大学流体力学期末复习

大学流体力学期末复习流体力学的概念：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、在各种力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。

它的主要基础是牛顿运动定律,质量守恒定律和能量守恒定律。

连续介质假设:对于流体的宏观运动来说：可以把流体视为由无数质点组成的致密的连续体，并认为流体的各物理量的变化随时间和空间也是连续的。

这种假设的连续体称为连续介质。

流体微团（质点）:相对于一般问题中的宏观特征尺寸小到可以被看成是一个点，但是仍含有足够多个流体分子。

目的: 可以采用连续函数来描述流体中的物理参数。

粘滞性：当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在相对运动，则液体质点间就要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。

此内摩擦力又称为粘滞力。

牛顿内摩擦定律作层流运动的液体，相互邻近层的内摩擦力T(粘滞力)与流层间的接触面积A 、流层间的速度梯度（du/dy ）成正比，且与液体的种类及物理性质有关。

dyduAT μ=式中，为流体动力粘性系数，单位是Pa·s 。

牛顿内摩擦定律只适用于平面平行剪切流液体: 随着温度的升高，粘滞系数降低。

气体: 随着温度的升高，粘滞系数增大原因：流体粘性取决于分子间的引力和分子间的动量交换。

随着温度升高，分子间的引力减小，动量交换加剧。

而液体水分子之间的距离很小，其粘性力主要取决于分子间的引力，空气分子间的距离远大于液体，分子的热运动即分子间的动量交换是形成粘性的主要因素。

压缩性：指流体在压力的作用下，改变自身体积的特性。

膨胀性：指由于温度的变化，流体改变自身体积的特性。

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极其微小的张力。

毛细现象：由于表面张力的作用，如果把两端开口的玻璃细管竖立在液体中，液体就会上升或下降h 高度，这种现象称为毛细现象。

上升或下降取决于液体和固体的性质。

气蚀：液体在流动过程中，当液体与固体的接触面处于低压区，并低于汽化压强的时，液体发生汽化，在固体表面产生很多气泡，若气泡随液体的流动进入高压去，气泡中气体便液化，产生的液体冲击固体表面。

这种周期性的运动，将会对固体表面产生疲劳并导致剥落，这种现象称为气蚀。

在工程中必须避免气蚀。

汽化压强Pv ：液体沸腾或汽化时的压强。

与温度有关。

表面力：作用于隔离体表面，其大小与受作用流体的表面积成比例的力，如粘滞力、压力、表面张力等。

可分解为与表面垂直的法向分量和平行于表面的切向分量。

法向力：指垂直于隔离体表面的表面力。

液体只能受压力而不能承受拉力，法向力为压力。

动力粘滞系数)(s pa ⋅μ运动粘滞系)/(2s m ρμυ=作用在液体上的力 按物理性质分：重力、惯性力、内摩擦力、表面张力 按特点分：表面力和质量力。

切向力：指平行于隔离体表面的表面力。

切向力与液体粘性有关。

对于层流而言，切向力就是内摩擦力。

质量力：作用于隔离体内的每个流体质点上，其大小与隔离体的质量成比例的力，如重力、惯性力等。

思考题：1-1,1-3,1-4流体力学中最常用的基本模型有：连续介质——满足连续介质假设； 牛顿流体——满足牛顿内摩擦定律； 不可压缩流体——流体密度为常数；理想流体（超流体）——流体粘度为零； 平面流动等——二维流动。

1. 静水压强及其特性，点压强的计算，静水压强分布。

2. 作用于平面上静水总压力。

3. 作用于曲面上静水总压力，压力体的画法。

静水压强：流体处于静止状态时，在流体内部或流体与固体壁面间存在的单位面积上负的法向表面力。

静水压强两特征：1、静水压强总是垂直指向受压面的。

2、静止流体中任意一点上各方向的流体静压强都相同。

)d d d (d z f y f x f p z y x ++=ρ在流体中，压强相等的各点所组成的面称为等压面。

0d =⋅s f绝对压强：以绝对或者完全真空时的绝对零压强为起算点来计量的压强称为绝对压强(p abs )。

相对压强：以当地大气压为起算点得到的压强称为相对压强(p r )。

真空（vacuum ）：当某一点的绝对压强小于大气压强，认为该点出现真空，出现真空时，相对压强为负值，故认为出现了负压，真空压强用p v 表示。

压力体是所研究的曲面到自由液面或自由液面的延长面间投影所包围的一块空间体积。

自由液面：表面受大气压强的面，用相对压强来说，就是表面压强等于零的面。

(1)静水压强随深度按线性规律变化，与水深呈线性关系； ☐ 重力作用下静止流体的三个重要性质(2) 静止液体中任意两点的压差仅与它们的垂直距离有关； (3) 在静止液体中，位于同一深度(h ＝常数)的各点的静压强相等，即任一水平面 都是等压面。

任意点压强的变化，将等值地传递到其他点。

静止液体作用在曲面上水平分力P x静止液体作用在曲面上水平分力P z 静止液体作用在曲面上的总压力22z x P P P +=流场：运动流体所占的空间。

拉格朗日法（质点系法）：以流体质点为研究对象，研究追踪质点的运动轨迹，并探讨质点的运动要素随时间和空间的变化规律以及质点位置的变化。

欧拉法（流场法）：把流体视为连续介质，研究不同时刻，某个固定空间点上流体质点的运动情况。

通过记录不同空间点流体质点经过的运动情况，从而获得整个流场的运动规律。

当地加速度（局部加速度）— 特定空间点上速度对时间的变率；迁移加速度（对流加速度) —对应于质点空间位置改变所产生的速度变化。

恒定流：流场中，任一空间点上的运动要素都不随时间变化，这种流动称为恒定流；反之，称为非恒定流。

流线：某一瞬间，流场中的某一光滑曲线, 在此曲线上各点处的流体质点的运动方向都与该曲线相切。

同一时刻不同质点。

迹线：一个流体质点随着时间推移在空间中勾画的曲线。

即质点在运动过程中所经过的轨迹。

同一质点不同时刻。

流管：在流场中作一不是流线的封闭曲线，过该曲线上的所有流线组成的管状表面。

流体不能穿过流管，流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。

恒定流动中，流管的形状和位置不随时间发生变化。

流束——充满流管的一束流体。

实压力体：压力体和流体在曲面AB 的同侧，压力体所包含的是实际流体。

虚压力体：压力体和流体在曲面AB 的异侧，压力体所包含的是虚设流体。

混合压力体：有一复杂的曲面，部分曲面压力体是实的，部分曲面压力体是虚的。

固体运动：质点、刚体 整体一致运动，各质点间相对静止。

液体流动：质点、流场 各质点间有相对运动。

研究对象 运动形式 z u y u x u t u axzx y x x x x ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=u u u z u y u x u t u ay z y y y x y ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=u u u yzu y u x u t u azz z y z x z ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=u u u z 当地加速度 迁移加速度元流——截面积无穷小的流束。

微元流束的极限是流线。

元流和流线的差别：流束是一个物理概念，涉及流速、压强、动量、能量、流量等； 流线是一个数学概念，只是某一瞬时流场中的一条光滑曲线。

总流——截面积有限大的流束。

如河流、水渠、水管中的水流及风管中的气流都是总流。

过流断面——与元流或总流所有流线正交的横截面。

可以是任意形状。

（注意河里随意拉个剖面不一定是过水断面！）流量：单位时间内通过某过水断面的液体体积或质量。

断面平均流速：假想流速在过水断面上均匀分布情况下的流速。

均匀流——任何时刻，流速质点的流速不随空间位置的变化而变，这种流动称为均匀流。

非均匀流——如果流动过程中，质点的流速随位置（流程）而变化，这种流动称为非均匀流。

流动参数（流速）变化缓慢，迁移加速度很小，流线近似于平行直线，且动水压强分布可近似看作与静水压强分布相同。

一元流——流动参数是一个坐标的函数（1）流体所受质量力只有重力； （2）均质不可压缩流体恒定流；（3）所选取的两过水断面必须处在均匀流或者渐变区域，但两断面之间不必都是均匀流或者渐变流段，可以是急变流；且过流断面上所取的点并不要求在同一流线上，因在缓变流过水断面上各点存在C gpz =+ρ ,所以在列伯努利方程时，可在选定的两个过流断面上任取空间点的位置（4）总流的流量沿程不变，即所取两过流断面间没有流量的汇入或流出； （5）除了h w 外，总流没有能量的输入或输出。

圆管层流的流速特性：最大流速发生在管轴线，最大流速是平均流束的两倍。

在定点上的瞬时运动参数随时间而发生波动的现象称为脉动简单管道是指直径和流量沿流程不变的管道；复杂管道是指由两根以上管道组成的管道系统。

复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道、沿程泄流管和管网。

短管是指管路中水流的流速水头和局部水头损失都不能忽略不计的管道；长管是指流速水头与局部水头损失之和远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道。

一般认为（局部水头损失+流速水头）＜10%的沿程水头损失，可以按长管计算。

水击是有压管道中的非恒定流现象。

当有压管道中的阀门突然开启、关闭或水泵因故突然停止工作，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅度交替升降。

这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反射，这种水流现象叫作水击，交替升降的压强称为水击压强。

产生水击现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性。

水击现象的实质上是由于管道内水体流速的改变，导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。

防止产生直接水击破坏的措施（1）缩短压力管道的长度；（2）延长阀门关闭的时间T s；（3）减小压力管道中的水流流速；（4）安装水击消除阀；（5）设置调压室。

明渠是一种具有自由表面液流的渠道。

根据渠道的形成分为天然河道和人工渠道。

明渠中流动的液体称为明渠水流。

当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。

明渠流：①具有自由水面（即水面压强为大气压）；②重力是流动的主要动力；③明渠水面线即测压管水头线有压管流：①具有封闭的湿周；②压力是流动的主要动力。

不冲流速v’渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水利设计手册。

不於流速v’’渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件和挟沙的特性以及水中含沙量大小，可根据经验公式确定。

堰：在明渠缓流中设置障壁，即能壅高渠中的水位，又能自然溢流，一种既可蓄又可泄的溢流设施。

堰流：缓流经明渠上的泄水构筑物时，越过阻水的堰墙溢出流动的局部水力现象。