不可压缩流体连续性微分方程
流体力学 第8章 不可压缩流体动力学基础
∂ 2 −2
∂ =(2 +2 )2
k(xdx+ydy)=0
x2+y2=0
为圆周簇。
∂ 2 − 2
, ∂ =(2 +2 )2
ωz=0, ωy=ωx=0
2 − 2
εxy=(2 +2)2, εzy=εzx=0
2
2
εxx=(2 +2)2, εyy=-(2 +2 )2 , εzz=0
2 ∂
2 ∂
2 ∂
2 ∂
∂
∂
∂
∂
∂
ux=uxo+εxxdx-ωzdy+εxydy+ωydz+εxzdz
点M的速度可以表达为
= − d + d + d + d + d
= − d + d + d + d + d
1.流体微团运动的分析
从理论力学知道,刚体的任何运动都可以看作平移和旋转两种基
本运动的合成。流体运动要比刚体运动复杂得多,流体微团基本运
动形式有平移运动、旋转运动还有变形运动,而变形运动又包括线
变形和角变形两种。
流体微团的运动形式与微团内各点速度的变化有关。为了便于
讨论,先研究二元流动的情况。设有一方形流体微团,中心点M的流
= − d + d + d + d + d
10
流体微团运动的分析
【例】已知流速分布:
(1) ux=-ky,uy=kx,uz=0; (2)ux=-2 +2,uy=2 +2,uz=0。
求旋转角速度、线变形速度和角变形速度。
流体力学(流体动力学)历年真题试卷汇编2
流体力学（流体动力学）历年真题试卷汇编2(总分：70.00，做题时间：90分钟)一、解答题(总题数：8，分数：16.00)1.(北京航空航天大学2007年考研试题)(3，1，2)处的加速度。
（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：由题意可知，x、y、z三个方向的速度分别为u=xy 2，v=一3y，w=2z 2，由欧拉表示的加速度公式可求得x、y、z三个方向上的加速度分别为：)解析：2.(北京航空航天大学2007年考研试题)试求t=0时过M(一1，一1)点的流线。
（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________正确答案：(正确答案：设x方向的速度为u，y方向的速度为v，由题意可知：u=x+t，v=一y+t 两边积分得： ln(x+t)=一ln(y一t)+C(C为积分常数) 化简得： ln(x+t)(y-t)=C 1所以有： (x+t)(y-t)=C 2由于t=0，则xy=C 2。
又因为流线过点(一1，一1)，于是得： C 2 =1 所以流线为： xy=1 关于流动方向：因为cos(x，u)= (x＜0)，则可知cos(x，u)＜0 所以流线的图形如图3—3所示。
) 解析：3.(北京航空航天大学2006年考研试题)试求在t=2时刻空间点(1，2，3)处的加速度。
（分数：2.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(正确答案：由流线上加速度公式得：将数据代入各方向上的加速度表达式可得，在t=2时刻空间点(1，2，3))解析：4.(北京航空航天大学2006年考研试题)已知流体的流动速度为a为常数，试求t=1时，过(0，b)点的流线。
流体力学第七章不可压缩流体动力学基础
第七章不可压缩流体动力学基础在前面的章节中，我们学习了理想流体和粘性流体的流动分析，按照水力学的观点，求得平均量。
但是，很多问题需要求得更加详细的信息，如流速、压强等流动参数在二个或三个坐标轴方向上的分布情况。
本章的内容介绍流体运动的基本规律、基本方程、定解条件和解决流体问题的基本方法。
第一节流体微团的运动分析运动方式：①移动或单纯的位移（平移）②旋转③线性变形④角变形。
位移和旋转可以完全比拟于刚体运动，至于线性变形和脚变形有时统称为变形运动则是基于液体的易流动性而特有的运动形式，在刚体是没有的。
在直角坐标系中取微小立方体进行研究。
一、平移：如果图（a ）所示的基体各角点的质点速度向量完全相同时，则构成了液体基体的单纯位移，其移动速度为z y x u u u 、、。
基体在运动中可能沿直线也可能沿曲线运动，但其方位与形状都和原来一样（立方基体各边的长度保持不变）。
二、线变形：从图（b ）中可以看出，由于沿y 轴的速度分量，B 点和C 点都比A 点和D 点大了dy yu y ∂∂，而yu y ∂∂就代表1=dy 时液体基体运动时，在单位时间内沿y 轴方向的伸长率。
x u x ∂∂，y u y ∂∂，zuz ∂∂ 三、角变形（角变形速度）ddd DCABCDBAdt yu dy dt dy y u d x x ∂∂=⋅∂∂=α dt x udx dt dx x u d yy∂∂=⋅∂∂=β θβθα+=-d d 2βαθd d -=∴ 角变形： ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=+=-=x u y u d d d y x z 212βαθαθ ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=x u z u z x y 21θ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=y u z u z y x 21θ 四、旋转（旋转角速度）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=-=y u x u x y z 21θω ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂=z u y u y zx 21ω 即， ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂=x u z u z x y 21ωzyxu u u z y x k ji ∂∂∂∂∂∂=21ω 那么，代入欧拉加速度表达式，得：z x x x x x x z y y z z y y y y y y y x z z x x z z z z z z z y x x y y x x y du u u u u u u u dt t xu u u u u u u u dt t y u u uu u u u u dt t z αθθωωαθθωωαθθωω∂∂⎫==++++-⎪∂∂⎪∂∂∂⎪==++++-⎬∂∂⎪⎪∂∂∂==++++-⎪∂∂⎭各项含义： （1） 平移速度（2）线变形运动所引起的速度增量（3）（4）角变形运动所引起的速度增量 （5）（6）微团的旋转运动所产生的速度增量流体微团的运动可分解为平移运动，旋转运动，线变形运动和角变形运动之和。
第六章理想流体不可压缩流体的定常流动
（粘性系数为常数）
Du 1 p 2u 2u 2u gx Dt x x 2 y 2 z 2
Dv 1 p 2v 2v 2v gy 2 2 2 Dt y x y z
流动条件，截面为A 1、A 2，平均速度为V 1、
V 2，流体密度为ρ. 由一维平均流动伯努利方程
V12 p1 V22 p gz1 gz 2 2 2 2
移项可得
(a)
V22 V12 p p ( gz1 1 ) ( gz 2 2 ) 2
(b)
文特里流量计：一维平均流动伯努利方程 A1、A2截面上为缓变流，压强分布规律与U 形管内静止流体一样，可得
讨论： 1、上式为非定常不可压缩理想流体欧拉运动微分方程。 DV 0 上述方程变成流体静力学中的欧拉平衡微分方程。 2、 Dt 1 g p 0 V 0 此时的理想流体欧拉运动微分方程变成定常不可压缩理 3、 t 想流体欧拉运动微分方程。 1 V V g p
基本方程组：
动量方程：
u u u 1 u v fx t x y v v v 1 u v fy t x y
p x p y
V 1 V V g p t
定常
连续性方程：
V 不考虑重力 0 t u v w D 0 Dt x y z u v 0 x y v u 0 x y
ρ,U 形管中液体密度ρm .
求：
用液位差Δh表示流速v
毕托测速管 解： 设流动符合不可压缩无粘性流体 定常流动条件。 AOB线是一条流线(常称为零流线), 沿
流体力学第二版(蔡增基)第六章
ux u y (4 x) (4 y) 0 x y x y
该流动满足连续性方程。 （2）由于是平面流动
x y 0
1 u y u x 1 4 y 4 x z 0 2 x y 2 x y 该流动为无旋流动，存在速度势函数。
u y x u x y
平面流动为无旋流动。
平面无旋流动的速度势函数为： d u xdx u y dy 平面无旋流动的拉普拉斯方程：
2 x
2
2 y
2
0
【例2】有一不可压流体平面流动的速度分布为
u x 4 x，u y 4 y；
①该平面流动是否满足连续性方程；
o
D
C
E
把对角线EOF的旋转角速度定义为整个流 E' 体微团在xoy面的旋转角速度，用 z 表示。
1 u y u x 2 y x 1 u u y x z 2 z x
EOF的旋转角速度可看成是AOC和BOD角速度的平均：
左侧中心点沿x方向的流速为：
u x左 u x u x dx x 2
dz dy
u x dx x 2
dx
u x右 u x 右侧中心点沿x方向的流速为：
dt时间内沿x方向流入和流出的净体积流量为：
dQx (u x
dQx u x dxdydz dt x
如图（a）所示，虽然流体微团运动轨迹是圆形，但由 于微团本身不旋转，故它是无旋流动；
在图 (b)中，虽然流体微团运动轨迹是直线，但微团绕 自身轴线旋转，故它是有旋流动。
流体力学标准化作业答案第三章
流体力学标准化作业（三）——流体动力学本次作业知识点总结1.描述流体运动的两种方法 （1）拉格朗日法；（2）欧拉法。
2.流体流动的加速度、质点导数流场的速度分布与空间坐标(,,)x y z 和时间t 有关，即(,,,)u u x y z t =流体质点的加速度等于速度对时间的变化率，即Du u u dx u dy u dza Dt t x dt y dt z dt ∂∂∂∂==+++∂∂∂∂投影式为x x x x x x y z y y y y y x y z z z z z z x y z u u u u a u u u t x y z u u u u a u u u t x y z u u u ua u u u t x y z ∂∂∂∂⎧=+++⎪∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪=+++⎨∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂=+++⎪∂∂∂∂⎩或 ()du ua u u dt t∂==+⋅∇∂在欧拉法中质点的加速度du dt 由两部分组成， u t∂∂为固定空间点，由时间变化引起的加速度，称为当地加速度或时变加速度，由流场的不恒定性引起。
()u u ⋅∇v v 为同一时刻，由流场的空间位置变化引起的加速度，称为迁移加速度或位变加速度，由流场的不均匀性引起。
欧拉法描述流体运动，质点的物理量不论矢量还是标量，对时间的变化率称为该物理量的质点导数或随体导数。
例如不可压缩流体，密度的随体导数D D u t tρρρ∂=+⋅∇∂（） 3.流体流动的分类 （1）恒定流和非恒定流 （2）一维、二维和三维流动 （3）均匀流和非均匀流 4.流体流动的基本概念 （1）流线和迹线流线微分方程x y zdx dy dzu u u ==迹线微分方程x y zdx dy dz dt u u u === （2）流管、流束与总流（3）过流断面、流量及断面平均流速体积流量 3(/)AQ udAm s =⎰质量流量 (/)m AQ udAkg s ρ=⎰断面平均流速 AudA Qv AA==⎰（4）渐变流与急变流 5. 连续性方程（1）不可压缩流体连续性微分方程0y x zu u u x y z∂∂∂++=∂∂∂ （2）元流的连续性方程121122dQ dQ u dA u dA =⎧⎨=⎩ （3）总流的连续性方程1122u dA u dA =6. 运动微分方程（1）理想流体的运动微分方程（欧拉运动微分方程）111xx x x x y z yy y y x y z zz z z x y z u u u u p X u u u x t x y zu u u u p Y u u u x t x y z u u u u p Z u u u x t x y z ρρρ∂∂∂∂∂⎫-=+++⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪∂-=+++⎬∂∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂∂-=+++⎪∂∂∂∂∂⎭矢量表示式1()u f p u u tρ∂+∇=+⋅∇∂r r r r（2）粘性流体运动微分方程（N-S 方程）222111x x x x x x y z y y y y y x y z z z z z z x y z u u u u pX u u u u x t x y zu u u u pY u u u u x t x y z u u u u p Z u u u u x t x y z νρνρνρ∂∂∂∂∂⎫-+∇=+++⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪∂-+∇=+++⎬∂∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂∂-+∇=+++⎪∂∂∂∂∂⎭矢量表示式 21()u f p u u u tνρ∂+∇+∇=+⋅∇∂r r r r r 7.理想流体的伯努利方 （1）理想流体元流的伯努利方程22p u z C g gρ++=（2）理想流体总流的伯努利方程221112221222p v p v z z g g g gααρρ++=++8.实际流体的伯努利方程（1）实际流体元流的伯努利方程2211221222w p u p u z z h g g g gρρ++=+++（2）实际流体总流的伯努利方程2211122212w 22p v p v z z h g g g gααρρ++=+++10.恒定总流的动量方程()2211F Q v v ρββ=-∑r r r投影分量形式()()()221122112211xx x y y y z z z F Q v v F Q v v FQ v v ρββρββρββ⎫=-⎪⎪=-⎬⎪=-⎪⎭∑∑∑标准化作业(5)——流体运动学选择题1. 用欧拉法表示流体质点的加速度a 等于( )。
第七章 理想不可压缩流体的有旋流动和无旋流动 §7-1 流体流动的连续性方程
理想正压性流体在有势的质量力作用下，任一涡管强 度不随时间变化。
作业：7-2(1)、(3)， 7-5
x
vx
y
v y
z
vz
dxdydz
微元体内总质量的变化率为 ：
t
CV
dV
t
CV
dxdydz
t
dxdydz
取极限：CV→0，控制体收缩为质点，得：
t
x
vx
y
vy
z
vz
0
写为矢量形式 ：
(v) 0
t
讨论：1. 定常流动 (v) 0
2. 不可压缩流体流动
v 0
divv 0
vx x
dx
vx y
dy
y
vy
v y y
dy
C
C’
vy
B
v y x
dx
v y y
dy
dβ
dy
vx vy
o
dα
dx
A
A’
vx vy
vx x v y x
dx dx
d(dx) vx dxt dx vx t
x
x
x
d(dy) vy dyt dy vy t
y
y
1. 平移运动
y
C
B
dy
vx
o
dx
A vy
x
v2 2
PF
2
yvz
zvy
dx
y
v2 2
PF
2zvx
xvz
dy
z
v2 2
PF
2
xvy
yvx
dz
工程流体力学第七章 理想不可压缩流体的有旋流动和无旋流动讲解
x
vx
y
v y
z
vz
t
0
或
(v) 0
t
连续性方程表示了单位时间内控制体内流体质量的增量等于流体在控
制体表面上的净通量。它适用于理想流体和粘性流体、定常流动和非定常
流动。
在定常流动中，由于 0 t
x
0
对于不可压缩流体 vr 1 v vz vr 0
r r z r
式中 r 为极径； 为极角
球坐标系中的表示式为:
1 (vrr 2 ) 1 (v sin ) 1 v 0
t r 2 r
r sin
r sin
在某流场O点邻近的任意点A上的速度可以分成三个部分： 分别为与O点相同的平移速度（平移运动）；绕O点转动在A点 引起的速度（旋转运动）；由于变形（包括线变形和角变形） 在A点引起的速度（变形运动）。
第三节 有旋流动和无旋流动
根据流体微团在流动中是否旋转，可将流体的流动分为两 类：有旋流动和无旋流动。
vx y
2 x
2 y
2 z
前面在流体微团的分析中，已给出E点的速度为 :
vxE
vx
vx x
dx
vx y
dy
vx z
dz
v yE
vy
vy x
dx
vy y
dy
vy z
dz
vzE
不可压缩粘性流体的运动微分方程名师优质资料
根据边界层的特征，在边界层内惯性项和粘性项具有 同样的数量级，由方程组（8-37）可知，必须使 1 Re l 和 2
同数量级，所以 l ~ 1 Re l ，即 反比于 雷诺数越大，边界层相对厚度越小。
Re l
。这表明，
这样，将式（8-37）中的某些项略去，再变换成有量纲 量，便得到了层流边界层的微分方程（称为普朗特边界层方 程）： v x v x 2vx 1 p
（8-36）
v
y
o
x
l
vx
x
图8-11
推导层流边界层的微分方程用图
可以利用边界层每一处的厚度都很小的特征，来比较方程 组（8-36）中各项的数量级，权衡主次，忽略次要项，这 样便可大大简化该方程组。
即 l或 足不等式 边界层的厚度 与平板的长度 l 相比较是很小的， ，而 l 1 y的数值限制在边界层内，并满
p xx
dy
xz
zx
fz
xy
xy
fy
xy
A
y
yx
dx x
zx zx dz z
fx
o z
第一个下标表示应力所在平面的法线方向 第二个下标表示应力本身的方向。
y
yx
yx y
dy
xy
dy
M
xy
xy x
dx
dx
yx
现在根据边界层的特征，利用不可压缩粘性流体 的运动微分方程来研究边界层内流体的运动规律。为 简单起见，只讨论流体沿平板作定常的平面流动,x轴与 壁面相重合，如图8-11所示。假定边界层内的流动全 是层流，忽略质量力，则不可压缩粘性流体平面定常 流动的微分方程和连续方程为
流体力学中的三大基本方程
dx
dt
p x
fx
单位质量流体的运动微分方程：
dx
dt
1
p x
fx
16
同理可得y,z方向上的：
dx
dt
x
t
x
x
x
y
x
y
z
x
z
1
p x
fx
dy
dt
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
1
p y
fy
dz
dt
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
1
p z
fz
17
向量形式：
dr
r f
1
gradp
dt
——理想流体欧拉运动微分方程
式中：
2x
z 2
)
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
fy
1
p y
( 2 y
x2
2 y
y 2
2 y )
z 2
19
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
fz
1
p z
( 2z
x 2
2z
y 2
2z )
z 2
1.
含有四个未知量（
，
x
y，完 z整, P的）方程组。
2. 描述了各种量间的依赖关系。
3. 通解、单值条件（几何条件、物理条件、边界条件、初始 条件）→特解。
流体力学连续性方程微分形式
0 t
适用范围：理想、实际、可压缩、不可压缩的恒定流。
（2）不可压缩流体的连续性微分方程
当为不可压缩流时
u x u y u z 0 x y z
Const
物理意义：不可压缩流体单位时间内流入单位空间的流体体积（质量） ， 与流出的流体体积（质量）之差等于零。 适用范围：理想、实际、恒定流或非恒定流的不可压缩流体流动。
质量守恒定律：单位时间内流出与流入六面体的流体质量差之总和应
等于六面体内因密度变化而减少的质量，即：
[
•
( u x ) x
( u y ) ( u z ) y ]dxdydz dxdydz z t
流体的连续性微分方程的一般形式：
适用范围：理想流体或实际流体；恒定流或非恒定流；可压
第三节 流体动力学基本方程式
一、连续性微分方程
1
在流场内取一微元六面体（如图），边长为dx,dy,dz，中心点O流速为 （ ux,uy,uz ） D' z C' ux dx ux dx A' dz u B' u z u x x 2 x x 2 o’ M uy ux N 以x轴方向为例： C D ux dx 1 dx dy u u 左表面流速 M A x 2 x B o u x x 1 右表面流速 u N u x dx 2 x y ∴ 单位时间内x方向流出流进的质量流量差： ( u x ) ( u x ) 1 1 M M [ u x dx]dydz [ u x dx]dydz 右 左 2 x 2 x ( u x ) x dxdydz
等，即pxx pyy pzz。任一点动压强为：
p xx p p zz ) 3 u
流体力学 第7章 不可压缩流体动力学基础
i ×u = x ux
i y uy
k z uz
u z u y x = y z u x u z y = z x u y u x z = x y
u y u x u x u z u z u y =( )i + ( )j+( )k y z z x x y
与
= 2ω = x i + y j + z k
ρ u x dx ( ρ )(u x )dydzdt x x 2
dt时段从前面流出的流体质量为 时段从前面流出的流体质量为
u x dx ρ ( ρ + )(u x + )dydzdt x x 2
规定流入为正,流出为负, 时段从前后面流入 规定流入为正,流出为负, dt时段从前后面流入 流出的质量差为
( ρu x ) ( ρu y ) ( ρu z ) ρ dxdydzdt = + + dxdydzdt t y z x
可压缩流体非恒定流的连续性微分方程
ρ ( ρu x ) ( ρu y ) ( ρu z ) + + + =0 t x y z
对于不可压缩流体: 对于不可压缩流体:
= 2ω = x i + y j + z k
涡量是空间坐标和时间的矢性 函数,有涡流则构成一个矢量场, 函数,有涡流则构成一个矢量场, 也称为涡量场. 也称为涡量场.
u z u y x = y z u x u z y = z x u y u x z = x y
哈米尔顿算子 是一个矢性微分算子
速度环量符号: 速度环量符号:
Γ
Γ = lim ∑ u cos α ds = ∫ u cos αds = ∫ u cos(u , ds ) ds
第7章 不可压缩流体动力学基础
ρvx dydz
∂( ρvx ) dxdydz ρvx + ∂x
＝
微元体内的 质量变化率
dx x y 微元体及其表面的质量通量
34
连续性方程
1、x方向：dt时间内沿从六面体 x 处与 x+dx 处输 、 方向 方向： 时间内沿从六面体 入与输出的质量差： 入与输出的质量差：
25
涡线
26
涡管
在涡量场中任意画一封闭曲线， 在涡量场中任意画一封闭曲线，通过这条曲线 上的每一点所作出的涡线构成一管状的曲面， 上的每一点所作出的涡线构成一管状的曲面，称为 涡管。 涡管。
27
涡通量
28
涡管强度守恒定理
涡管截面愈小的地方，流体的旋转角速度愈大。 涡管截面愈小的地方，流体的旋转角速度愈大。
31
斯托克斯定理
沿任意封闭曲线s的速度环量等于通过以该曲 沿任意封闭曲线 的速度环量等于通过以该曲 的涡通量。 线为边界的曲面 A 的涡通量。
32
33
第三节 不可压缩流体连续性微分方程
直角坐标系中的连续性方程 直角坐标系中的连续性方程
z dy
质量守恒
输入微元体 输出微元体 的质量流量－ 的质量流量
8
平移运动速度
微团上各点公有的分速度 ux 和uy ，使它们在 dt 时间内均沿 x 方向移动一距离 uxdt , 沿 y 方向移 因而，我们把中心点 动一距离 uydt 。因而，我们把中心点 M 的速度 ux 定义为流体微团的平移运动速度。 和 uy ，定义为流体微团的平移运动速度。
9
线变形运动
13
旋转角速度
y B t M^
∂u x dydt ∂y
t+dt
第3章-流体力学连续性方程微分形式
4、有势流动：
， ， ux uy uy uz ux uz
y x z y z x
I Xdx Ydy Zdz -gdz
II 1 (p dx p dy p dz) d p
t
dxdydz
• 流体的连续性微分方程的一般形式：
(u ) x
(u ) y
(u ) z
0
t x
y
z
适用范围：理想流体或实际流体；恒定流或非恒定流；可压
缩流体。（不可压 缩流体
t
0
）
第三节 流体动力学基本方程式
4
（1）可压缩流体恒定流动的连续性微分方程
z x x 2
y 2
z 2
d(u2 ) 2
由以上得： gdz d ( p ) d (u2 )
2
积分得：
z
p
u2 2g
C
第四节 欧拉运动微分方程的积分
• 理想势流伯努里方程
17
z
p
u2 2g
C
或
z1
p 1
u2 1
2g
z2
p2
u22 2g
物理意义：在同一恒定不可压缩流体重力势流中 ，理想流体各点的总比能 相等即在整个势流场中，伯努里常数C均相等。（应用条件：“——”所示）
p 0 t
<II>= 1 dp
第四节 欧拉运动微分方程的积分
第3章-流体力学连续性方程微分形式
欧拉运动微分方程组各式分别乘以dx，dy，dz（流场任意相邻两点间距ds 的坐标分量），然而相加得：
( Xdx
Ydy
Zdz)
1
( px
dx
p y
dy
p z
dz)
dux dt
dx
duy d;
<II>
<III>
一、在势流条件下的积分
考虑条件 1、恒定流
当为恒定流时
t
0
(ux
x
)
(uy
y
)
(uz
z
)
0
适用范围：理想、实际、可压缩、不可压缩的恒定流。
（2）不可压缩流体的连续性微分方程
当为不可压缩流时 Const
u x x
u y y
u z z
0
物理意义：不可压缩流体单位时间内流入单位空间的流体体积（质量） ，
dt
p'xx 'xz 'xy
x
第三节 流体动力学基本方程式
考虑条件：
13
1）
不可压缩流体的连续性微分方程：uxx
uy y
uz z
0
2）切应力与主应力的关系表达式
• 不可压缩粘性流体运动微分方程：纳维埃-斯托克斯方程（Navier-
Stokes，N-S)方程：
X
1
p x
1
第三章 流体动力学基础
第三节 流体动力学基本方程式
一、连续性微分方程 二、理想流体运动微分方程 三、粘性流体的运动微分方程
不可压缩流体连续性微分方程
不可压缩流体连续性微分方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表达式。
一、三维流动连续性方程假定流体连续地充满整个流场，从中任取出以点为中心的微小六面体空间作为控制体如右图。
控制体的边长为dx ，dy ，dz ，分别平行于直角坐标轴x ，y ，z 。
设控制体中心点处流速的三个分量为 ,液体密度为 。
将各流速分量按泰勒级数展开，并略去高阶微量，可得到该时刻通过控制体六个表面中心点的流体质点的运动速度。
例如：通过控制体前表面中心点M 的质点在x 方向的分速度为通过控制体后表面中心点N 的质点在x 方向的分速度为因所取控制体无限小，故认为在其各表面上的流速均匀分布。
所以单位时间内沿x 轴方向流入控制体的质量为z y x u u u ，，dx x u u x x ∂∂+21dx x u u x x ∂∂-21流出控制体的质量为于是，单位时间内在x 方向流出与流入控制体的质量差为同理可得在单位时间内沿y ，z 方向流出与流入控制体的质量差为和 由连续介质假设，并根据质量守恒原理知：单位时间内流出与流入控制体的质量差的总和应等于六面体在单位时间内所减少的质量。
所以整理得此式即为连续性微分方程的一般形式。
适用于定常流及非定常流。
对于定常流： ，上式成为()dydz dx x u u x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-ρρ21()dydz dx x u u x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+ρρ21()()()dxdydz x u dydz dx x u u dydz dx x u u x x x x x ∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂--⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+ρρρρρ2121()dxdydz y u y ∂∂ρ()dxdydzz u z ∂∂ρ()()()()dxdydz t dxdydz t dxdydz z u y u x u z y x ∂∂-=∂∂-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂ρρρρρ()()()0=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂z u y u x u t z y x ρρρρ0=∂∂t ρ()()()0=∂∂+∂∂+∂∂z u y u x u z y x ρρρ对于均质不可压缩流体 ，则不论定常流或非定常流均有对二维流动连续性微分方程为上面四个方程对于理想流体和实际流体均适用。
流体力学(热能)第5章 不可压缩流体动力学基础讲解
的下标表示发生角变形的所在平面的法线方向。
三、亥姆霍兹速度分解定理 （了解）
设流体微团内某点M0(x,y,z),速度为ux0 、u y0 、uz0 ，
则邻边M0的另一点M (x+dx,y+dy,z+dz)的速度为
ux ux0 dux uy uy0 duy
uz uz0 duz
了。
四、 N-S方程
把（7-5-1）式和（7-5-6）式代入（7-4-1）式，消去应力
ux
对不可压缩流体有 x
uy y
uz z
0
代入得
X
1
p x
(
2u x x 2
2u x y 2
2u x z 2
)
dux dt
Y
1
p y
(
2u y x 2
3 xx
yy
zz
(7-5-4)
（3）
p
1 3
(
pxx
pyy
pzz )
pt
2 3
( ux
x
u y y
uz z
)
(7-5-5)
式中， pxx 、 pyy 、 pzz表示法向应力，
p 表示压强，
pt 表示理想流体压强。
代入（7-5-4）
（4）
p xx
p
2
u x x
（2）
ur
2r
cos 2
1 r
u 2r sin 2
解： ur
七章不可压缩流体动力学基础-
二 涡通量和速度环量
1. பைடு நூலகம்通量
定义: 在微元涡管中，二倍角速度与涡管断面面积dA的
乘积称为微元涡管的涡通量(旋涡强度)dJ
dJ2dA
(2)
对任一微元面积dA而言，有
dJ2dA2ndA
对有限面积，则通过这一面积的涡通量应为
J 2AndA
(3)
2.速度环量
定义: 某一瞬时在流场中取任意闭曲线 l，在线上取一微 元线段 d l ，速度v 在d l 切线上的分量沿闭曲线 l 的线积分， 即为沿该闭合曲线的速度环量。
得到
dx dy dz
(1)
x y z
这就是涡线的微分方程。
2. 涡管 定义: 某一瞬时，在漩涡场中任取 一封闭曲线c(不是涡线)，通过曲线 上每一点作涡线，这些涡线形成封 闭的管形曲面。 如果曲线c构成的是微小截面，那 么该涡管称为微元涡管。 横断涡管并与其中所有涡线垂直的 断面称为涡管断面，在微小断面 上，各点的旋转角速度相同。 3.涡束 涡管内充满着作旋转运动的流体称为涡束，微元涡管中 的涡束称为微元涡束。
dy，设顶点A坐标为（x,y），流速分量为u ,v。
利用泰勒级数展开且仅保留一阶小量，可得微团各顶点 的速度分量，
正四边形微团在经历了时间后将变成斜平 行四边形
1.正四边形微团ABCD在经历了 dt时间后将变成斜平行
四边形 A’B’C’D’(略，请参考书中证明过程）。 2.微团运动过程分解
1) 平移：正四边形流体微团作为一个整体平移到新的
u x u x 0 x z d y y d z x d x x x d y y x d z z
u y u y 0 x x d z z d x y d y y y d z z y d x x
《流体力学》第七章不可压缩流体动力学基础
例7-6
第六节
纳维—斯托克斯方程
不可压缩粘性流体的运动微分方 程 2u x 2u x 2u x du x 1 p X ( 2 ) 2 2 x x y z dt
uy uy uy du y 1 p Y ( ) 2 2 2 y x y z dt
u d s ux dx u y dy uz dz
s s
规定积分沿s逆时针方向绕行为 s 的正方向
斯托克斯定理
沿任意封闭曲线s的速度环量等于通过 以该曲线为边界的曲面A的涡通量。
s J A
汤姆逊定理 在理想流体的涡量场中，如果质量力具有 单值的势函数，那么，沿由流体质点所组 成的封闭曲线的速度环量不随时间而变。
圆柱坐标系的纳维—斯托克斯方程:
Fr .F . Fz.r. .z.ur .u .u z
例7-7:利用N-S方程求圆管层流运动流速分布.
解：由于流动轴对称,采用柱坐标系如图，已知：
u z u(r , , z ), u ur 0
1 p u z 1 u z 1 u z u z Fz ( 2 2 2 ) 2 z r r r r z u z u z u u z u z ur uz t r r z
A
A
n
有旋运动的一个重要运动学性 质是：在同一瞬间，通过同一 涡管的各截面的涡通量相等。
A2
A3 A1
A1
n dA n dA
A2
1 A1 2 A2 对于微元涡管，可以近似认为各截 面上各点的涡量为常数，因此： 1 A1 2 A2
由于流体的旋转角速度不可能为无穷大,所 以涡管截面 不可能收缩为零,即涡管不可能在 流体内部开始或终止,而只能在流体中自行封 闭成涡环,或者终止于和开始于边界面。
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不可压缩流体连续性微分方程
连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表达式。
一、三维流动连续性方程
假定流体连续地充满整个流场，从中任取出以点为中心的微小六面体空间作为
控制体如右图。
控制体的边长为dx ，dy ，dz ，分别平行于直角坐标轴x ，y ，z 。
设控制体中心点处流速的三个分量为,液体密度为。
将各流速分量按泰勒级数展开，并略去高阶微量，可得到该时刻通过控制体六个表面中心点的流体质点的运动速度。
例如：通过控制体前表面中心点M 的质点在x 方向的分速度为
通过控制体后表面中心点N 的质点在x 方向的分速度为
因所取控制体无限小，故认为在其各表面上的流速均匀分布。
所以单位时间内沿x 轴方向流入控制体的质量为z
y x u u u ，，dx
x u u x
x 21dx
x u u x
x 21。