3第三章_流体运动学
第三章流体运动学
机械工程学院
第三章 流体运动学
研究内容：流体运动的位移、速度、加速度和转速等随时间和 空间坐标的变化规律，不涉及力的具体作用问题。但从中得出 的结论，将作为流体动力学的研究奠定基础。
第1节 研究流体运动的两种方法
第2节 流体运动学的基本概念 第3节 流体运行的连续方程 第4节 相邻点运动描述――流体微团的运动分析
特点：流场内的速度、压强、密度等参量不仅是坐标的函数，而且 还与时间有关。
即：
（） 0 t
3.2 基本概念
二、均匀流动与非均匀流动
1. 均匀流动
流场中各流动参量与空间无关，也即流场中沿流程的每一个断面 上的相应点的流速不变。位不变
v v ( x, y, z, t ) p p( x, y, z, t ) ( x, y, z, t )
由于空间观察点（x,y,z）是固定的，当某个质点
从一个观察点运动到另外一个观察点时，质点位移是 时间t的函数。故质点中的（x,y,z,t）中的x,y,z不是 独立的变量，是时间的函数：
x x (t ) y y (t ) z z (t )
所以，速度场的描述式：
u x u x {x（t） , y（t） , z（t） , t} u y u y {x（t） , y（t） , z（t） , t} u z u z {x（t） , y（t） , z（t） , t}
v2
s1
s2
v1
折点
v2
s
强调的是空间连续质点而不是某单个质点
1. 定义 流动参量是几个坐标变量的函数，即为几维流动。 v v ( x) 一维流动 v v ( x, y ) 二维流动 v v ( x, y , z ) 三维流动
第三章 流体运动学.ppt
欧拉简介
瑞士数学家及自然科学家。1707年4月 15日出生於瑞士的巴塞尔，1783年9月18日 於俄国彼得堡去逝。欧拉出生於牧师家庭， 自幼受父亲的教育。13岁时入读巴塞尔大学， 15岁大学毕业，16岁获硕士学位。
流线不能是折线，是一条光滑的连续曲线。
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。
3、流线微分方程 速度矢量 u uxi uy j uzk
通过该点流线上的微元线段
流体质点的位移
x x(a，b，c，t) y y(a，b，c，t) z z(a，b，c，t)
速度表达式 加速度表达式
ux
ux (a,b, c,t)
x(a,b, c,t) t
y(a,b, c,t)
uy uy (a,b, c,t)
t
uz
uz (a,b, c,t)
z(a,b, c,t) t
ax
欧拉是18世纪数学界最杰出的人物之一， 他不但为数学界作出贡献，更把数学推至几 乎整个物理的领域。他是数学史上最多产的 数学家，平均每年写出八百多页的论文，还 写了大量的力学、分析学、几何学、变分法 等的课本，《无穷小分析引论》、《微分学 原理》、《积分学原理》等都成为数学中的 经典著作。欧拉对数学的研究如此广泛，因 此在许多数学的分支中也可经常见到以他的 名字命名的重要常数、公式和定理。
第三章流体运动学
§3-1研究流体运动的方法 §3-2流场的基本概念 §3-3流体的连续性方程 §3-4流体微团的运动 §3-5速度势函数及流函数 §3-6简单平面势流 §3-7势流叠加原理
流体力学-第三章
二 均匀流和非均匀流 渐变流和急变 流
按各点运动要素（主要是速度）是否随位置变化，可将流体 运动分为均匀流和非均匀流。在给定的某一时刻，各点速度 都不随位置而变化的流体运动称均匀流。均匀流各点都没有 迁移加速度，表示为平行流动，流体作匀速直线运动。反之， 则称为非均匀流。
按限制总流的边界情况，可将流体运动分为有压流、无压流和射 流。
边界全为固体的流体运动称为有压流或有压管流。 边界部分为固体、部分为气体，具有自由表面的液体运动称为 无压流或明渠流。 流体经由孔口或管嘴喷射到某一空间，由于运动的流体脱离了 原来限制他的固体边界，在充满流体的空间继续流动的这种流 体运动称为射流。
四 三维流（三元流）、二维流（二元流）、一维流（一元流）
按决定流体的运动要素所需空间坐标的维数或空间坐标变量的 个数，可将流体运动分为三维流、二维流、一维流。
若流体的运动要素是空间三个坐标和时间t的函数，这种流体运 动称为三维流或三元流。
若流体的运动要素是空间两个坐标和时间t的函数，这种流体运 动称为二维流或二元流。
拉格朗日法来研究流体运动，就归结为求出函数x（a, b, c, t）, y (a, b, c, t), z (a, b, c, t)。（1）由于流体运动的复杂，要想求 出这些函数是非常繁复的，常导致数学上的困难。（2）在大多 数实际工程问题中，不需要知道流体质点运动的轨迹及其沿轨迹 速度等的变化。（3）测量流体运动要素，要跟着流体质点移动 测试，测出不同瞬时的数值，这种测量方法较难，不易做到。
3 脉线
脉线又称染色线，在某一段时间内先后流过同一空间点的所 有流体质点，在既定瞬时均位于这条线上。
在恒定流时，流线和流线上流体质点的迹线以及脉线都相互 重合。
工程流体力学第3章-运动学2013.
（2）不可压定常流流束和总流的连续性方程
1v1dA 1 2 v2 dA2
A1
v dA v dA
1 1 1 2 2 A2
2
1V1A1 2 V2 A 2
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基 本 概 念
3.3 迹线、流线、流管、流量等
（1）迹线：是拉格朗日观点下描述流动的曲线， 是一段时间内给定质点在空间走过的轨迹。
当速度场u,v,w给定时，迹线微分方程可写为：
dx dy dz u, v, w, 其中 t是自变量 dt dt dt
上式对时间 t 积分后可得迹线的参数方程。
ay
v v v v 1 1 y u v w 0 y 0 t x y z 2 2 4
w w w w y xy u v w x 2 y 2 y x 0 x 2 y3 t x y z 2 2
az
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（3）流面，流管，流束；流束的极限是流线。 （4）流量：体积流量和质量流量
QV (V .n)dA Vn dA V cos dA
A A A
平均速度： V
（5）其它概念：
QV / A
V cos dA
A
A
有效截面、湿周、水力半径、当量直径
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连续性方程
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三
流体运动学
3.1 流场及描述方法 （1）流场：流体质点运动的全部空间。 （2）描述流体运动的参数，如速度、加速度等， 均为所选坐标的连续函数 。 （3）流体运动的描述方法：Lagrange法和 Euler法
流体力学与传热：3-1_第三章 流体运动学
（2）任意曲线上的速度环量等于曲线两端点上速度势函数值 之差。而与曲线的形状无关。
B
B
B
AB Vds (udx vdy wdz) d B A
A
A
A
对于任意封闭曲线，若A点和B点重合，速度势函数是单
值且连续的，则流场中沿任一条封闭曲线的速度环量等于零，
即 AB 0 。
（3）在空间无旋流场中，势函数相等的面为等势面；在平面 无旋流动中，势函数相等的线是等势线。
vx
x
vy
y
vz
z
若流动无旋，则存在速度势
n
右手法则
是有向曲面 的
正向边界曲线
证明 如图
设Σ与平行于z 轴的直线
z n
:z f (x, y)
相交不多于一点, 并Σ取
上侧,有向曲线 C 为Σ的正
向边界曲线 在 xoy 的投 影.且所围区域Dxy . x
o
Dxy C
y
定理 设G是空间一维单连域，P,Q, R在G内具有
x
4x
y
0
该流动无旋，存在速度势函数。
（2）由流函数的全微分得：
d
x
dx
y
dy
uydx
uxdy
4
ydx
4xdy
积分
4xy C
由速度势函数的全微分得：
d
x
dx
y
dy
uxdx
uydy
different directions of motion.
• 代入流线微分方程式中，得
dx dy 0
x
y
• 即 d 0
• 所以 C
• 上式说明流函数的等值线与流线重合。
工程流体力学-第三章
三、流管、流束和总流
1. 流管：在流场中任取一不是流 线的封闭曲线L，过曲线上的每 一点作流线，这些流线所组成的 管状表面称为流管。 2. 流束：流管内部的全部流体称 为流束。 3. 总流：如果封闭曲线取在管道 内部周线上，则流束就是充满管 道内部的全部流体，这种情况通 常称为总流。 4. 微小流束：封闭曲线极限近于 一条流线的流束 。
ax
dux dt
dux (x, y, z,t) dt
ux t
ux
ux t
uy
ux t
uz
ux t
ay
du y dt
duy (x, y, z,t) dt
u y t
ux
u y t
uy
u y t
uz
u y t
az
du z dt
duz (x, y, z,t) dt
x x(a,b,c,t)
y y(a,b,c,t)
z z(a,b,c,t)
欧拉法中的迹线微分方程
速度定义
u dr (dr为质点在时间间隔 dt内所移动的距离) dt
迹线的微分方程
dx dt
ux (x, y, z,t)
dy dt uy (x, y, z,t)
dz dt uz (x, y, z,t)
说明： （1）体积流量一般多用于表示不可压缩流体的流量。 （2）质量流量多用于表示可压缩流体的流量。
(3) 质量流量与体积流量的关系
Qm Q
(4) 流量计算 单位时间内通过dA的微小流量
dQ udA
通过整个过流断面流量
Q dQ udA A
水力学 第三章 流体运动学
4
2、速度(velocity)
x xa , b, c, t ux t t y y a , b, c, t uy t t z z a , b, c, t uz t t
（1）若(a，b，c)为常数，t 为变数，可得某个指定质点在任何 时刻的速度变化情况 。 （2）若 t 为常数，(a，b，c)为变数，可得某一瞬时流体内部各 质点的速度分布。
ux
u y
uy
u y
uz
u y
斯托克斯(Stokes) 表示式
Du u a (u )u Dt t
全加速度， 随体导数， 质点导数， （material derivative) 当地加速度， 时变导数 (Local derivative) 迁移加速度， 位变导数 (Convective derivative)
拉格朗日法的优点：物理意义较易理解 。 拉格朗日法的缺点：函数求解繁难；测量不易做到。
§3-1 描述流体运动的两种方法
6
3-1-2 欧拉法
一、欧拉法（Euler Method）
从分析通过流场中某固定空间点的流体质点的运动着手，设法 描述出每一个空间点上流体质点运动随时间变化的规律。 运动流体占据的空间，称流场(flow field)。通过流场中所有 空间点上流体质点的运动规律研究整个流体运动的状况，又称流场 法。
15
例3-1 已知流体质点的运动，由拉格朗日变数表示为: (t ) (t ) x a cos 2 b sin 2 2 a b a b2 (t ) (t ) y b cos 2 a sin 2 2 a b a b2 式中， (t ) 为时间，的某一函数。试求流体质点的迹线。
第三章运动学基础
第三章流体运动学基础一、学习导引1、流体的速度流体的速度是一个矢量，记作V 。
x , y , z 方向的速度分量分别记作u , v , w ,即V ui vj wk ，流场的速度分布与空间坐标 x ，y ，z 以及时间t 有关，即u v r cos v sin ,v v r sin v cos v r u cos vsin ,v usinvcos3、连续性方程工程上常用的不可压缩流体的一元总流连续性方程为V 宀 V 2 A 2微分形式的连续性方程为_( u) ( V) ( w) 0t x yz对于不可压缩流体，连续性方程为V V(x,y,z,t)流体质点的加速度等于质点速度对时间的变化率，即dV V V dx V dy V dz adt t x dt y dtzdtt xyz投影形式：uuu ua x uv-w —— tx y z vv v v a y u — v- — w — tx y z www w a zuvw txy z2、流线微分方程在直角坐标中，流线方程为dx dy dzuv w在柱坐标中，流线方程为dr rddzv r vv zu —— v —— w 对于平面流动，这两种坐标系的速度分量的关系分别为u 12i 2j从而3.1 度, 3.2u v x yw0 z二、习题详解流体在等截面直圆管内作层流流动，过流断面上的流速分布为2U Umax 1—式中R 表示圆管的内半径，U max 和U 分别表示断面上的最大流速和断面上的分布速 R 。
求断面平均流速。
u ，则Ru 2 r dr0 r解：设管中平均速度为 R 2—Umax2流体在等截面直圆管中作湍流流动，过流断面上的流速分布为U U max式中n 为常数，R 、U max 及U 的意义与上题相同。
求平均流速；若n=7,平均流速为多少?解： U当n 7时：3.3已知速度场为U (2x 2y)i ( y x)j (x z)k求：(2,4,2 )点的速度(大小和方向)。
第三章流体运动学
于是，对（3-1）式，速度表示为
d x x x(a, b, c, t ) vx x(a, b, c, t ) d t t t d y y y (a, b, c, t ) vy y(a, b, c, t ) d t t t d z z z (a, b, c, t ) vx z (a, b, c, t ) d t t t
vz 0
解：由vz=0，为二元流动，代入流线方程
dx 2 dy 2 2 (x y ) (x y2 ) ky kx
y v vy vx o x
k 0, x d x y d y 0
积分：
x y C
2 2
为以原点为圆心的圆。 因k>0，则 当x 0, y 0时
vx 0, v y 0
4、过流断面、湿周、水力半径、当量直径
与流束或总流中所有流线均垂直的断面，称过 流断面，面积用A表示。 在总流的过流断面上，与流体相接触的固体壁 面边壁周长称湿周，用χ表示[kai]。 总流过流断面积与湿周之比称水力半径，用R表 示。
4倍总流过流断面积与湿周之比称当量直径，用 de表示。
对圆管半充满
（3-4）
在不同时刻，给点上的原质点由其它质点替换而 出现不同，欧拉法不随质点走，只固定位置。 欧拉法应先确定v的表达式，而拉格朗日法先确 定x，y，z的关系式，然后给出速度。虽然变量 不同，但描述的核心不变，只是方法不同，数 学表达不同罢了。
其向量表示为：a v (v )v t
( vx ) v x vx x x x
( v y ) y vy y y v y
（3-9）
即为直角坐标系下的连续性方程。
流体力学 第三章
（1）有压流动 总流的全部边界受固体边界的约束， 即流体充满流道，如压力水管中的流动。
（2）无压流动 总流边界的一部分受固体边界约束，另 一部分与气体接触，形成自由液面，如明渠中的流动。
图 3-1 流体的出流
一、定常流动和非定常流动
这种运动流体中任一点的流体质点的流动参数(压强和 速度等)均不随时间变化，而只随空间点位置不同而变化的 流动，称为定常流动。
现将阀门A关小，则流入水箱的水量小于从阀门B流出的 水量，水箱中的水位就逐渐下降，于是水箱和管道任一点流 体质点的压强和速度都逐渐减小，水流的形状也逐渐向下弯 曲。
（2）如果流体是定常的，则流出的流体质量必然等于流 入的流体质量。
二、微元流束和总流的连续性方程 在工程上和自然界中，流体流动多数都是在某些周界
所限定的空间内沿某一方向流动，即一维流动的问题。 所谓一维流动是指流动参数仅在一个方向上有显著的
变化，而在其它两个方向上的变化非常微小，可忽略不计。 例如在管道中流动的流体就符合这个条件。在流场中取一 微元流束如图所示。
图 3-6 流场中的微元流束
假定流体的运动是连续、定 常的，则微元流管的形状不随时 间改变。根据流管的特性，流体 质点不能穿过流管表面，因此在 单位时间内通过微元流管的任一 过流断面的流体质量都应相等， 即
ρ1v1dA1=ρ2v2dA2=常数 dA1 、dA2—分别为1、2两个过 图 3-6 流场中的微元流束 流断面的面积，m2；
§ 3-1描述流体运动的两种方法
连续介质模型的引入，使我们可以把流体看作为由无 数个流体质点所组成的连续介质，并且无间隙地充满它所 占据的空间。
《流体力学》流体运动学
流体力学辅导材料3：第3章流体运动学【教学基本要求】1.了解描述流体运动的两种方法。
了解迹线与流线的概念。
掌握欧拉法质点加速度的表达式。
2.理解总流、过流断面、流量、断面平均流速的概念；理解定常流与非定常流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流、有压流与无压流。
3.熟练掌握总流的连续性方程。
4.理解无旋流与有旋流，掌握其判别方法。
5. 掌握流函数、速度势函数与速度的关系。
知道流网法、势流叠加法解平面势流的原理。
【学习重点】1.流线与迹线；质点加速度的欧拉表述法。
2.总流的连续性方程。
3.无旋流与有旋流的判别。
4.流函数、速度势与流速的关系。
【内容提要和学习指导】3.1 流动描述3.1.1 描述流动的两种方法描述流动的方法有拉格朗日法和欧拉法。
1. 拉格朗日（Lagrange）法：拉格朗日法以研究个别流体质点的运动为基础，通过对每个流体质点运动规律的研究来获得整个流体的运动规律。
这种方法又称为质点系法。
拉格朗日法的基本特点是追踪单个质点的运动。
此法概念明确，但复杂。
一般不采用拉格朗日法。
2. 欧拉（Euler）法：欧拉法是以考察不同流体质点通过固定的空间点的运动情况来了解整个流动空间内的流动情况，即着眼于研究各种运动要素的分布场。
这种方法又叫做流场法。
欧拉法中，流场中任何一个运动要素可以表示为空间坐标和时间的函数。
例如，在直角坐标系中，流速v是随空间坐标)yx和时间t而变化的，称为流速场。
,(z,用欧拉法描述流体运动时，质点加速度等于时变加速度和位变加速度之和，表达式为：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫∂∂+∂∂+∂∂+∂∂==∂∂+∂∂+∂∂+∂∂==∂∂+∂∂+∂∂+∂∂==z u u yu u xu u tu dtdu a z u u y u u x u u t u dt du a z u u y u u x u u t u dt du a z z z yz xz zy y z y y y x y yy x zx y x x x xx （3-6）3.1.2 迹线与流线在研究流动时，常用某些线簇图像表示流动情况。
北航水力学第三章—流体运动学
自然界和工程实际中，流体大多数处于流动状态，流体 的流动性是流体在存在状态上与固体的最基本区别。
本章介绍研究流体运动的两种方式；以及相应的运动要素表达；迹线流线 等概念；连续性方程；有旋运动与无旋运动；环量与涡量概念
第三章 流体运动学
第一节 描述流体运动的方法
描述流体运动形态和方式：拉格朗日法和欧拉法
三元流：流动参数是三个空间坐标函数, ux ux (x, y, z,t) uy uy (x, y, z,t) uz uz (x, y, z,t)
实际流动一般都是三元流动。 三元流分析时分析起来十分复杂，一般我们设法将其简化为二元流或一元 流。简化过程中要引进修正系数，修正系数可通过实验方法来确定。
ux uy uz 0 x y z
得
uz (ux uy ) 2(x y)
z
x y
积分得
uz z
dz
2(x
y)dz
得 uz 2(x y)z c 其中，c可为某一常数，也可以是与 z 无关的某一函数 f (x, y)
所以 uz 2(x y)z f (x, y)
(3)
ux 2ln(xy)
uy
3y x
uz 4
(4) ux x2 z2 5 uy y2 z2 3
解： (1)
ux uy uz 2 11 0 x y z
满足
(2)
ux uy uz 2x y 2 y 0
x y z
三维定常流：流动参数是三个空间坐标函数，与时间无关
ux ux (x, y, z) uy uy (x, y, z) uz uz (x, y, z)
水力学第三章 流体运动学
流速场： u
=u( x, y, z)
du dt
质 点 加 速 度
=
u t
+
(u )u
位变 加速度
由流速不均 匀性引起
时变加速度 由流速 不恒定 性引起
u du a= = +(u )u t dt
分量 形式
ux ux ux ux d u x = ax = +u x +u y +u z t x y z dt uy uy uy uy d u y= ay= +ux +u y +uz t x y z dt uz uz uz uz d u z = az = +u x +u y +u z t x y z dt
不可压
d =0 dt
=const
是其特例
§3—2 有关流场的几个基本概念
一. 恒定流、非恒定流
• 若流场中各空间点上的
任何运动要素均不随时间 变化，称流动为恒定流。 否则，为非恒定流。 例如，恒定流的
•
恒定流中，所有物 理量的欧拉表达式中 将不显含时间，它们 只是空间位置坐标的 函数，时变导数为 零。 定流的时变加速 ••恒恒 定流的时变加速 度为零，但位变加速 度为零，但位变加速 度可以不为零。 度可以不为零。
r (a , b, c, t ) d r ( a, b, c, t ) u ( a, b, c, t ) = = t dt
u(a, b, c, t ) 2 r( a , b , c, t ) d u(a, b, c, t ) a (a , b , c , t ) = = = t t2 dt
第三章 流体运动学讲解
1 v1
2
3 3
v3
4 v4
v2 1
2
解：由题意 v4 A4 4 v4 4
v1
4
取过水断面1-1到3-3和4-4间 为对象
有： Q1 Q3 Q4 所以：
Q3 Q1 Q4
取过水断面1-1到2-2 为对象
4
有： v1 A1 v2 A2
试检查流动是否满足连续条件。
解：代入连续性方程，看是否满足连续性条件：
(2 x) (2 y ) (1) 22 0 x y
满足连续性条件
(0) (3xy) (2) 0 3x 0 x y
不满足连续性条件，说明该流动不存在。
见“流体力学课内练习”
例：不可压缩二维流动的流速分量为 ux x 4 y, u y y 4x 求 （1）流动是否存在，若存在，写出流函数表达式；（2）流 动是否有势，若有势，写出速度势表达式。 解：（1） （2） u y 4, u x 4 x y u x u y 1 u y u x 1 (1) 0 z ( )0 x y 2 x y
3-2 描述流体运动的基本概念 一、流管、元流和总流 1、流管
在流场中任取一封闭曲线，通过此封闭曲线上的每 一点作某一瞬时的流线，由这些流线所构成的管状曲 面称为流管。（P44图3-5）
2、元流 当封闭曲线所包围的面积无限小时，充满微小流管内 的液流称为元流。 3、总流 当封闭曲线取在运动液体的边界上时，则充满流管内 的整股液流称为总流。
5、掌握流函数、速度势函数与速度的关系。
3-1 1、拉格朗日法
流动描述
一、描述流体运动的两种方法
拉格朗日法又称质点系法，它是跟踪并研究每一个 液体质点的运动情况，把它们综合起来掌握整个液体 运动的规律。 在固体力学中应用较多。 2、欧拉法
流体力学-第3章
ux
uy
E
u x dx u x dy u x dz ux x 2 y 2 z 2 u x dx u x dy u x dz ux x 2 y 2 z 2 ux u x dx u x dy u x dz x 2 y 2 z 2
v1
v2
s1
s2
v1
折点
v2
s
注1：在非恒定流情况下，流线会随时间变化。在恒定流情况下， 流线不随时间变，流体质点将沿着流线走，迹线与流线重合。故： 恒定流中流线与迹线重合，非恒定流中流线与迹线不重合
流线动画
注2：迹线和流线最基本的差别是：迹线是同一流体质点在 不同时刻的位移曲线，与拉格朗日观点对应，而流线是同 一时刻、不同流体质点速度矢量与之相切的曲线，与欧拉 观点相对应。即使是在恒定流中，迹线与流线重合，两者 仍是完全不同的概念。
恒定流动 质量守恒定律
1v1 A1dt 2 v2 A2 dt 3v3 A3 dt vAdt
1v1 A1 2 v2 A2 3v3 A3 vA
不可压缩流体 1 2 3
v1 A1 v2 A2 v3 A3 vA Q
同理： 任一元流断面：dA1，d A2， …… 对应流速： u1， u2， ……
Qm
例6 如图气流压缩机用直径d1=76.2mm的管子吸入密度 ρ1=4kg/m3的氨气，经压缩后，由直径d2=38.1mm的管子以 v2=10m/s的速度流出 ，此时密度增至ρ2=20kg/m3 。求（1）质 量流量；（2）流入流速。 v
1
解：（1）质量流量为
Qm Q 2 v2 A2 20 10
一、流动的分类
1、恒定流和非恒定流(定常流和非定常流) 恒定流动：流动参量不随时间变化的流动。 u u ( x, y , z )
水力学-第3章流体运动学 - 发
dx dy ux (x, y, z,t) uy (x, y, z,t)
将两个分速度代入流线微分方程（上式），得到
dx dy ky kx
xdx ydy 0 积分 x2 y2 c
即流线簇是以坐标原点为圆心的同心圆。
流线的基本特性
• 流线的特性 – 流线一般不相交
§3.1 研究流体运动的两种方法
怎样描述整个流体的运动规律呢？
拉格朗日法
欧拉法
§3.1 研究流体运动的两种方法
1.拉格朗日法
拉格朗日法: 从分析流体质点的运动入手，设法描述出每一 流体质点自始至终的运动过程，即它们的位置随时间变化的 规律，综合流场中所有流体质点的运动情况，来获得整个流 体运动的规律。
§3.1 研究流体运动的两种方法 迹线、流线和脉线
• 迹线
– 一个流体质点在一段连续时间内在空间运动的轨迹
线，它给出同一质点在不同时刻的速度方向
• 迹线方程
拉格朗日法
欧拉法
x x(a,b,c,t) y y(a,b,c,t)
z z(a,b,c,t)
a,b,c确定后，消去t 后可得迹线方程
dx uxdt dy uydt dz uzdt
(x, y, z) :
(a, b, c , t ) :
质点起始坐标 任意时刻 质点运动的位置坐标 拉格朗日变数
欧拉法
(x, y, z) : t:
(x, y, z , t ) :
空间固定点（不动） 任意时刻 欧拉变数
§3.1 研究流体运动的两种方法
液体质点通过任意空间坐标时的加流速
a x
du ( x, y, z, t) x dt
第3章流体运动学上PPT课件
3.2 描述流体运动的两种方法
3.2.1 Lagrange法
1.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
2.拉格朗日变数：（a,b,c,t）——区分流体 质点的标志
3.质点物理量：B(a,b,c,t)， 如：
pp(a,b,c,t) (a,b,c,t)
3.2 描述流体运动的两种方法
3.2 描述流体运动的两种方法
3.2.0 流体质点和空间点
•流体质点：是个物理点，它是在 两者相互关系：流场
连续介质中取出的，在几何尺寸 中空间某一点，先后由 上无限小，可以看作一点，但包 不 同 的 流 体 质 点 所 占 含许多分子，具有一定物理量。 据；流体质点物理量会
发生变化，而空间点是
•空间点：几何点，表示空间位置 不动的。
Reynolds数的物理意义：
惯性力 Re 粘性力
惯性使扰动放大，导致湍流，粘性抑制扰动使流动保持稳定。 当 Re 时，流动趋于理想流体运动。
2. 机翼绕流风洞试验
机翼绕流流场的特点：
流线(streamline)： 上翼面：流线密 下翼面：流线稀
(a) Re~1
3. 卡门涡街(Karman vortex street)
第3章 流体运动学
(Fluid Kinematics)
第3章 流体运动学
从几何的观点研究流体的运动，不 讨论运动产生的动力学原因。
ma F
rrx,y,z,t vvx,y,z,t aax,y,z,t
3.1 流动图形观察 (flow visualization)
观察几个典型流动，感受实际流动现象和特征。 圆管流动——流动状态 机翼绕流——升力、阻力 圆柱绕流——涡激振荡
3工程流体力学 第三章流体运动学基础
个流动区域上的所有质点的流动。
§3-3 迹线、流线和染色线，流管（续16）
三、湿周、水力半径
1.湿周x 在总流过流断面上，液体与固体相接触的线
称为湿周。用符号x 表示。
2.水力半径R
总流过流断面的面积A与湿周的比值称为水Βιβλιοθήκη 力半径。R A x
注意：水力半径与几何半径是完全不同的两个概念。
这是两个微分方程，其中 t 是参数。 可求解得到两族曲面，它们的交线就是 流线族。
§3-3 迹线、流线和染色线，流管（续10）
例3-1 已知直角坐标系中的速度场 u=x+t； v= -y+t；w=0,
试求t = 0 时过 M(-1,-1) 点的流线。
解：由流线的微分方程：
dx d y dz u vw
§3-3 迹线、流线和染色线，流管（续5）
因为u不随t变，所以同一点的流线 始终保持不变。即流线与迹线重合。
某点流速的方向是
流线在该点的切线方向 A
B
流速的大小由流 线的疏密程度反映
uA=uB ?
§3-3 迹线、流线和染色线，流管（续6）
迹线与流线方程 采用拉格朗日方法描述流动时，质
点的运动轨迹方程:
试求t = 0 时过 M(-1,-1) 点的迹线。
解：由迹线的微分方程：
dx d y dz dt u vw
u=x+t；v=-y+t；w=0
dx xt dt
d y y t
dt
求解
x C1 et t 1
t = 0 时过 M(-1,-1)：C1 = C2 = 0 y C2 et t 1 x= -t-1 y= t-1 消去t，得迹线方程： x+y = -2
流体力学第3章流体运动学
第3章流体运动学选择题:.2dr v【3.1】用欧拉法表示流体质点的加速度a等于：（a）dt2；（b）t；（c）（v ）v；v（V ）v（d）t odv va —— v解：用欧拉法表示的流体质点的加速度为dt t v（d）【3.2】恒定流是：（a）流动随时间按一定规律变化；（b）各空间点上的运动要素不随时间变化；（c）各过流断面的速度分布相同；（d ）迁移加速度为零。
解：恒定流是指用欧拉法来观察流体的运动，在任何固定的空间点若流体质点的所有物理量皆不随时间而变化的流动•（b）【3.3】一元流动限于：（a ）流线是直线；（b ）速度分布按直线变化；（c）运动参数是一个空间坐标和时间变量的函数；（d）运动参数不随时间变化的流动。
解：一维流动指流动参数可简化成一个空间坐标的函数。
（c）【3.4】均匀流是：（a）当地加速度为零；（b ）迁移加速度为零；（c）向心加速度为零；（d）合加速度为零。
解：按欧拉法流体质点的加速度由当地加速度和变位加速度（亦称迁移加速度）这两部分组成，若变位加速度等于零，称为均匀流动（b）【3.5】无旋运动限于：（a）流线是直线的流动；（b）迹线是直线的流动；（c）微团无旋转的流动；（d ）恒定流动。
解：无旋运动也称势流，是指流体微团作无旋转的流动，或旋度等于零的流动。
（d ）【3.6 ］变直径管，直径d i 320mm, d2 160mm，流速V i 1.5m/s。
V2 为：（a ）3m/s ； ( b) 4m/s ； ( c)6m/s ； ( d ) 9m/s。
V| — d；V2— d；解：按连续性方程，4 4 ，故V V虫1.5 320 6m/sd2160【3.7】平面流动具有流函数的条件是：（a）理想流体；（b）无旋流动；（c）具有流速势；（d）满足连续性。
解：平面流动只要满足连续方程，则流函数是存在的。
（d）【3.8】恒定流动中，流体质点的加速度：（a）等于零；（b）等于常数；（c）随时间变化而变化；（d）与时间无关。
第三章：流体运动学
欧拉型连续方程式的积分形式，物理意义是：单位时间内控制体内流体质量的增减，等于同一时间内进出控制面的流体质量净通量。
使用高斯定理，将其面积分变为体积分：
第一项的微分符号移入积分号内得
所以得：
积分域τ是任取的，必有：
上式即欧拉型连续方程的微分形式。
§３-４流体微团运动的分析
流体微团的运动比较复杂，具有平移，转动，变形运动。微团的运动速度也相应地由平移速度、变形速度和转动角速度所组成。
过水断面：流管的垂直截面，
流量：每秒钟通过过水断面的体积。
微小流管的流量积分：
平均流速：
用实验方法量出体积流量Ｑ，除以σ得平均流速Ｕ。
五、条纹线
举例烟囱的流动来说明。
轨迹线、流线、条纹线这三条线中，流线最为重要。
§３-３连续性方程式
连续性方程式：质量守恒定律在流体力学中的表达式。
一、一元运动的连续性方程式
§３-２几个基本概念
一、定常运动与非定常运动
定常运动：任意固定空间点处所有物理量均不随时间而变化的流动，反之称为非定常运动。
对于定常运动，所有的物理量不随时间而变化，仅是空间坐标（ｘ，y，ｚ）的函数：
ｖｘ＝ｖｘ（ｘ，ｙ，ｚ）
ｖｙ＝ｖｙ（ｘ，ｙ，ｚ）
ｖｚ＝ｖｚ（ｘ，ｙ，ｚ）
ｐ＝ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）
ρ＝ρ（ｘ，ｙ，ｚ）
３）质点的加速度
４）由质点一般运动规律
可求得拉格朗日变数ａ与ｂ的表达式为
代回拉格朗日法表示的速度表达式，得欧拉法表示的速度表达式：
欧拉法表示的加速度：
应用欧拉法研究流体运动，又有两种处理方法。一种是在流场空间取一微元体（如六面体），分析流体通过该微元体时流体微团的运动规律，建立流体运动时各种微分方程式。因此这种方法叫微分法。另一种方法是在流场中取一有限的任意形状的固定控制体（其边界封闭曲面称为控制面），分析流体通过该控制体时的运动规律，建立流体运动时各种整体关系式（即积分方程式），这种方法叫控制体方法，或称积分方法。
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第三章 流体运动学3－1 已知流体质点的运动，由拉格朗日变数表示为 x =ae kt，y =be -kt，z =c ，式中k 是不为零的常数。
试求流体质点的迹线、速度和加速度。
解：（1）由题给条件知，流体质点在z=c 的平面上运动，消去时间t 后，得xy =ab上式表示流体质点的迹线是一双曲线族：对于某一给定的（a ，b ）,则为一确定的双曲线。
（2）0kt kt x y z x y z u kae u kbe u t t t-∂∂∂====-==∂∂∂，， （3）220y ktkt x z x y z u u u a k ae a k be a t t t-∂∂∂======∂∂∂，， 3－2 已知流体运动，由欧拉变数表示为u x =kx ，u y =－ky ，u z =0，式中k 是不为零的常数。
试求流场的加速度。
解：2d d x x x x x x x y z u u u u ua u u u k x t t x y z ∂∂∂∂==+++=∂∂∂∂ 2d d y y u a k y t ==，d 0d z z ua t==3－3 已知u x =yzt ，u y =zxt ，u z =0，试求t =1时流体质点在（1，2，1）处的加速度。
解：2()3m/s x x x x x x y z u u u ua u u u yz zxt zt t x y z ∂∂∂∂=+++=+=∂∂∂∂ 2()3m/s y y y y y x y z u u u ua u u u zx yzt zt t x y z ∂∂∂∂=+++=+=∂∂∂∂0z z z z z x y z u u u ua u u u t x y z∂∂∂∂=+++=∂∂∂∂3－4 已知平面不可压缩液体的流速分量为u x =1－y ，u y =t 。
试求（1）t =0时，过（0，0）点的迹线方程；（2）t =1时，过（0，0）点的流线方程。
解：（1）迹线的微分方程式为d d d d d d d d d d y x y x yx y x yt t t y u t t t u u u u ======，，，， 积分上式得：122C t y +=，当t=0时，y=0，C 1=0，所以22t y =(1)2d d (1)d (1)d 2x t x u t y t t ==-=-，积分上式得：236C t t x +-=当t =0时，x =0，C 2=0，所以63t t x -=(2)消去（1）、（2）两式中的t，得x =有理化后得 023492223=-+-x y y y（2）流线的微分方程式为d d d d d (1)d 1===--，即，x y x y x y t x y y u u y t，积分上式得 C y y tx +-=)2(2当t =1时，x =y =0，C =0，所以可得：)2(12y y t x -=（为非恒定流） 3－5 已知u x ＝x ＋t ，u y ＝－y ＋t ，u z ＝0，试求t ＝2时，通过点A （－1，－1）的流线，并与例3－3相比较。
解：由例3－3可得：()()x t y t C +-+=当t =2，x =－1，y =－1，C =3。
因此，通过点A （－1，－1）的流线为 3)2)(2(=+-+y x上式不同于例3－3，即当t =0时通过A 点的流线为xy ＝1，说明不同时刻的流线不同。
3－6 试求例3－6流体运动的流线方程和流体质点通过点A （1，0）流线的形状。
解：例3－6流体运动如题3-6图所示 22yx ky u x +-=，22y x kxu y += 流线方程：2222d ()d ()x x y y x y ky kx -++=2222d ()d ()0kx x x y ky y x y +++= 2222d()()02k x y x y +?=积分，得122)(2C y x k =+，222)(C y x =+圆心（0，0），半径2C R =。
当x =1，y =0，代入上式得C 2=1。
（22y x +）=1， 为一圆，因是恒定流，不同时间为同一圆。
3－7 已知22y x kyt u x +-=，22y x kxtu y+=，z u =0，式中k 是不为零的常数。
试求：（1）流线方程，（2）t =1时，通过点A （1，0）流线的形状，（3）将求得的流线方程与习题3－6求得的流线方程相比较，它们有什么异同。
解：z u =0，为平面（二维）流动。
（1）流线方程 d d x y x y u u = 将x u 、y u 代入上式，得 2222()d d x y x y x y kyt kxt-++= 2222()d ()d x y x kxtx y y kyt -+?+?2222()d ()d 0x y kxt x x y kyt y +++=22()(d d )0kt x y x xy y +?=，22221()d()02kt x y x y ++=积分得221()2kt x y C +=，流线方程一般形式：222()x y t C +=。
（2）t=1，x=1，y=0，代入上式，得C 2=1；流线为22y x +=1，流线的形状为一圆。
题3-6图（3）因是非恒定流，不同时间为不同的圆，如t=2，x=1，y=0，C 2=2，222(2)x y +=3－8 试证明下列不可压缩均质流体运动中，哪些满足连续性方程，哪些不满足连续性方程。
（1）u x ＝－ky ，u y ＝kx ，u z ＝0；（2）u x ＝kx ，u y ＝－ky ，u z ＝0；（3）u x ＝22yx y+-， u y ＝22y x x+，u z ＝0；（4）u x ＝ay ，u y ＝u z ＝0；（5）u x ＝4，u y ＝ u z ＝0；（6）u x ＝1，u y ＝2；（7）u x ＝4x ，u y ＝0；（8）u x ＝4xy ，u y ＝0。
解：平面流动中，不可压缩均质流体的连续性方程为0=∂∂+∂∂yu x u yx （1）0＋0＝0；（2）k －k =0；（3）0)(2)(2222222=+-+y x xyy x xy ；（4）0＋0＝0； （5）0＋0＝0，（6）0＋0＝0；（7）4＋0≠0，（8）4y ＋0≠0。
（1）~(6)的流体运动满足连续性方程；（7）、（8）的流体运动不满足连续性方程，实际上流动是不能实现的。
3－9 已知水平圆管过流断面上的流速分布为2max 01()r u u r 轾犏=-犏臌，u max 为管轴处最大流速，r 0为圆管半径，r 为点流速u 距管轴的径距。
试求断面平均速度v 。
解：02max 20001112d π⎡⎤⎛⎫⎢⎥==- ⎪π⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎰⎰r A r v udA u r r A r r0222max max 00max 2220000022πd d 0.5ππ24⎡⎤⎡⎤π=-=-=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎰⎰r r u u r r r r r r r u r r r 3－10 已知水平圆管过流断面上的流速分布为71max )(r yu u x =，u max 为管轴处最大流速，0r 为圆管半径，y 为点流速u x 距管壁的距离。
试求断面平均流速v 。
解：017max00d 2π()()d r xAyQ u A u r y y r ==-⎰⎰087157max 01702π77815ru r y y r =-2max 049π60u r = 2max 0max max 2049149π0.8176060Q v u r u u A r p ====。
3－11 设一有压管流经圆管进入圆锥形的收敛管嘴，如图所示。
已知圆管直径d A ＝0.2m ，流量Q ＝0.014m 3/s ；d B ＝0.1m 。
试求经过圆管内点A 和收敛管嘴内点B 的过流断面的平均流速v A 、v B 。
注：经过点B 的过流断面面积，可近似地视为球缺或球冠表面积，为2πRh （不包括底面面积）。
解：Av=AQA=22440.014m/s0.45m/sππ0.2⨯==⨯AQd经过点B的过流断面面积，可近似地视为球缺面积A B＝2πRh，式中h＝（0.05－0.05cos450）m =0.015m，Ｒ＝0.05m。
因此0.014m/s 2.97m/s20.050.015BBQvAπ===⨯⨯3－12 送风管的断面面积为50 cm×50cm，通过a、b、c、d四个送风口向室内输送空气，如图所示。
已知送风口断面面积均为40 cm×40cm，气体平均速度均为5m/s，试求通过送风管过流断面1－1、2－2、3－3的流量和流速。
解：Q=vA=5330.40.4m/s0.8m/s⨯⨯=331330.8m/s 2.4m/sQ Q==⨯=，1112.4m/s9.6m/s0.50.5QvA===⨯332220.8m/s 1.6m/sQ Q==⨯=，2221.6m/s 6.4m/s0.50.5QvA===⨯330.8m/sQ Q==，3330.8m/s 3.2m/s0.50.5QvA===⨯3－13 蒸汽管道如图所示。
已知蒸汽干管前段的直径d0＝50mm，流速v0 ＝25m/s，蒸汽密度ρ0 ＝2.62kg/m3；后段的直径d1＝45mm，蒸汽密度ρ1 ＝2.24kg/m3。
接出的支管直径d2 ＝40mm，蒸汽密度ρ2 ＝2.30kg/m3；试求分叉后的两管末端的断面平均流速ν1、ν2为多大，才能保证该两管的质量流量相等。
解：000111222v A v A v Aρρρ=+（1）111222v A v Aρρ=（2）联立解（1）、（2）两式，可得20012112.62250.05m/s18.05m/s22 2.240.045v AvAρρ⨯⨯===⨯⨯200022222.62250.05m/s22.25m/s22 2.30.04v AvAρρ⨯⨯===⨯⨯3－14 空气以标准状态（温度t0 =15℃，密度ρ0 =1.225 kg/m3，压强p0 =1.013×105Pa）进入压气机，流量Q v为20m3/min；流出时温度t为60℃，绝对压强p为800×103Pa；如果压气机出口处流速ν限制为20m/s。
试求压气机的出口管径d。
解：由状态方程000p PT Tr r=，计算压气机出口处的气体密度ρ，即3330050(27315)800101.225kg/m8.37kg/m (27360) 1.01310T p Tp r r +创==?+创由连续性方程求出口管径d ，因 204v Q v d p r r =，044 1.22520m 0.056m π8.372060v Q d v r r p 创===创?。