欧洲最新流体力学课件第四章

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流体力学4

流体力学4

第四章
流体动力学基础
u f ( x, y, z, t ), x, y, z f (t )
u x u x u x 1 p dux 1 u x ※则: X dt dx dy dz x dt dt t x y z u y u x u x u z ux uy uz t x y z
— 推导惯性和非惯性参考 1 p a b p dy 2 y 系(相对一个惯性系如 dz dy 物体转动或匀加速运动 z o 参照系)中伯努力方程。
z
c
dx
p
1 p dy 2 y
设:六面体中心 a 点压 力为 p( xyz) ,平均密度 ( xyz),加速度 a( xyz) 。
u z dz u z ) ( p 2 ) z 下面 ( p 2 z 2 z
zx dz zx z 2
zy dz zy z 2
第四章
流体动力学基础
二、粘性流体运动方程 根据:
F
x
max ,
F
y
may ,
F
z
maz
u x ( p 2 ) u x dx x 则: Xdxdydz [( p 2 ) ]d ydz x x 2 u x ( p 2 ) u x dx x [( p 2 ) ) d ydz x x 2 zx dz zx dz [( zx )dxdy ( zx ) dxdy ] z 2 x 2 yx dy yx dy dux [( yx ) ( yx ) dxdy ] m y 2 y 2 dt
u z 2 x ( y u x 2 y ( z
2

流体力学第四章:流体阻力及能量损失

流体力学第四章:流体阻力及能量损失
减小摩擦阻力的方法
优化物体表面粗糙度、使用润滑剂、改变流体的流速和方 向等。
形状阻力
形状阻力
由于物体形状的不同,流体在绕过物体时产生的阻力。
形状阻力公式
$F_s = frac{1}{2} rho u^2 A C_s$,其中$C_s$为形状阻力系数, 与物体形状、流体性质和流速有关。
减小形状阻力的方法
详细描述
汽车设计中的流体阻力优化主要包括车身形 状设计和空气动力学套件的应用。设计师会 采用流线型设计来减小空气阻力,同时也会 采用导流板、扰流板等空气动力学套件来调 整汽车周围的空气流动,以提高汽车的行驶
稳定性、减小风噪,并降低燃油消耗。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
详细描述
船舶航行中的流体阻力主要来自船体与水之间的摩擦力以及水对船体的冲击力。为了减小流体阻力, 船舶设计师通常会采用流线型设计,优化船体表面的光滑度,以及减少不必要的突出物,从而提高航 行效率。
管道流动中的能量损失
总结词
管道中流体流动时,由于流体与管壁之 间的摩擦以及流体内部的湍流等效应, 会产生能量损失。
根据伯努利方程、欧拉方程等计算公式,结合物体的形状、速度和流体密度等 参数进行计算。
02 流体阻力现象
摩擦阻力
摩擦阻力
由于流体与物体表面的相对运动产生摩擦而形成的阻力。
摩擦阻力公式
$F_f = frac{1}{2} rho u^2 A C_f$,其中$rho$为流体密 度,$u$为流速,$A$为流体与物体接触的表面积,$C_f$ 为摩擦阻力系数。
流体力学第四章流体阻力及能量损 失
目录
• 流体阻力的概念 • 流体阻力现象 • 能量损失原理 • 流体阻力的减小方法 • 实际应用案例

流体力学学习课件第四章流体动力学

流体力学学习课件第四章流体动力学

x y z
dt
dt
dt
1、公式推导前提条件:恒定流(条件之一)即
p 0, u 0 ux uy uz 0
t
t
t t t
因为恒定流动时,流线与迹线重合,则此时的dx,dy,dz与时间 dt 的比为速度
分量,即有:
ux
dx dt
uy
dy dt
uz
dz dt
则:①
dux dt
dx
duy dt
y dt
单位质量流体的惯 性力在X、Y、Z坐 标轴上分量
Z 1 p duz
z dt
(1)物理意义:作用在单位质量流体上的质量力与表面力之代数和等于其加
速度。 (2)适用条件:a.无粘性流体。
b.可压缩流体及不可压缩流体 c.恒定流及非恒定流
二、粘性流体运动微分方程
1、以应力表示的实际流体运动微分方程 (1)方程推导依据:
g 2g
g
h pA pB u2
g g 2g
理论流速: u 2 pA pB 2gh
实际流速: u 2gh
μ:修正系数,数值接近于1,由实验确定,μ =0.97 ; h:为两管水头差。
四、实际液体元流能量方程
实际液体具有粘滞性,由于内摩擦阻力的影响,液体流动
时,其能量将沿程不断消耗,总水头线因此沿程下降,固
dy
duz dt
dz uxdux
uyduy
uz duz
1 d (u 2 ) 2
因此,方程是沿流线才适用的。——条件之二

p dx p dy p dz dp
x y z
(3)
则(1)式
( Xdx Ydy Zdz) 1 (p dx p dy p dz)

《流体力学》第四章 流动阻力和能量损失4.6-4.7

《流体力学》第四章 流动阻力和能量损失4.6-4.7

第七节
非圆管的沿程损失
怎么把非圆管折合成圆管? 水力半径 当量直径 A R 水力半径:过流断面面积和湿周之比。
1 2 d d 对于圆管: R A 4 d 4
de = 4 R
2ab 对于矩形管: d e = a+ b
对于方形管:
de = a
非圆管流中的流态判断的临界雷诺
λ计算公式
紊流光滑区: 1 2 lg Re 2.51 (尼古拉兹 光滑区公式)
紊流粗糙区: (尼古拉兹 粗糙区公式)
0.3164 0.25 Re
(布拉修斯公式)
K 0.11 d
0.25
1
3.7d 2 lg K
(希弗林松公式)
半经验公式
纯经验公式
紊流过渡区
0.06 0.04 A

Ⅴ Ⅲ Ⅳ
B A
0.02
2×103 5 104
C 2 5
2
l
曲线的比较
5
105
106
A:尼古拉兹曲线 B:2英寸镀锌钢管 C:5英寸新焊接钢管
在光滑区工业管道的实验曲线和尼古拉兹曲线是重叠 的,因此,流动位于阻力光滑区时,工业管道λ的计算 可以采用尼古拉兹的实验结果。
在粗糙区,工业管道和尼古拉兹的实验曲线都是 与横坐标轴平行。这就存在用尼古拉兹粗糙区公式 计算工业管道的可能性。问题在于如何确定工业管 道的K值。 当量糙粒高度:和工业管道粗糙区λ值相等的同 直径尼古拉兹粗糙管的糙粒高度。
数仍为2000。 应用当量直径计算非圆管的能量损 失,并不适用于所有情况。
对矩形、方形、三角形结果接近, 但对长缝形和星形断面差别较大。 应用于层流时,误差较大。

流体力学课件第四章流动阻力和水头损失

流体力学课件第四章流动阻力和水头损失

l v hf d 2g
2
r w g J 2
w v 8
定义壁剪切速度(摩擦速度) 则
w v
*
v v
*

8
§4-4 圆管中的层流

层流的流动特征
du dy
du du dy dr
du dr
g J
r 2
r du g J 2 dr
层流 紊流
§4-3 沿程水头损失与剪应力的关系

均匀流动方程式
P G cos P2 T 0 1
P p1 A1 1
P2 p2 A2
T w l
G cos gAl cos gA( z1 z2 )
w l p1 p2 ( z1 ) ( z2 ) g g gA
v2 hj 2g
§4-2 粘性流体的两种流态

两种流态
v小
' c
v小
v > vc
v大 v大

临界流速。 下临界流速 vc ——由紊流转化为层流时的流速称为下 临界流速。
vc' ——由层流转化为紊流时的流速称为上 上临界流速
vv
层流 紊流
' c
紊流 层流
a-b-c-e-f f-e-d-b-a
第四章 流动阻力和水头损失
水头损失产生的原因: 一是流体具有粘滞性, 二是流动边界的影响。
§4-1 流动阻力和水头损失的分类

沿程阻力和沿程水头损失
在边界沿程无变化(边壁形状、尺寸、过 流方向均无变化)的均匀流段上,产生的流动 阻力称为沿程阻力或摩擦阻力。由于沿程阻力 做功而引起的水头损失称为沿程水头损失。均 匀流中只有沿程水头损失 h f 。

流体力学ppt课件-流体动力学

流体力学ppt课件-流体动力学

g
g
2g
水头

z
p
g
v2
2g
总水头, hw 水头损失
第二节 热力学第一定律——能量方程
水头线的绘制
总水头线
hw
对于理想流体,总水
1
v12 2g
2
v22 2g
头线是沿程不变的,
测压管水头线
p2
为一水平直线,对于
g
实际流体,总水头沿 程降低,但测压管水
p1 g
头线沿程有可能降低、
z2
不变或者升高。
z1
v2 A2 e2
u22 2
gz2
p2
v1A1 e1
u12 2
gz1
p1
微元流管即为流线,如果不 可压缩理想流体与外界无热 交换,热力学能为常数,则
u2 gz p 常数
2
这个方程是伯努利于1738年首先提出来的,命名为伯努利 方程。伯努利方程的物理意义是沿流线机械能守恒。
第二节 热力学第一定律——能量方程
皮托在1773年用一根弯成直角的玻璃管,测量了法国塞纳河 的流速。原理如图所示,在液体管道某截面装一个测压管和 一个两端开口弯成直角的玻璃管(皮托管),皮托管一端正 对来流,一端垂直向上,此时皮托管内液柱比测压管内液柱 高h,这是因为流体流到皮托管入口A点受到阻滞,速度降为 零,流体的动能变化为压强势能,形成驻点A,A处的压强称 为总压,与A位于同一流线且在A上游的B点未受测压管的影 响,其压强与A点测压管测得的压强相等,称为静压。
第四章 流体动力学
基本内容
• 雷诺输运公式 • 能量方程 • 动量方程 • 流体力学方程应用
第一节 雷诺输运方程
• 前面解决了流体运动的表示方法,但要在流 体上应用物理定律还有困难.

流体力学第四章能量方程ppt完美版

流体力学第四章能量方程ppt完美版

tCV u 2 g d z V CS v n u 2 g d z A Cp S n v dA
pnvd A pnd v A vdA
CS
CS
CS
为0
管道流动
tCV u v 2 2 g d z V CS v n u v 2 2 g z p d A 0
例题
• 自然排烟锅炉,烟囱直径d=1m,烟气流
量Q=7.135m3/s。烟气密度ρ=1.2kg/m3
,烟囱的压强损失Pl=0.035(H/d)( v2/2g),为使烟囱底部入口断面的真空度
不小于10mm水柱。求烟囱的高度。
2
H
1
例题
• 消防喷枪如图所示,已知管道直径
d1=150mm,喷嘴出口直径d2=50mm, 测得水管相对压强为105Pa, (1)如果倾斜角为30度,求射程高度h; (2)要使射程高达h=6m,则倾斜角是多少?
总流的伯努利方程与元流的伯努利方程区别 (1)z1、z2——总流过流断面上同一流线上的两个 计算点相对于基准面的高度; (2)p1、p2——对应z1、z2点的压强(同为绝对压 强或同为相对压强); (3)v1a、v2a——断面的平均流速
计算点相对于基准面的高度;
流体力学第四章能量方程
11黏性流体总流的伯努利方程
A
gv z
p g
dA
gq V z
p g
缓变流,Z+P/ρg为常数
A
gv
v2 dA
2g
1 A
3
A
v va
dA gq V
v2 a
2g
gq V
v2 a
2g
3
1 A
A
v va
dA

流体力学第四章ppt课件

流体力学第四章ppt课件

对于定常无旋运动,式(4-3)括弧内的函数
不随空间坐标x,y,z和时间t变化,因此
它在整个流场为常数。精选课件
10
U p V2 C
2
(通用常数)
对于理想、不可压缩流体、在重力作用下的 定常无、旋运动,因U=-gz,上式可写成
p V2
z
C
(通用常数)
2g
上式为上述条件下的拉格朗日积分式,C在
整个流场都适用的通用常数,因此它在整个流场
建立了速度和压力之间精的选课件关系。
11
若能求出了流场的速度分布(理论或实验的 方法),就能用拉格朗日积分式求流场的压力分 布,再将压力分布沿固体表面积分,就可求出流 体与固体之间的相互作用力。
应用拉格朗日积分式,可解释许多重要的物
理现象:如机翼产生升力的原因;两艘并排行
U 2
2
g
近似代替 20
适用于有限大流束的伯努利方成为:
z p U2 const
2g

z1p1U 21g2 z2p2
U22 2g
方程适用条件:
(13) (14)
(1)理想流体,定常流动;
(2)只有重力的作用;
(3)流体是不可压缩的;
(4)1.2截面处流动须是渐变流。但1.2两断
面间不必要求为渐变流精动选课件。
驶而又靠得很近的船舶为什么会产生互相吸引
的“船吸现象”;以及在浅水航道行驶的船舶为
什么会产生“吸底现象”等等。
精选课件
12
讨论: 1. 如果理想、不可压缩流体作定常、无旋流
动且只有重力作用时,同一水平面上的两 点,其速度和压力的关系如何? 2. 两艘并排行驶而又靠得很近的船舶为什么会产 生互相吸引的“船吸现象”。

流体力学第四章

流体力学第四章
g
2v22
2g
hw
Fx Q(2vx2 1vx1) Fy Q(2vy2 1vy1) Fz Q(2vz2 1vz1)
质量、能量和动量方程旳应用实例
1. 水流对弯管旳作用力 2.水流对分叉管道旳作用力 3.水流射流对管壁旳作用力
【例4-2】 水平放置在混凝土支座上旳变直径弯管,弯管两端与
uz
u y z
Z
1
p z
ux
uz x
uy
uz y
uz
uz z
两边同乘以 dx
dy
dz
沿流线旳微小位移ds在三个坐标轴上旳投影为dx、dy和dz
Xdx
1
p x
dx
ux
ux x
dx
uy
ux y
dx
uz
ux z
dx
Ydy
1
p y
dy
ux
u y x
dy
uy
u y y
dy
uz
u y z
dy
Zdz
x Dt
同理
Y 1 p Duy
y Dt
Z 1 p Duz
z Dt
展开成欧拉法旳体现 式(3-9)
无黏性流体运动微分方程 (欧拉运动微分方程)
X
1
p x
ux t
ux
u x x
uy
ux y
uz
ux z
Y
1
p y
u y t
ux
u y x
uy
u y y
uz
u y z
Z
1
p z
uz t
所以1,2断面间的水头损失为0.83米。
应用恒定总流能量方程式时应注意几点

第一篇 流体力学第四章 阻力损失与管路计算

第一篇 流体力学第四章 阻力损失与管路计算
• 有了当量直径,只要用de 代替d,就可利用圆管的计算公式来进行非圆 管沿程损失的计算,即
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第四节 局部损失的计算
• 局部损失可按下式计算:
• 局部损失的计算可以转化为求局部阻力系数ζ 的问题.对于不同的局部 阻碍,有不同的局部阻力系数ζ 值,其多数通过试验确定,并编制成专用 计算图、表,供计算时查用.表4-1列出了各种常用管件的局部阻力系 数ζ值.应当注意,表4-1中的ζ 值都是针对某一过流断面的平均流速而 言的,查表时必须与指定的断面流速相对应,凡未注明的,均应采用局部 阻碍以后断面的平均流速.
• 根据流体的边界情况,将流动阻力和能量损失分为两种形式:一种是沿 程阻力与沿程能量损失;另一种是局部阻力与局部能量损失.
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第一节 流动阻力与能量损失
• 如图4-1所示,水箱侧壁上连接一根由三段不同直径的管段所组成的 管路.在边壁沿程不变的管段上(1-2、2-3、3-4、4-5段), 阻碍流体流动的阻力沿程基本不变,这类阻力称为沿程阻力.为克服沿 程阻力而产生的能量损失称为沿程能量损失.沿程损失以水柱高度表 示时,称为沿程水头损失,用符号hf 表示.图中的hf12、hf23、hf34、 hf45就是相应1-2、2-3、3-4、4-5各管段的沿程水头 损失.图中整个管路的沿程水头损失等于各管段的沿程水头损失之和, 即
• 人们很早以前就发现沿程损失与流速之间存在着某种关系,但直到1 883年,英国物理学家雷诺在他做的试验中揭示了流体运动存在着 两种流态,这才认识到沿程损失与流速的关系与流态密切相关.
• 雷诺试验的装置如图4-2所示,水箱A 中水位恒定,水流通过玻璃管B 恒定出流,阀门K 用来调节管内流量,容器D 中盛有颜色水,颜色水可以 经过细管E 注入玻璃管B 中.

[理学]流体力学 第4章-基本方程ppt课件

[理学]流体力学 第4章-基本方程ppt课件

r r
z
z
g
1
1 r2
r
r 2 r
1 r
z z
r t
r
r r
r
r
2 r
z
r z
gr
1
1 r
r
r
r
1 r
r
r
zr z
z
t
r
z
r
r
z
z
z
z
gz
1 1 r rz 1 z
r r r
z
z
该偏微分方程组就是所谓的流体运动的应力形式的动量方程, 代入不同流体的本构方程就可以得到不同流体的运动方程。
dE
dt
d dt
V
2
2
dV
比内能
27/57
能量守恒方程 推导
对开放系统,能量守恒方程为:
热通量
d
dt
V
2 2
dV
V
g dV
TdA qdA
( A)
( A)
动能和内 能变化率
体积力 做功
表面力 做功
应用欧拉输运定理,以控制体为研究对象时能量守恒方程
V
2
t
25/57
第三章 基本方程组
§1 输运定理 §2 质量守恒方程 §3 动量方程 §4 角动量方程 §5 能量守恒方程 §6 初始条件和边界条件
26/57
能量守恒方程 推导
能量守恒定律可表述为:系统从外界吸热的速率与系统对外 界做功的速率之差等于系统能量的变化率。
dE Q W ( dt )系统
能量守恒原理是针对封闭物质系统而言的。开放物质系统能 量的变化取决于它和环境的相互作用。若一个系统和它的环境有 力的作用,则总能量变化指动能和内能之和的变化:
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In vector form, the acceleration can be written as
dV V a x, y , z , t V . V dt t


First term is on and is nonzero only for unsteady flows. Second term is called the advective (or convective) acceleration and accounts for the effect of the fluid particle moving to a new location in the flow, where the velocity is different (it can thus be nonzero even for steady flows).
Meccanica dei Fluidi I
11
Chapter 4: Fluid Kinematics
Streamlines and streamtubes
A streamtube consists of a bundle of individual streamlines. Since fluid cannot cross a streamline (by definition), fluid within a streamtube must remain there. Streamtubes are, obviously, instantaneous quantities and they may change significantly with time. In the converging portion of an incompressible flow field, the diameter of the streamtube must decrease as the velocity increases, so as to conserve mass.
dr dxi dyj dzk
By definition dr must be parallel to the local velocity vector
V ui vj wk
Geometric arguments result in the equation for a streamline
Meccanica dei Fluidi I 12 Chapter 4: Fluid Kinematics
Chapter 4: Fluid Kinematics
Overview
Fluid kinematics deals with the motion of fluids without considering the forces and moments which create the motion. Items discussed in this Chapter.
Fluids are composed of billions of molecules. Interaction between molecules hard to describe/model.
However, useful for specialized applications
Sprays, particles, bubble dynamics, rarefied gases. Coupled Eulerian-Lagrangian methods.
DV dV V V. V Dt dt t


Advective acceleration is nonlinear: source of many phenomena and primary challenge in solving fluid flow problems. Provides “transformation”' between Lagrangian and Eulerian frames. Other names for the material derivative include: total, particle, Lagrangian, Eulerian, and substantial derivative.
dr dx dy dz V u v w
Meccanica dei Fluidi I 10 Chapter 4: Fluid Kinematics
Streamlines and streamtubes
NASCAR surface pressure contours and streamlines Airplane surface pressure contours, volume streamlines, and surface streamlines
Named after Italian mathematician Joseph Louis Lagrange (1736-1813).
Meccanica dei Fluidi I 3 Chapter 4: Fluid Kinematics
Eulerian Description
Eulerian description of fluid flow: a flow domain or control volume is defined by which fluid flows in and out. We define field variables which are functions of space and time.
Meccanica dei Fluidi I 7 Chapter 4: Fluid Kinematics
Material Derivative
The total derivative operator d/dt is call the material derivative and is often given special notation, D/Dt.
particle particle particle particle
To take the time derivative, chain rule must be used.
a particle V dt V dx particle V dy particle V dz particle t dt x dt y dt z dt
Meccanica dei Fluidi I 2 Chapter 4: Fluid Kinematics
Lagrangian Description
Lagrangian description of fluid flow tracks the position and velocity of individual particles. Based upon Newton's laws of motion. Difficult to use for practical flow analysis.
a ax x, y, z, t i a y x, y, z, t j az x, y, z , t k
These (and other) field variables define the flow field.
Well suited for formulation of initial boundary-value problems (PDE's). Named after Swiss mathematician Leonhard Euler (1707-1783).
6 Chapter 4: Fluid Kinematics
Meccanica dei Fluidi I
Acceleration Field
Since
dx particle dt
u,
dy particle dt
v,
dz particle dt
w
a particle
V V V V u v w t x y z
The acceleration of the particle is the time derivative of dV particle the particle's velocity: a particle dt However, particle velocity at a point is the same as the fluid velocity, V V x t , y t , z t , t)
Streamlines and streamtubes Pathlines Streaklines Timelines Refractive flow visualization techniques Surface flow visualization techniques
Meccanica dei Fluidi I 9 Chapter 4: Fluid Kinematics
Streamlines and streamtubes
A streamline is a curve that is everywhere tangent to the instantaneous local velocity vector. Consider an infinitesimal arc length along a streamline:
Meccanica dei Fluidi I 5 Chapter 4: Fluid Kinematics
Acceleration Field
Consider a fluid particle and Newton's second law,
Fparticle mparticle a particle
Material derivative and its relationship to Lagrangian and Eulerian descriptions of fluid flow. Fundamental kinematic properties of fluid motion and deformation. Reynolds Transport Theorem.
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