流体力学第章流体运动微分方程ppt课件

σxx+
xz+
әxz
әx dx
dz
әσxx
әx
dx
dx zx
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对流体微团应用牛顿第二定律，则沿x轴 方向的运动微分方程为
fx
dxdydzxxd
ydz
(xx
xx
x
dx)dydz
yxdzdx
(
yx
yx
y
dy)dzdx
z
xdxd
y
(
z
x
z x
z
dz)dxdy
dxdydzDvx
Dt
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化简后得
fx1( xxx yyx zzx)D Dxvt
Navier-Stokes方程是不可压流体理论中 最根本的非线性偏微分方程组，是描述不可 压缩粘性流体运动最完整的方程，是现代流 体力学的主干方程 。
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6.3基本微分方程组的定解条件
N-S方程有四个未知数，vx、vy、vz和p，将 N-S方程和不可压缩流体的连续性方程联立，理 论上可通过积分求解，得到四个未知量。一般 而言，通过积分得到的是微分方程的通解，再 结合基本微分方程组的定解条件，即初始条件 和边界条件，确定积分常数，才能得到具体流 动问题的特解。
同理得
fy
1
(
yy
y
zy
z
xy
x
)
Dvy Dt
fz
1(
zz
z
xz
x
yz
y
)
Dvz Dt
——以应力表示的运动方程 19
将切应力和法向应力的关系式
xy
(vx
y
vy x
)
yz
(vz
y
vy z
)
zx
(vx
z
vz x
)
xx
p
2
vx x
yy
p
2
vy y
z
z
p
2
vz z
代入上式的第一式并整理得：
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Dvx Dt
u v 0 x y
则有
AD0
又由于流动无旋，则有
u v y x
则有 BC0
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练习：
有一个三维不可压流场，已知其x向和y向的分 速度为
vx x2 y2z3
vy (xyyzzx)
求其z向的分速度的表达式。当x=0，z=0时，
vz=2y。 答案v： z z22 zx2y 15
6.2不可压缩粘性流体运动微分方程 在运动着的不可压缩粘性流体中取微元平
fx
1
p x
(
2vx x2
2vx y 2
2vx z 2
)
同 理
Dvy Dt
fy
1
p y
(
2vy x2
2vy y 2
2vy z 2
)
得
Dvz Dt
fz
1
p z
(
2vz x2
2vz y 2
2vz z 2
)
Dv
v
(v)v
Dt t
——不可压缩粘性流体的运动微分方程，也
叫Navier-Stokes方程，简称N-S方程。 21
N-S方程
理想流体 欧拉运动 微分方程
欧拉平衡 微分方程
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N-S方程的矢量形式为
tv( v) v f1p2 v
①
②
③
④
⑤
各项意义为：①非定常项； ②对流项； ③单位质量流体的体积力； ④单位质量流体的压力差； ⑤扩散项或粘性力项
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由于引入了广义牛顿剪切定律，故N-S方 程只适用于牛顿流体，处理非牛顿流体问题 时可用以应力表示的运动方程。
行六面体流体微团，作用在流体微元上的各法 向应力和切向应力如图所示。
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σyy+
әσyy
әy
dy
әyx yx+ әy dy
dy y
yz+
әyz
әy dy
zx
σzz
σxx xz
zy+
әzy
әz dz
xy
fy
zy
fz fx
σzz+
әσzz
әz
zx+
әzx
әz dz
yz
dz yx σyy
xy+
әxy
әx dx
0 (1 2 y) 0f(y)
故有 f (y)0
所以
vx(12y)xx2xy
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例题：不可压缩流体的速度分布为
u=Ax+By, v=Cx+Dy, w=0
若此流场满足连续性方程和无旋条件，试求 A，B，C，D所满足的条件。不计重力影响。
13
解：由连续方程可知
u=Ax+By, v=Cx+Dy, w=0
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1.初始条件
对非定常流动，要求给定变量初始时刻t=t0 的空间分布
vx vx0(x, y, z)
vy vz
v v
y z
0 0
( (
x x
, ,
y y
, ,
z z
ຫໍສະໝຸດ Baidu) )
p p 0 ( x , y , z )
显然，对于定 常流动，不需 要初始条件。
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2.边界条件
所谓边界条件，是包围流场每一条边界上的流场 数值。不同种类的流动，边界条件也不相同。流体流 动分析中最常遇到的三类边界条件如下：
ρvz
x
y
5
则输出与输入之差为：
((vx)(vy)(vz))dxdyd
x
y
z
微元体内质量变化率为：
dxdydz
t
6
根据质量守恒原理有：
(vx)(vy)(vz)0
x y z t
或
( v)0
t
该式即为直角坐标系下的连续性方程。由于 未作任何假设，该方程适用于层流和湍流、 牛顿和非牛顿流体。
7
( v)0
t
对不可压缩流体，ρ=常数，有әρ/әt=0，则 连续性方程为
v 0
不可压缩流体的连续性方程不仅形式简单，而 且应用广泛，很多可压缩流体的流动也可按常 密度流动处理。
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在直角坐标系中可表示为
vx vy vz 0 x y z
(柱坐标和球坐标下的连续性方程自学。) 对平面流动
vx vy 0 x y
ρvy
vy
(vy
y
)
dy
vx
(vx
x
)dx ρvz
y
x
4
输入微元体的质量流量：
vxdy dvzydx dvzzdxdy
输出微元体的质量流量为：
(vx
(xvx)dx)dydz(vy
(vy)dy)dxdz
y
(vz
(vz)dz)dxdy
z
z
vz
(vz)
z
dz
ρvx
ρvy
vy
(vy
y
)
dy
vx
(vx
x
)dx
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例题：不可压缩流体的二维平面流动，y方向 的速度分量为
vy y2yx
试求x方向的速度分量，假定x=0时，vx=0。
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vy=y2-y-x 解：不可压缩流体的平面运动满足连续性方程
vx vy 0 x y
由已知条件得
vx 2y10 x
积分得 vx(12y)xf(y)
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根据边界条件x=0时vx=0代入上式得
这一章中我们将推导微分形式的守恒方程。
2
流体流动微分方程包括: 连续性方程 运动方程
连续性方程是流体质量守恒的数学描述。 运动方程是流体动量守恒的数学描述。 二者都是基于流场中的点建立的微分方程。
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6.1 连续性方程
连续性方程反映流动过程遵循质量守恒。 现取微元体如图。
z
vz
(vz
z
)
dz
ρvx
6 流体流动微分方程
基本内容：
掌握连续性方程及其推导※ 熟悉Navier-Stokes方程 了解Euler方程
1
控制体分析 最大优点在于对定常流动，当已知控制面
上流动的有关信息后，就能求出总力的分量和 平均速度，而不必深究控制体内各处流动的详 细情况，给一些工程问题的求解带来方便。
缺点不能得到控制体内各处流动的细节， 而这对深入研究流体运动是非常重要的。