过任意封闭控制面的净通 量为0。
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1.1 概述
• 6 液体的表面张力
液面上的分子受液体内部分子吸引而使液面趋于收缩 ，表现为液面任何两部分之间具有拉应力，称为表面 张力。 ☆其方向和液面相切，并与两部分的分界线相垂直
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1.2 流体力学中的力与压强
• 1 作用在流体上的力
作用在流体上的所有外力F可以分为两类：质量力 和表面力，分别用FB、FS表示，于是：
τz zxi zyj zz k
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1. 2 流体力学中的力与压强
• 1 作用在流体上的力
类似地，与x轴、y轴相垂直的面（参见图1-2）上受到 的应力分别为：
τ xxi xyj xzk x
z yx yy
τy yxi yy j yz k
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1.2 流体静力学基本概念
• 2 绝对压强、相对压强与真空度
图1 绝对压力、表压与真空度的关系
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1. 2 流体力学中的力与压强
• 3 液体的气化压强
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1. 2 流体力学中的力与压强
F FB FS
质量力：与流体微团质量大小有关并且集中作用在微 团质量中心上的力称为质量力。它属于非接触性的力， 例如重力、离心力等。
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1. 2 流体力学中的力与压强
• 1 作用在流体上的力
表面力：表面力是指作用在所考察对象表面上的力。
任一面所受到的应力均可分解为一 个法向应力（垂直于作用面，记为 ii）和两个切向应力（又称为剪应 力 ， 平 行 于 作 用 面 ， 记 为 ij， ij），例如图中与 z 轴垂直的面上 受到的应力为zz（法向）、zx和zy （切向），它们的矢量和为：
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/ kg/m3
856 1258 998 1.205
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1.1 概述
• 3 理想流体与粘性流体
理想流体 流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度，或普 遍说来抵抗变形的性质称为粘性 。 当流体的粘性较小 ，甚至可以忽略不计时，这样的流 体称为理想流体 。 粘性流体 当流体的粘性较大，不能忽略时，这样的流体称为粘 性流体。 ☆真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实 际流体在某些条件下的一种近似模型。
• 3 静压、动压和总压
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1. 2 流体力学中的力与压强
• 3 静压、动压和总压
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 1 沿程损失与局部损失 沿程损失：
流体在直管段中流动时，管道壁面对于流 体会产生一个阻碍其运动的摩擦阻力（沿程阻 力），流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能 量称为沿程损失。 通常采用达西-维斯巴赫公式计算，即
Lu h1 d 2g
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2
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 1 沿程损失与局部损失
局部损失
流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其 他使流体流动情况发生改变时，都会有阻碍运动的局部阻
力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为局部损失。 计算公式为： hj=ξ u2/(2g)
什么是流体（Fluid）
固体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的 压力、拉力和剪切力。
流体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的 压力。 – 静止时，不能抵抗任何剪切力， 在剪切力的作用下，会一直发生 变形，直到剪切力消失。
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剪切力示意图
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什么是流体（Fluid）
空气、水、油等易于流动的物质被称为流体。 利用流体进行力传递、进行功和能量转换的 机械称为流体机械。（如水泵、风机、水力 发电机等） 研究流体运动的方法： ① 实验方法； ② 以近年发展起来的计算流体力学为基础进行 数值模拟计算。
牛顿内摩擦定律
d c a b
y B U T
A
现象：a.速度分布不均匀； b.变形-有相对运动； c.作用力。
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x
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1.1 概述
实验证明内摩擦力 T 的大小： ① 与流层的接触面积A成正比； ② 与速度梯度 du / dy 成正比； ③ 与流体的种类有关； ④ 与压力大小无关。
即
du TA dy
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车头前端外流场速度图
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车尾端外流场速度图
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流体质点的运动可分解为：
1、随其他质点平动；2、自身旋转运动；3、自身变形运动。
流动过程中，若流体质点自身作无旋运动，则称其为有势流动。 流动过程中，若流体质点自身作旋运动，则称其为有旋流动。
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Fluent软件介绍
Fluent软件是由美国FLUENT公司于1983推 出的CFD软件。在美国的市场占有率为60% 。 用于对流场和温度场的模拟研究。 典型应用场合： ① 风机、泵等流体机械内部的流体流动 ② 飞机和航天飞机等飞行器的设计 ③ 汽车流线外形对性能的影响 ④ 温室及室内空气流动及环境分析 ⑤ 电子元器件的冷却 返回 ⑥ 换热器性能分析
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第一章 流体力学基础
1.1 概述 1.2 流体力学中的力与压强 1.3 能量损失与总流的能量方程 1.4 流体运动的描述
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1.1 概述
• 1 流体的密度、重度和比重
均质流体：
m V (kg/m ) ;
3
G V
(N/m3 )
G V 0 V
非均质流体： lim
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1.1 概述
• 2 流体的黏性
流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力 以反抗相对运动的性质。
粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性。
当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时，流体
的粘性就表象不出来，其内摩擦力也就等于零。
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1.1 概述
• 2 流体的黏性
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取决于流体种类，其大小反映流体粘性的大小。
20℃时 流体 原油 甘油 水 空气
1.1 概述
/ Pa·s
72×10-4 149×10-4 10.02×10-4 1.81×10-5
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/ m2/s
8.4×10-6 11.84×10-6 1.003×10-6 1.5×10-5
或
du T A dy
N
T du A dy
N/m
2
或 Pa
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1.1 概述
动力粘滞系数
du / dy
Pa s
表征单位速度梯度作用力下的切应力，反映了粘滞
性的动力性质。
运动粘性系数
m
2
/s
衡量流体的流动性。常用单位为cm2 /s ，称为斯 托克斯（St）。
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1.1 概述
• 4 牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体 符合牛顿切应力公式，且动力粘度为常数实际流体称 为牛顿流体。（水、空气、润滑油等为牛顿流体）。 非牛顿流体 符合牛顿切应力公式，且动力粘度不为常数实际流体 称为非牛顿流体。（油脂、油漆、牛奶等为非牛顿流 体）。
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• 1 定常流动与非定常流动
定常流动
流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）不随时间变化， 称为定常流动。
☆工程中绝大部分稳定运行的设备可采用定常流动来描述。 如：锅炉燃烧、风机运行、化工过程。
非定常流动 流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）随时间变化， 称为非定常流动 。
☆许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动， 如水泵、风机的启动阶段。 返回
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1. 4 流体运动的描述
• 2 迹线与流线
流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向 线。 迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运 动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点在不同 时间的速度的方向。
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1. 4 流体运动的描述
• 3 流量与净通量
流量：
流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积 称为流体的体积流量，一般用Q表示，单位为L/s。 单位时间内流经管道任意截面的流体质量，称为质 量流量，以ms表示，单位为kg/s或kg/h。 体积流量与质量流量的关系为： ms=Qρ 体积流量、过流断面面积A与流速u之间的关系为:
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1.1 概述
• 5 流体的压缩性
可压缩流体 流体的压缩性是指在外界条件发生变化时，其密度和体 积发生了变化。 研究流体流动的过程中，若考虑流体的压缩性，则称其 为可压缩流动，相应流体称为可压缩流体。（水中的 爆炸、高速气流） 不可压缩流体 若不考虑流体的压缩性，则称其为不可压缩流动，相应 流体称为不可压缩流体。（水和油的流动）
流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生 的所有沿程损失和局部损失之和，即
h=∑hl+∑hj
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 2 总流的伯努利方程
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 3 入口段与充分发展段
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1. 4 流体运动的描述
m V 0 V
(kg/m3 ) ; lim
(N/m3 )
显然
牢记
g
水 1000 kg/m 3 ; 汞 13590 kg/m 3 ;
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水 9.8 kN/m 3 汞 133kN/m 3
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1.1 概述
• 1 流体的密度、重度和比重
流体的比重 流体的比重为与零上4℃时水的密度之比。
xx xy M yz zy zz xz zx
o y x
图 1-2
任一点所受到的应力
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1.2 流体力学中的力与压强
• 静止流体所受的外力有质量力和压应力两种,流体垂直 作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上 又称为压力。 （1）压力单位 在国际单位制（SI制）中，压力的单位为N/m2，称 为帕斯卡（Pa），帕斯卡与其它压力单位之间的换算 关系为： 1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压） =1.013105Pa =760mmHg =10.33mH2O
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1.2 流体静力学基本概念 • 2 绝对压强、相对压强与真空度
• 以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的 真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度 、相对压力，它是在把大气压强视为零压强的基础上得出 来的。 • 绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基 准计量的压强;表压强简称表压，是指以当时当地大气压 为起点计算的压强。两者的关系为： 绝对压=大气压+表压
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1. 4 流体运动的描述
• 4 层流与湍流
层流 流体运动规则，各部分分层流动 互不掺混，质点的轨线是光滑 的，而且流动 稳定。 湍流 （紊流） 流体运动极不规则，各部分激 烈掺混，质点的轨线杂乱无章 ，而且流场极不稳定。
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1. 4 流体运动的描述
• 5 有旋流动与有势流动
Q=Au
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• 3 流量与净通量
净通量：
在流场中取整个封闭曲面作为控制面A，封闭曲面内 的空间称为控制体。流体经一部分控制面流入控制体， 同时也有流体经另一部分控制面从控制体中流出，此时 流出的流体减去流入的流体，所得出的流量称为流过全 部封闭控制面A的净流量（或净通量）。 对于不可压流体来说，流过任意封闭控制面的净通 量为0。
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1.1 概述
• 6 液体的表面张力
液面上的分子受液体内部分子吸引而使液面趋于收缩 ，表现为液面任何两部分之间具有拉应力，称为表面 张力。 ☆其方向和液面相切，并与两部分的分界线相垂直
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1.2 流体力学中的力与压强
• 1 作用在流体上的力
作用在流体上的所有外力F可以分为两类：质量力 和表面力，分别用FB、FS表示，于是：
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1. 2 流体力学中的力与压强
• 1 作用在流体上的力
类似地，与x轴、y轴相垂直的面（参见图1-2）上受到 的应力分别为：
τ xxi xyj xzk x
z yx yy
τy yxi yy j yz k
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1.2 流体静力学基本概念
• 2 绝对压强、相对压强与真空度
图1 绝对压力、表压与真空度的关系
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• 3 液体的气化压强
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1. 2 流体力学中的力与压强
F FB FS
质量力：与流体微团质量大小有关并且集中作用在微 团质量中心上的力称为质量力。它属于非接触性的力， 例如重力、离心力等。
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1. 2 流体力学中的力与压强
• 1 作用在流体上的力
表面力：表面力是指作用在所考察对象表面上的力。
任一面所受到的应力均可分解为一 个法向应力（垂直于作用面，记为 ii）和两个切向应力（又称为剪应 力 ， 平 行 于 作 用 面 ， 记 为 ij， ij），例如图中与 z 轴垂直的面上 受到的应力为zz（法向）、zx和zy （切向），它们的矢量和为：
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/ kg/m3
856 1258 998 1.205
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1.1 概述
• 3 理想流体与粘性流体
理想流体 流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度，或普 遍说来抵抗变形的性质称为粘性 。 当流体的粘性较小 ，甚至可以忽略不计时，这样的流 体称为理想流体 。 粘性流体 当流体的粘性较大，不能忽略时，这样的流体称为粘 性流体。 ☆真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实 际流体在某些条件下的一种近似模型。
• 3 静压、动压和总压
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• 3 静压、动压和总压
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 1 沿程损失与局部损失 沿程损失：
流体在直管段中流动时，管道壁面对于流 体会产生一个阻碍其运动的摩擦阻力（沿程阻 力），流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能 量称为沿程损失。 通常采用达西-维斯巴赫公式计算，即
Lu h1 d 2g
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1. 3 能量损失与总流的能量方程
• 1 沿程损失与局部损失
局部损失
流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其 他使流体流动情况发生改变时，都会有阻碍运动的局部阻
力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为局部损失。 计算公式为： hj=ξ u2/(2g)
什么是流体（Fluid）
固体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的 压力、拉力和剪切力。
流体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的 压力。 – 静止时，不能抵抗任何剪切力， 在剪切力的作用下，会一直发生 变形，直到剪切力消失。
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剪切力示意图
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什么是流体（Fluid）
空气、水、油等易于流动的物质被称为流体。 利用流体进行力传递、进行功和能量转换的 机械称为流体机械。（如水泵、风机、水力 发电机等） 研究流体运动的方法： ① 实验方法； ② 以近年发展起来的计算流体力学为基础进行 数值模拟计算。
牛顿内摩擦定律
d c a b
y B U T
A
现象：a.速度分布不均匀； b.变形-有相对运动； c.作用力。
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1.1 概述
实验证明内摩擦力 T 的大小： ① 与流层的接触面积A成正比； ② 与速度梯度 du / dy 成正比； ③ 与流体的种类有关； ④ 与压力大小无关。
即
du TA dy