传输原理-4-动量微分方程ppt课件.ppt
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1、冶金传输原理冶金传输原理北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院 冶金传输原理冶金传输原理第一部分流体力学第一部分流体力学第四章:动量传输的微分方程第四章:动量传输的微分方程吴铿吴铿 2009.03.15第四章第四章 流体动力学流体动力学 4.1 连续性微分方程连续性微分方程 4.2 理想流体运动方程理想流体运动方程 4.3 伯努利方程伯努利方程 4.4 伯努利方程的应用伯努利方程的应用 4.5 实际流体运动方程实际流体运动方程4.1 连续性微分方程连续性微分方程 微元控制体微元控制体(流体的密度为流体的密度为)流进流进ABCD面面的质量流量的质量流量流出流出EFGH面面的
2、质量流量的质量流量xxxdydzdx dydzxX轴方向的净流入的质量轴方向的净流入的质量(流入和流出之差流入和流出之差)。xdxdydzxxdydz()xxdx dydzx4.1 连续性微分方程连续性微分方程 同理可以给出同理可以给出y和和z两个方向上的表达式。两个方向上的表达式。 流体考虑三个方向上净流入质量为:流体考虑三个方向上净流入质量为:yxzdxdydzxyz净流入量导致微元控制体内流体密度的变化,净流入量导致微元控制体内流体密度的变化,微元体内单位时间微元体内单位时间质量的累积质量的累积(或累积的质量或累积的质量)()dxdydzdxdydzdxdydztt质量守衡定律质量守衡定
3、律:净流入质量:净流入质量= =累积的质量累积的质量( (质量的累积质量的累积) )yxzdxdyddxdydzyztxz0yxzztxy 由前面的方程可以得到连续性方程由前面的方程可以得到连续性方程 式中未涉及力的问题,是运动学方程,对理想流体和式中未涉及力的问题,是运动学方程,对理想流体和粘性流体均适用,实际存在的流体都必满足连续性方程粘性流体均适用,实际存在的流体都必满足连续性方程xyzDDttxyz0yxzxyz()0yxzDDtxyz 将上式展开,考虑将上式展开,考虑可得:可得:不可压缩流,不可压缩流,为常数为常数4.1 连续性微分方程连续性微分方程0yxzztxy0yxzxyz对于
4、稳定流动对于稳定流动0t例题例题1:已知某二维不可压缩流的速度分布:已知某二维不可压缩流的速度分布(或速或速度场度场)如下,如下,试分析此流场是否存在?试分析此流场是否存在?解:因为流场是否存在必须满足连续性方程,所以可用解:因为流场是否存在必须满足连续性方程,所以可用上面的直角坐标公式来判断。由于:上面的直角坐标公式来判断。由于:26()xxy32yyz4zxyz对于园柱坐标,不可压缩流:对于园柱坐标,不可压缩流:10rzrrrzr4.1 连续性微分方程连续性微分方程例题例题2 试判断下列平面流场是否连续?试判断下列平面流场是否连续?6xx2yy4zz624120yxzxyz22 sinco
5、s ,2 cosrrr 0zz2sincosrr4 sincosr 2 sincosrrr12sincos4sincos2sincos0rrrrr解:解:因为因为 代入前面的园柱坐标公式可代入前面的园柱坐标公式可得得说明此流场是说明此流场是不连续的,亦不连续的,亦即不存在。即不存在。说明此流场是连续的。说明此流场是连续的。4.1 连续性微分方程连续性微分方程 取一个微分控制体如图所示。由于动量是矢量,首先取一个微分控制体如图所示。由于动量是矢量,首先考察考察x轴方向上的动量。这一方向上动量输入、输出轴方向上的动量。这一方向上动量输入、输出控制体的方式有三种,即沿着控制体的方式有三种,即沿着x轴
6、,以及沿着轴,以及沿着y轴和轴和z轴的输入、输出。轴的输入、输出。 沿沿x轴输入和输出的轴输入和输出的动量速率动量速率(流密度流密度)分分别为:别为:4.2 理想流体运动方程理想流体运动方程(欧拉方程欧拉方程),xxdydz xxxxdx dydzx 净动量速率为净动量速率为xxdxdydzx 4.2 理想流体运动方程理想流体运动方程(欧拉方程欧拉方程) 同理,在沿着同理,在沿着y轴和轴和z轴方向上,轴方向上,x轴方向上的净动量轴方向上的净动量速率分别为速率分别为xydxdydzy xzdxdydzz 三个方向之和即为三个方向之和即为 轴方向总的净动量速率:轴方向总的净动量速率:xyxxxzd
7、xdydzxyz 设设x轴方向上单位质量的质量力为轴方向上单位质量的质量力为 ,则整个微元控制,则整个微元控制体的体的x轴方向的质量力为:轴方向的质量力为:Xdxdydz4.2 理想流体运动方程理想流体运动方程(欧拉方程欧拉方程) 在在x轴方向上,控制体内累积的动量速率为轴方向上,控制体内累积的动量速率为xdxdydzt 将上述公式代入动量守恒定律中,于是有将上述公式代入动量守恒定律中,于是有xxyxxxzPXxxyzt 展开上式右侧各项,考虑连续性方程,并假定密度不展开上式右侧各项,考虑连续性方程,并假定密度不变,则有:变,则有:xxxxxyzPXxtxyzD1DxPXxt4.2 理想流体运
8、动方程理想流体运动方程(欧拉方程欧拉方程) 关于关于y、z方向上的力与动量速率,也应该有类似的关方向上的力与动量速率,也应该有类似的关系,它们的表达式如下:系,它们的表达式如下:yyyyxyzPYytxyzzzzzxyzPZztxyzD1DyPYytD1DzPZzt 将前面的动量速率与力的分量式将前面的动量速率与力的分量式(共共3个个)写成矢量式,写成矢量式,可得:可得:1DDPtF 这就是理想流体运动方程,是这就是理想流体运动方程,是1775年欧拉年欧拉(Euler)首先首先提出的,亦称欧拉方程。提出的,亦称欧拉方程。4.3 伯努利方程伯努利方程 因为只考虑定常流动,所以欧拉方程中的因为只考
9、虑定常流动,所以欧拉方程中的P、x、y和和z都只是坐标都只是坐标x、y、z的函数,而与时间的函数,而与时间t无关。也就是无关。也就是说:说: 因此在定常流动下,欧拉方法的速度表达式:因此在定常流动下,欧拉方法的速度表达式: 0yxzttt, , ,xxx y z t, ,xxx y z, ,xxx y zxxxxxxxxyzddxdydzdtx dty dtz dtxyz 而而 对时间的全微分并不为零,其表达式对时间的全微分并不为零,其表达式如下:如下:4.3 伯努利方程伯努利方程 同理:同理:yyyxyzydytzdxzzzxyzzdytzdx 在流体力学中,从上面的在流体力学中,从上面的
10、等对时间的等对时间的全微分不为零看出,流体力学中有了新的加速度概念,全微分不为零看出,流体力学中有了新的加速度概念,称为位置变化造成的加速度,简称称为位置变化造成的加速度,简称位变加速度位变加速度,而,而 等不为零时对应的加速度称为等不为零时对应的加速度称为时变加速度时变加速度。, ,xxx y zxt 不难看出,位变加速度是专属于流体力学的新概念。不难看出,位变加速度是专属于流体力学的新概念。4.3 伯努利方程伯努利方程 根据对于欧拉方程,考虑以下特殊条件:根据对于欧拉方程,考虑以下特殊条件: 1. 理想流体;理想流体; 2. 稳定流动;稳定流动; 3. 不可压缩流体;不可压缩流体; 4.
11、质量力只有重力;质量力只有重力;5. 质点沿一条特定流线运动。质点沿一条特定流线运动。1xDPXxDtxxxxyzxytxz两边乘两边乘以以dx1xxxxyzPXdxdxdxdxdxxxyz 沿沿流线移动流线移动,流线微分方程式,流线微分方程式,zxyxyzdydzddzxxdydxyzdxdydz4.3 伯努利方程伯努利方程类似的类似的三式相加三式相加2222xyz()2()()2Pgdzdd21()()()2PPPXdxYdyZdzdxdydzdxyz22PzCg1()xxxxPXdxdxdxdydzxxyz2()2xxxdd21()2yPYdydydy21()2zPZdzdzdzPPPd
12、Pdxdydzxyz稳定流时稳定流时4.3 伯利例方程伯利例方程 理想流体沿流线的伯努利方程理想流体沿流线的伯努利方程, , 其物理意义可其物理意义可以分为:以分为: 能量意义:方程中每一项表示单位重力流体所具有的能量意义:方程中每一项表示单位重力流体所具有的能量。能量。gzi和和Pi/分别代表单位重力流体所具有的位能和分别代表单位重力流体所具有的位能和压力能;压力能; 而而 i2/2代表单位重力流体所具有的动能。代表单位重力流体所具有的动能。 它说明理想流体沿流线流动时,单位重力的流体所具它说明理想流体沿流线流动时,单位重力的流体所具有的位能、压力能和动能三者之间尽管可以转化,但有的位能、压
13、力能和动能三者之间尽管可以转化,但三者之和必为常数。这显然是机械能守恒定律的推广三者之和必为常数。这显然是机械能守恒定律的推广。2211221222PPgzgz2211221222PPzzgggg4.3 伯利例方程伯利例方程 几何意义:方程中每一项的量纲与长度相同,表示几何意义:方程中每一项的量纲与长度相同,表示单位重力流体所具有的水头。单位重力流体所具有的水头。zi表示所研究点相对某表示所研究点相对某一基准面的几何高度,称为位置水头;一基准面的几何高度,称为位置水头;Pi/g表示所研表示所研究点处压强大小的高度,有与该压强相当的液柱高度究点处压强大小的高度,有与该压强相当的液柱高度,称为测压
14、管高度,或称为测压管水头;,称为测压管高度,或称为测压管水头; i2/2g表示表示所研究点处速度大小的高度,称为测速高度,或称为所研究点处速度大小的高度,称为测速高度,或称为速度水头。伯努利方程说明在重力作用下的理想流体速度水头。伯努利方程说明在重力作用下的理想流体定常流动中,几何高度、测压管高度和测速高度之和定常流动中,几何高度、测压管高度和测速高度之和为一个常数,称为水力高度和总水头。为一个常数,称为水力高度和总水头。 柏努利方程柏努利方程都是在一定条件下积分得到的,应用时必都是在一定条件下积分得到的,应用时必须注意下列限制条件:理想流体;不可压缩;定常流须注意下列限制条件:理想流体;不可
15、压缩;定常流动;作用于流体上的力仅有重力;不考虑流体旋转。动;作用于流体上的力仅有重力;不考虑流体旋转。4.3 伯利例方程伯利例方程 意义:意义:反映在反映在重力作用下重力作用下理想理想不可压缩不可压缩流体流体稳稳定定流动中,流动中,沿同一流线沿同一流线上,单位重量流体具有上,单位重量流体具有的的位能、压能和动能位能、压能和动能的相互转换和守恒关系。的相互转换和守恒关系。 例题例题5 在一均匀的平行于在一均匀的平行于x方向的流动中,放方向的流动中,放置一个半径为置一个半径为R的静止圆柱体,已知在圆柱体的静止圆柱体,已知在圆柱体表面处的流速表面处的流速,试求其压强分布,试求其压强分布。 解:假设
16、距圆柱体很远处的压强为解:假设距圆柱体很远处的压强为P,速度为,速度为 ,在忽略位能项的影响,有:在忽略位能项的影响,有:22022PPP式中式中P0为滞止压强。为滞止压强。4.3 伯利例方程伯利例方程 以为在无旋流场中滞止压强是一常数,在圆柱体表以为在无旋流场中滞止压强是一常数,在圆柱体表面处的速度为:面处的速度为:sin2 因此圆柱体表面处的压强是:因此圆柱体表面处的压强是:2222( 2sin)2222PPP221 4sin2P221 4sin2PP 图给出了绕圆柱体有势图给出了绕圆柱体有势流动的压强分布曲线。流动的压强分布曲线。 4.3 伯利例方程伯利例方程4.4 伯努利方程的应用伯努
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