流体力学重点概念总结2.docx

精品名师归纳总结第一章 绪论表面力 ：又称面积力,是毗邻流体或其它物体,作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用面积成比例。剪力、拉力、压力质量力 ：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力,它的大小与质量成正比。重力、惯性力流体的平稳或机械运动取决于：1. 流体本身的物理性质（内因）2. 作用在流体上的力（外因）牛顿通过闻名的 平板试验, 说明白流体的粘滞性,提出了牛顿内摩擦定律。= du/dy 只与流体的性质有关,与接触面上的压力无关。动力粘度 ： 反映流体粘滞性大小的系数,单位： N.s/m2运动粘度： = / 其次章流体静力学 流体静压强具有特性1. 流体静压强既然是一个压应力,它的方向必定总是沿着作用面的内法线方向,即垂直于作用面,并指向作用面。2. 静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关,即同一点上各方向的静压强大小均相等。静力学基本方程 : P=Po+pgh等压面 ：压强相等的空间点构成的面肯定压强 ：以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强Pabs 相对压强 ：以当的大气压为基准起算的压强P P=PabsPa（当的大气压）真空度 ：肯定压强不足当的大气压的差值,即相对压强的负值Pv Pv=Pa-Pabs= -P测压管水头：是单位重量液体具有的总势能基本问题：1、求流体内某点的压强值：p = p0 + h。2、求压强差： p p0 =h 。3、求液位高： h =（p - p0）/ 平面上的净水总压力：潜没于液体中的任意外形平面的总静水压力P,大 小等于受压面面积 A 与其形心点的静压强pc 之积。留意： 只要平面面积与形心深度不变:1 面积上的总压力就与平面倾角无关。2 压心的位置与受压面倾角无直接关系,是通过 yc 表现的。3 压心总是在形心之下,在受压面位置为水平放置时,压心与形心重合。作用在曲面壁上的总压力水平分力作用于曲面上的静水总压力P 的水平分力 Px 等于作用于该曲面的在铅直投影面上的的投影（矩形平面）上的静水总压力,方向水平指向受力面,作用线通过面积Az 的压强分布图体积的形心。作用在曲面壁上的总压力垂直分力作用于曲面上的静水总压力P 的铅垂分力 Pz 等于该曲面上的压力体所包含的液体重,其作用线通过压力体的重心,方向铅 垂 指向受力面。帕斯卡原理： 静止不行压缩流体内任意一点的压强变化等值传递到流体内的其他各点。 重力场中静止流体等压面的特点（ 1）静止、同一水平面。（ 2）质量力仅有重力。（ 3）连通。（ 4）连通的介质为同一均质流。 第三章 流体运动学拉格朗日方法： 是以流场中每一流体质点作为描述对象的方法,它以流体个别质点随时间的运动为基础,通过综合足够多的质点（即质点系）运动来确定整个流体的流淌。质点系法欧拉法 ：是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述对象讨论流淌的方法流场法。流体质点的加速度（流速对时间求导）有两部分组成：1） 时变加速度（当的加速度）流淌过程中流场由于速度随时间变化而引起的加速度。2） 位变加速度（迁移加速度）流淌过程中流场中速度分布不均,因位置变化而引起的加速度。流线流线的定义 ：是表示某一瞬时流体各点流淌趋势的曲线,曲线上任一点的切线方向与该点的流速方向重合。流线的性质： a、同一时刻的不同流线,不能相交。b 、流线不能是折线,而是一条光滑的曲线。c 、流线簇的疏密反映了速度的大小迹线迹线的定义： 是指某一质点在某一时段内的运动轨迹线。层流与紊流层流： 亦称片流,是指流体质点不相互混杂,流体质点作有条不紊的有序的直线运动。层流特点 （ 1）有序性。（ 2）水头缺失与流速的一次方成正比Hf=kv。（ 3）在流速较小且雷诺数Re 较小时发生。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（ 4）层流遵循牛顿内摩擦定律,粘性抑制或约束质点作横向运动。紊流： 是指随流速增大,流层逐步不稳固,质点相互混掺,流体质点沿很不规章无序的路径运动。紊流特点： 无序性、随机性、有旋性、混合性。 在圆管流中水头缺失与流速的1.752 次方成正比。 Hf=kv 1.752 在流速较大（雷诺数较大）时发生。4 紊流发生是受粘性和紊动共同作用的结果有压流与无压流（1） 有压流： 流体布满整个流淌空间,在压力作用下的流淌。（2） 无压流： 流体具有与大气相接触的自由表面（未布满整个流淌空间）,在重力作用下的流淌。（3） 满流： 流体布满整个流淌空间。（4） 非满流： 流体为布满整个流淌空间。有旋流和无旋流有旋流： 亦称“涡流”。流体质点（微团）在运动中不仅发生平动（或形变）,而且围着自身的瞬时轴线作旋转运动。无旋流： 亦称“势流”、“有势流”。流体在运动中,它的微小单元只有平动或变形,但不发生旋转运动,即流体质点不绕其自身任意轴转动。恒定流与非恒定流恒定流： 是指流场中的流体流淌,空间点上各水力运动要素均不随时间而变化。严格的恒定流只可能发生在层流,在紊流中,由于流淌的无序,其实流速或压强总有脉动,但如取时间平均流速（时均流速） 非恒定流： 是指流场中的流体流淌,空间点上各水力运动要素均随时间的变化而变化。在非恒定流情形下,流线的位置随时间而变。流线与迹线不重合。在恒定流情形下,流线的位置不随时间而变,且与迹线重合。匀称流与非匀称流匀称流迁移加速度为0匀称流中各过水断面上的流速分布图沿程不变,过水断面是平面,沿程各过水断面的外形和大小都保持一样。例：等直径直管中的液流或者断面外形和水深不变的长直渠道中的水流都是匀称流。非匀称流迁移加速度不等于0 的流淌非匀称流中流场中相应点的流速大小或方向或同时二者沿程转变,即沿流程方向速度分布不均。（非匀称流又可分为急变流和渐变流）。渐变流与急变流渐变流： 沿程逐步转变的流淌。特点： 1）流线之间的夹角很小即流线几乎是平行的）,同时流线的曲率半径又很大（即流线几乎是直线）,其极限是匀称流。2 ）过水断面可看作是平面。3 ）渐变流的加速度很小,所以惯性力很小,可以忽视不计,质量力只考虑重力作用。急变流： 沿程急剧转变的流淌。特点： 1）流线间夹角很大或曲率半径较小或二者兼而有之,流线是曲线。2 ）急变流的加速度较大,因而惯性力不行忽视。第四章 流体动力学基础元流的伯努利方程元流伯努利方程的物理意义与几何意义z:是元流过流断面上单位重量流体从某一基准面算起所具有的位能,称单位位能。p / g :是元流过流断面上单位重量流体所具有的压能,称单位压能。z+p/ g:是元流过流断面上单位重量流体从某一基准面算起所具有势能,称单位势能。u 2/2g:是元流过流断面上单位重量流体所具有的动能（kinetic energy）,称单位动能。（1） 物理意义： 1）元流各过流断面上单位重量流体所具有的机械能（位能、压能、动能之和）沿流程保持不变。2）也表示了元流在不同过流断面上单位重量流体所具有的位能、压能、动能之间可以相互转化的关系。z是位置水头。p/ g是压强水头。z+p/ g是测压管水头。u 2/2g是速度水头 velocity head（2） 几何意义：1） 元流各过流断面上总水头H位置水头、压强水头、速度水头之和 沿流程保持不变。2） 也表示了元流在不同过流断面上位置水头、压强水头、速度水头之间可以相互转化的关系。皮托管测流速常见的皮托管是由装有一半圆球探头的双层套管组成,并在两管末端联接上压差计。探头端点 A 处开一小孔与内套管相连,直通压差计的一肢。外套管侧表面沿圆周匀称的开一排与外管壁相垂直的小孔 静压孔 ,直通压差计的另一肢。测速时,将皮托管放置在欲测速度的恒定流中某点A,探头对着来流,使管轴与流体运动的方向相一样。流体的速度接近探头时逐步减低,流至探头端点处速度为零。恒定总流的伯努利方程（1） 物理意义位（置势）能 Z ： 表示过流断面上单位重量流体所具有的重力势能。压（力势）能 p/ g： 表示过流断面上单位重量的流体所具有的压力势能。 动能 v2/2g ：表示过流断面上单位重量的流体所具有的平均动能。（2） 几何意义可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结z： 称为断面位置水头。p/ g：称为断面压强水头。 v2/2g ： 称为断面速度水头。 z+p/ g：称为断面测压管水头。z+p/ g+u2/2g=H ：称为断面总水头。这些量都具有长度的量纲 L ,将这些具有水位高度的量称为水头。总水头线： 沿流管各总水头值的连线,是流管坐标的函数。水头线： 沿流管各测压管水头值的连线,是流管坐标的函数。水力坡度： 单位长度上的水头缺失。测压管水头线坡度：单位长度上测压管水头的降低或上升。对匀称流淌,就总水头线与测压管水头线平行,即J = JP 能量方程（伯努力方程）适用条件1） 恒定流淌。2） 流体不行压缩。3） 质量力只有重力作用。4） 两过水断面处为匀称流或渐变流。5） 流量沿程不变。6） 两过水断面间无能量输入输出。第六章 流淌阻力和水头缺失产生流淌阻力和能量缺失的根源：流体的粘性和紊动。：单位重量流体的平均能量缺失称为水头缺失。沿程阻力和沿程水头缺失：沿程阻力： 当限制流淌的固体边界使流体作匀称流淌时,流淌阻力只有沿程不变的切应力形成的阻力。沿程水头缺失： 由沿程阻力作功而引起的水头缺失。沿程水头缺失hf ： 主要由于“摩擦阻力”所引起的,随流程的增加而增加。局部阻力和局部水头缺失局部阻力： 液流因固体边界急剧转变而引起速度分布的变化,从而产生的阻力称为局部阻力。局部水头缺失： 由局部阻力作功而引起的水头缺失称为局部水头缺失。局部阻力水头缺失hj： 主要是由于固体边界外形突然转变,从而引起水流内部结构遭受破坏,产生漩涡,以及在局部阻力之后,水流仍要重新调整结构以适应新的匀称流条件所造成的。水头线图的绘制方法：1、绘制总水头线。总水头线总是沿程下降。在有局部水头缺失的的段,有较集中的下降。在有沿程水头缺失的的段,就逐步的下降。在有外加能量的的点,就有一个集中的上升。2、绘制测压管水头线。测压管水头线比总水头线到处低一个流速水头值。测压管水头线可能沿程下降,也可能会上升。3、利用已知边界条件作为水头线的起点和终点。留意：1、抱负流淌流体的总水头线为水平线。2、实际流淌流体的总水头线恒为下降曲线。3、测压管水头线可升、可降、可水平。4、如是匀称流,就总水头线平行于测压管水头线,即J=JP。3、流态的判别准就 临界雷诺数 Rec雷诺试验揭示了水流的两种流淌状态：层流和紊流; 并测定了流淌缺失及水流速度与流态之间的关系。（1） 临界流速判别：因不同的管径大小、流体种类和流体温度,得到的临界流速不同。（2） 临界雷诺数判别：临界流速 v 与过流断面的特性几何尺寸 管径 d、流体的动力粘度 和密度 有关,这四个量可以组成一个特点数 量纲一的量或无量纲数 称雷诺数Re雷诺数的物理意义：雷诺数是以宏观特点量表征的流体质点所受惯性力与粘性力之比。粘性底层： 圆管作湍流运动时,靠近管壁处存在着一薄层,该层内流速梯度较大,粘性影响不行忽视,紊流附加切应力可以忽视,速度近似呈线性分布,这一薄层就称为粘性底层。 （随雷诺数增大而减小）紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。肯定粗糙度 : 粗糙突出管壁的平均高度。相对粗糙度 : 管壁的肯定粗糙度 与管径 的比值 .尼古拉兹试验1.试验目的：讨论沿程阻力系数与雷诺数 Re 和管壁相对粗糙度 Ks/d 之间的关系,揭示的变化规律。第 1 区层流区 , =fRe。 =64/Re,沿程缺失与流速的一次方程正比。第 2 区层流转变为紊流的过渡区。=fRe,范畴较小,一般按水力光滑区处理。第 3 区水力光滑管区。紊流状态,Re>3000,=fRe,水头缺失与流速的1.75 次方成比例。第 4 区由“光滑管区”转向“粗糙管区”的紊流过渡区,=fRe,/d。第 5 区水力粗糙管区或阻力平方区。=f（ /d ）,水流处于进展完全的紊流状态,水流阻力与流速的平方成正比,故又称阻力平方区。当量粗糙度把直径相同、紊流粗糙区 值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks 定义为该管材工业管道的当量粗糙。附面层（边界层） ：粘度小的流体（如水和空气）绕过物体运动时,摩擦阻力主要发生在紧靠物体表面的一个流速梯度很大的流体薄层内, 粘性影响起主要作用。外形阻力： 指流体绕曲面体或具有锐缘棱角的物体流淌时,附面层要发生分别,从而产生旋涡所造成的阻力。这种阻力与物体外形有关,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结故称为外形阻力。卡门涡街当 Re 40 时黏性流体绕过圆柱体,发生边界层分别,在圆柱体后面产生一对旋转方向相反的对称旋涡。Re 40 70对称旋涡位置已不稳固,尾流有周期性振荡。Re 90 时,旋涡从柱体后部交替释放出来,形成有规章的交叉排列的旋涡组合,这种旋涡具有肯定的脱落频率,称为卡门涡街.绕流阻力瘦长流线型物体,以平板为例,绕流阻力主要由摩擦阻力来打算,阻力系数与雷诺数有关;钝头曲面物体,以圆柱和圆球为例,绕流阻力既与摩擦阻力有关,又与压差（外形）阻力有关。在低雷诺数时,主要为摩擦阻力,阻力系数与雷诺数有关。在高雷诺数时,主要为压差（外形）阻力。第七章 孔口、管嘴出流和有压管流有压管流： 管道中流体在压力差作用下的流淌。有压管道： 输送有压液流的管道。有压恒定管流： 当管流的全部运动要素均不随时间变化的管流。有压非恒定管流： 管流的运动要素随时间变化的管流。孔口出流：在容器壁上开孔,水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流。孔口的分类：依据 d/H 的比值大小分：大孔口、小孔口大孔口： 当孔口直径 d（或高度 e）与孔口形心以上的水头高H的比值大于 0.1 ,即 d/H>0.1 时,需考虑在孔口射流断面上各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化,这时的孔口称为大孔口。小孔口：当孔口直径d（或高度 e）与孔口形心以上的水头高度 H的比值小于 0.1 ,即 d/H<0.1 时,可认为孔口射流断面上的各点流速相等,且各点水头亦相等,这时的孔口称为小孔口。依据出流条件分：自由出流、埋没出流自由出流：如经孔口流出的水流直接进入空气中,此时收缩断面的压强可认为是大气压强,即pc = pa ,就该孔口出流称为孔口自由出流。埋没出流：如经孔口流出的水流不是进入空气,而是流入下游水体中,致使孔口埋没在下游水面之下,这种情形称为埋没出流。依据孔口壁是否对水流运动有影响分为薄壁孔口与厚壁孔口薄壁孔口：当孔口具有锐缘时,孔壁与水流仅在一条周线上接触,即孔口的壁厚对出流并不发生影响,这种孔口称为薄壁孔口。厚壁孔口：当孔口孔壁与水流接触具有肯定长度,即孔口的壁厚对出流有肯定影响时,称这种孔口为厚壁孔口。依据孔口水头变化情形分：恒定出流、非恒定出流恒定出流：当孔口出流时,水箱中水量如能得到源源不断的补充,从而使孔口的水头不变,此时的出流称为恒定出流。非恒定出流：当孔口出流时,水箱中水量得不到补充,就孔口的水头不断变化,此时的出流称为非恒定出流。管嘴出流：在孔口上对接长度为34 倍孔径的短管,经此短管并在出口断面满流流出的水力现象称为管嘴出流。按管嘴的外形可分为：1） 流线形外管嘴：无收缩扩大,阻力系数最小。2） 圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。3） 圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。如：消防用喷嘴。4） 圆锥形扩张管嘴：较大过流才能,较低出口流速。管嘴出流的正常工作条件：1. 作用水头 Ho 小于等于 9m。 Ho 过大,真空高度过大,空气从管嘴吸入,不能正常出流。2. 管嘴长度 l=3-4d。 l过短,有空气进入,不能形成真空。l 过长,沿程水头缺失不能忽视。在相同水头 H0 的作用下,同样断面面积的管嘴的过流才能是孔口的1.32 倍。结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75 倍。这就相当于把管嘴的作用水头增大了75%,这就是为什么相同直径、相同作用水头下的圆柱向外管嘴的流量比孔口大的缘由。短管的水力运算有压管流与无压流：有压管流：管道中流体在压强差作用下的流淌称为有压管流。有压管道：输送有压液流的管道。有压恒定管流：当管流的全部运动要素均不随时间变化的管流。有压非恒定管流：管流的运动要素随时间变化的管流。无压流：流体在重力作用下发生运动,具有自由表面,也称明渠流。长管： 指管道中以沿程水头缺失为主,局部水头缺失和流速水头所占比重小,可以忽视的管道。短管： 沿程水头缺失和局部水头缺失比例相当,运算时都不行忽视的管道有压管中的水击1、水击现象 ：在管道系统中,当某种外界因素（闸阀急速开启或关闭,水泵的开停机）使管道流速发生变化时,从而引起管道中压强交替升降,压力波在管道中的传播,产生水力冲击的现象。直接水击： 当关闭阀门时间小于或等于一个相长时,最早由阀门处产生的向上传播而后又反射回来的减压顺行波,在阀门全部关闭时仍未到达阀门断面,在阀门断面处产生的可能最大水击压强将不受其影响,这种水击称直接水击。间接水击： 当关闭阀门时间大于一个相长时,从上游反射回来的减压波会部分抵消水击增压,使阀门断面处不致达到最大的水击压强,这种水击称为间接水击。正水击： 当管道阀门快速关闭时,管中流速快速减小,压强显著增大,这种水击称为正水击。负水击： 当管道阀门快速开启时,管中流速快速增大,压强显著减小,这种水击称为负水击。2、水击产生的因素 ：水流惯性,水体压缩性,管壁弹性是引起水击现象的力学因素。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3、水击破坏 ：水击产生的高压会导致输送管道破裂,闸门等管道装置损坏。水泵与电机的损坏。水击引起的低压,产生真空,使薄壁钢管由失稳而扭曲,管中水体汽化发生断流,引起弥合水击水击危害的预防1、设置空气室,或安装具有安全阀性质的水击排除阀。2、设置调压塔：减小水击压强及缩小水击的影响范畴。3、延长阀门关闭时间。 （缓闭止回阀）4、缩短有压管路的长度。 （用明渠代替）5、减小管内流速（如加大管径）。第八章明渠恒定流明渠：是人工渠道、自然河道以及不满流管道统称为明渠。明渠流 ：具有露在大气中的自由液面的槽内液体流淌称为明渠流（明槽流）或无压流明渠流淌的特点：1、具有自由液面, p0=0,无压流（满管流就是有压流）。2、重力是流淌的动力,重力流（管流是压力流）3、渠道的坡度影响水流的流速、水深。4、边界突然变化时,影响范畴大。明渠的分类1、按明渠的断面外形和尺寸是否变化分梯形：常用的断面外形矩形：用于小型浇灌渠道当中抛物线形：较少使用圆形：为水力最优断面,常用于城市的排水系统中复合式：常用于丰、枯水量悬殊的渠道中棱柱形渠道 ：断面外形和尺寸沿程不变的长直明渠称为棱柱形渠道。 h=fi非棱柱形渠道 ：断面外形和尺寸沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道。h=fi,s 2、按底坡分底坡 i 渠道底部沿程单位长度的降低值。平坡： i=0 ,明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。正坡： i>0 ,明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。逆坡： i<0 ,明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。明渠匀称流的发生条件 1）底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形渠道。2） 渠道必需为顺坡 i>0 。3） 渠道中没有建筑物的局部干扰。4） 明渠中的水流必需是恒定的,沿程无水流的汇入、汇出,即流量不变。明渠匀称流的特点 1）过水断面的外形和尺寸、断面平均流速、流量和水深沿程不变。2）总水头线、测压管水头线（水面坡度）和渠底线相互平行水力最优断面 ：是指当渠道底坡、糙率及面积大小肯定时,通过最大流量时的断面形式。说明： 1、具有水力最优断面的明渠匀称流,当i , n, A 给定时,水力半径 R 最大,即湿周 X最小的断面能通过最大的流量。2、i ,n,A 给定时,湿周 P 最小的断面是圆形断面,即圆管为水力最优断面。渠道答应流速为了防止渠道中发生冲刷淤积,保证渠道稳固的输水才能, 设计时应保证：Vmax>V>Vmin可编辑资料 - - - 欢迎下载