流体力学-总结复习.docx
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1、精品名师归纳总结流体力学 总结+复习第一章 绪论一、流体力学与专业的关系流体力学 是讨论流体 液体和气体 的力学运动规律及其应用的学科。主要讨论在各种力的作用下,流体本身的状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其 他运动外形之间的相互作用的力学分支。讨论对象 :讨论得最多的流体是液体和气体。基础学问 :牛顿运动定律、质量守恒定律、动量(矩)定律等物理学和高等数学的基础学问。后续课程 :船舶静力学、船舶阻力、船舶推动、船舶操纵等都是以它为基础的。二、连续介质模型连续介质 :质点连续的布满所占空间的流体。流体质点 或称流体微团 :忽视尺寸效应但包含很多分子的流体最小单元。连续介质模型 :流
2、体由流体质点组成,流体质点连续的、无间隙的分布于整个流场中。三、流体性质可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结33密度:单位体积流体的质量。以 表示,单位: kg/m 。重度:单位体积流体的重量。以 表示,单位: N/m 。密度和重度之间的关系为: gAlimV0AlimV0mdmVdVGdGVdV可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结流体的粘性:流体在运动的状态下,产生内摩擦力以抗击流体变形的性质。牛顿内摩擦定律:Fdu ,其中为粘性系数,单位: Nsm2 asAdy运动粘性系数:,单位: m2/s可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结粘性产生的缘由:是由流淌流
3、体的内聚力和分子的动量交换所引起的。牛顿流体 :内摩擦力按粘性定律变化的流体。非牛顿流体 :内摩擦力不按粘性定律变化的流体。四、作用于流体上的力质量力(体积力):其大小与流体质量(或体积)成正比的力,称为质量力。例如重可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结力、电磁力以及惯性力等均属于质量力。FxX lim,m0mFyY lim,m0mZ limFzm0m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结表面力: 作用于点处单位面积上的法向力和切向力,plimdFn,lim dF可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结五、流体静压特
4、性dA0 dAdA0 dA可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结特性一:静止流体的压力沿作用面的内法线方向特性二:静止流体中任意一点的压力大小与作用面的方向无关,只是该点的坐标函数。六、压力的表示方法和单位肯定压力 pabs:以肯定真空为基准运算的压力。相对压力 p:以大气压 pa 为基准运算计的压力,其值即为肯定压力超过当的大气压的数值。p=pabs - pa真空度 pv:pv=pa - pabs= - p国际单位制( SI): N m 或 Pa。1 Pa Nm液柱高:长度单位,如水银柱、水柱等。大气压:包括标准大气压和工程大气压。标准大气压Patm=1.013105 Pa=760
5、汞柱 =10.33水柱可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结工程大气压Pata= kgf/cm2 =0.981105Pa=0.968 atm可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其次章 流体静力学讨论内容 :讨论静止流体的压力、密度、温度分布,以及流体对器壁或物体的作用可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结力。主要内容:欧拉平稳微分方程、静力学基本方程(静压力分布规律)、平板上的作用力及压力中心、曲面上的作用力、阿基米德定理一、欧拉平稳微分方程可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结p欧拉平稳微分方程:X ,pY,pZ ,该式说明, 在平稳的情形下,可编辑
6、资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结xyz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结压力梯度必需和质量力取得平稳。欧拉平稳微分方程的综合形式:dp XdxYdyZdz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结对于不行压缩流体, 质量力有势, XUYxUZUyz,称为质量力势可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结函数引进势函数之后,欧拉方程式变为:dpdU等压面:压力相等之各点所组成的面。等压面特性:在流体静止时,质量力垂直于等压面,等压面与等势面重合。二、流体静力学基本方程式可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳
7、总结流体静力学基本方程式:pp0h ,也称静压力分布规律。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结流体的静压强具有两个重要特性:特性一:流体静压强的作用方向总是沿其作用面的内法线方向。特性二:在静止流体中任意一点上的压强与作用的方位无关,其值均相等。三、平板上的作用力及压力中心可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结平板上的作用力:Pp0hc,静水总压大小:Ppchc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结IC压力中心: DCC可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结四、曲面上的作用力(1) )总作用力的水平分力: Fxhc Ax可编辑资料 - - - 欢迎下载
8、精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(2) )总作用力的垂直分力:FzVab可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2(3) )作用在曲面上总作用力的大小和方向为:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2FFxFz,tgFxFz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(4) )总作用力的作用点:总作用力的水平分力的作用线通过平面Ax 的压力中心,而垂直分力的作用线通过可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结压力体的重心。故总作用力必通过两者的交点。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名
9、师归纳总结(5) )压力体及其确定原就:压力体液体无关。一般方法如下:(a) )取自由液面或其延长线。(b) )取曲面本身。Vab 是一个纯数学概念,而与该体积内是否布满可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(c) )曲面两端向自由液面投影,得到两根投影线。(d) )以上四根线将围出一个或多个封闭体积,这些体积在考虑了力的作用方向后的矢量和就是所求的压力体。压力体的种类:实压力体和虚压力体。实压力体方向向下,虚压力体方向向上五、阿基米德定理沉没于液体中的物体受到浮力(垂直向上的合压力)的大小等于该物体所排开液体的重量,浮力的作用点称为浮心,为物体的形心。浮力的本质:物体上下表面受到的
10、静水压力差。六、本章难点:1、在应用静力学基本方程解题时,如何判定等压面是要点,要利用等压面和静力学基本方程把问题联系起来,判定等压面要留意三个方面:一是流体是否连通。二是看是否为同种流体。三是看是否在同一平面上。2、对于相对静止容器中流体的平稳问题, 平稳微分方程的积分关键是如何确定系统中的质量力,然后就可代入进行积分了。解题中关键要能运用好等压面方程(主要是自 由液面方程)来解决工程实际问题。3、对于复杂曲面,流体的垂直作用力如何确定,一方面是要对复杂曲面进行分解,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结然后将全部垂直分力求和。另一方面对总作用力的作用点可依据通过对称物体的中心,
11、或依据水平分力与垂直分力共面时,由通过两者的交点来确定。第三章 流体运动学流体运动学是用几何的观点来讨论流体的运动,暂不涉及力的问题。对流体运动用数学方程进行描述,并进行肯定的求解。主要内容:1. 介绍讨论流体运动的两种方法:拉格朗日法和欧拉法2. 介绍流线、迹线、速度环量等基本概念3. 建立连续性方程4. 流体微团运动分析5. 有旋运动与无旋运动6. 引入速度势函数和流函数一、讨论流体运动的两种方法流体质点 particle:体积很小的流体微团,流体就是由这种流体微团连续组成的, 流体微团在运动的过程中,在不同的瞬时,占据不同的空间位置。空间点:空间点仅仅是表示空间位置的几何点,并非实际的流
12、体微团。空间点是不动的,而流体微团移动。同一空间点,在某一瞬时为某一流体微团所占据,在另一瞬时又为另一新的流体团所占据。1、拉格朗日法拉格朗日法 :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)运动求得整个流淌。质点系法某一质点 t =t 0 起始时刻坐标( a, b, c),运动后任意时刻t 的坐标:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结空间坐标x f1a,b,c,ty f2a,b,c,tz f3a,b,c,t可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结a、b、c 和 t ,称为 拉格朗日变数可编辑资料 - - -
13、欢迎下载精品名师归纳总结任何质点在空间的位置( x, y, z)都可看作是( a, b, c)和时间 t 的函数(1)( a, b, c)=const , t 为变数,可以得出某个指定质点在任意时刻所处的位置。(2)(a, b, c)为变数 , t =const ,可以得出某一瞬时不同质点在空间的分布情形。由于位置是时间 t 的函数, x、y、z 分别对 t 求导,可求得该质点的速度及加速度投影:2uxuxxxa2txtt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结速度 uy加速度u2 y可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2yytayttuzzu2 zzatztt2流体的压强
14、、密度也可表示为: p =f 4 a,b,c,t,=f 5a,b,c,tp:流体流经某点时的压强 流体动压强p= p x+p y+p z/3由于流体质点的运动轨迹特别复杂,而有用上也无须知道个别质点的运动情形,所以除了少数情形(如波浪运动)外,在工程流体力学中很少采纳。二、欧拉法欧拉法( euler method )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。流场法它不直接追究质点的运动过程,而是以布满运动液体质点的空间流场为对象。讨论各时刻质点在流场中的变化规律。通过观看在流淌空间中的每一个空间点上运动要素随时间的变化,把足够多的空间点综合起来而得出的整个流体的
15、运动情形。流场运动要素是时空( x, y, z, t )的连续函数:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结速度投影:uxF1x,y,z,tuyF2x,y,z,tuzF3x,y,z,t(x, y, z, t ) 欧拉变数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结欧拉加速度可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结avxvvxvvxvvx可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结xxyztxyzvyvyvyvyayvxvyvztxyz因欧拉法较简便,是常用的方法。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1)局部导数 : 在固定空间点处,随时间变化而引起的加速度,
16、 又叫“局部加速度”。)变位导数,或对流导数。它是在同一时间,在空间不同点处速度不同而引起的加速度,又叫“对流加速度” 。二、几个基本概念1、定常运动与非定常运动:在任意固定空间点处,全部物理量均不随时间而变化的流淌。vxvyvzp0ttttt2、轨迹线 path line: 连续时间内流体质点在空间经过的曲线称为轨迹线。它的着眼点是个别流体质点,因此它是与拉格朗日法相联系的。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结轨迹线的方程式 :dxdydzdt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结vx x, y, z, tvy x, y, z,t vz x, y, z, t3、流线st
17、ream line: 流场中这样一条连续光滑曲线: 它上面每一点的切线方向与该点的速度矢量方向重合。dxdydz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结xyz流线的微分方程 : v x, y, z,t v x, y, z, tv x, y, z,t 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结留意:在定常流淌情形下,流线的位置不随时间而变,且与迹线重合。在非定常流淌情形下,流线的位置随时间而变。流线与迹线不重合。迹线与流线的比较:概念定义备注可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结流线是表示流体流淌趋势的一条曲线,在同一流 线 瞬时线上各质点的速度向量都与其相切,它描述了流
18、流线方程为: dludxdydzuxuyuz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结场中 不同质点 在同一时刻 的运动情形。时间 t 为参变量。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结迹线是指某一质点在某一时段内的运动轨迹,迹 线它描述流场中 同一质点 在不同时刻 的运动情形。迹线方程为:dxuxdydzdtuyuz可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4、流管和流量 flowrate式中时间 t 为自变量。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结流管:设某一瞬时,流场中任封闭曲线C(不是流线),经过曲线 C 的每一点作出该瞬时的流线,这些流线的组合形成一个管
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