流体运动学和流体动力学基础精选文档.ppt
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1、流体运动学和流体动力学基础本讲稿第一页,共五十七页运动学与动力学运动学与动力学运动学:从几何的观点研究流体的运动,运动学:从几何的观点研究流体的运动,不讨论运动产生的动力学原因。不讨论运动产生的动力学原因。动力学:研究流体运动中各种物理量(速动力学:研究流体运动中各种物理量(速度、加速度、压力等参数)之间的相互关度、加速度、压力等参数)之间的相互关系和流体对周围物体的作用。系和流体对周围物体的作用。本讲稿第二页,共五十七页本章主要内容本章主要内容基本概念基本概念质量守恒定律、动量定理、动量矩定理以质量守恒定律、动量定理、动量矩定理以及能量转换与守恒定律及能量转换与守恒定律连续性方程、动量方程以
2、及能量方程连续性方程、动量方程以及能量方程本讲稿第三页,共五十七页第一节流体运动的描述第一节流体运动的描述、欧拉法(、欧拉法(EulerEulerEulerEuler法法法法 )以固定空间、以固定空间、固定断面或固定断面或固定点为对固定点为对象。象。基本思想:基本思想:基本思想:基本思想:考察空间每一点上的物理量及其考察空间每一点上的物理量及其考察空间每一点上的物理量及其考察空间每一点上的物理量及其变化。所谓空间一点上的物理量是指占据该空变化。所谓空间一点上的物理量是指占据该空变化。所谓空间一点上的物理量是指占据该空变化。所谓空间一点上的物理量是指占据该空间点的流体质点的物理量。着眼于间点的流
3、体质点的物理量。着眼于间点的流体质点的物理量。着眼于间点的流体质点的物理量。着眼于某瞬时,整某瞬时,整个流场各空间点处的状态个流场各空间点处的状态。独立变量:独立变量:独立变量:独立变量:空间点坐标和时间的函数空间点坐标和时间的函数空间点坐标和时间的函数空间点坐标和时间的函数注意:流体质点和空间点是二个完全不同的概念。注意:流体质点和空间点是二个完全不同的概念。注意:流体质点和空间点是二个完全不同的概念。注意:流体质点和空间点是二个完全不同的概念。本讲稿第四页,共五十七页第一节流体运动的描述第一节流体运动的描述加速度加速度当地加速度当地加速度迁移加速度迁移加速度本讲稿第五页,共五十七页第一节流
4、体运动的描述第一节流体运动的描述其他物理量的变化率其他物理量的变化率全导数,也称随体导数,表示对时间求导要考虑到质点本身的全导数,也称随体导数,表示对时间求导要考虑到质点本身的运动。运动。当地导数当地导数迁移导数迁移导数本讲稿第六页,共五十七页拉格朗日法(拉格朗日法(Lagrange法法)第一节流体运动的描述第一节流体运动的描述物理概念清物理概念清晰,但处理晰,但处理问题十分困问题十分困难难基本思想:基本思想:跟踪每个流体质点的运动全过程,跟踪每个流体质点的运动全过程,跟踪每个流体质点的运动全过程,跟踪每个流体质点的运动全过程,记录它们在运动过程中的各物理量及其变化。记录它们在运动过程中的各物
5、理量及其变化。记录它们在运动过程中的各物理量及其变化。记录它们在运动过程中的各物理量及其变化。着眼于每个个别流体质点运动的研究。着眼于每个个别流体质点运动的研究。着眼于每个个别流体质点运动的研究。着眼于每个个别流体质点运动的研究。独立变量:独立变量:独立变量:独立变量:(a,b,c,ta,b,c,ta,b,c,ta,b,c,t)区分流体质点的标志区分流体质点的标志区分流体质点的标志区分流体质点的标志t t时刻,时刻,a a,b b,c c代表流场中某一质点坐标,不同代表流场中某一质点坐标,不同a a,b b,c c代表不同的流体支点代表不同的流体支点本讲稿第七页,共五十七页第一节流体运动的描述
6、第一节流体运动的描述任一流体质点在任一流体质点在t t时刻的坐标可表示为:时刻的坐标可表示为:给定给定a a,b b,c c时代表时代表给定流体质点的运给定流体质点的运动轨迹;给定动轨迹;给定t t时代时代表表t t时刻各流体质点时刻各流体质点所处的位置。所处的位置。本讲稿第八页,共五十七页第二节流动的分类第二节流动的分类(1)(1)(1)(1)按与时间的关系分:定常与非定常流动按与时间的关系分:定常与非定常流动按与时间的关系分:定常与非定常流动按与时间的关系分:定常与非定常流动 流体运动过程中,若各空间点上对应的物理量不随时间而变化,流体运动过程中,若各空间点上对应的物理量不随时间而变化,流
7、体运动过程中,若各空间点上对应的物理量不随时间而变化,流体运动过程中,若各空间点上对应的物理量不随时间而变化,则称此流动为定常流动,反之为非定常流动。则称此流动为定常流动,反之为非定常流动。则称此流动为定常流动,反之为非定常流动。则称此流动为定常流动,反之为非定常流动。(2)(2)(2)(2)按与空间的关系分:一维、二维、三维流动按与空间的关系分:一维、二维、三维流动按与空间的关系分:一维、二维、三维流动按与空间的关系分:一维、二维、三维流动 在设定坐标系中,有关物理量依赖于一个坐标,称为一在设定坐标系中,有关物理量依赖于一个坐标,称为一在设定坐标系中,有关物理量依赖于一个坐标,称为一在设定坐
8、标系中,有关物理量依赖于一个坐标,称为一维流动,依赖于二个坐标,称为二维流动,依赖于三个坐标,维流动,依赖于二个坐标,称为二维流动,依赖于三个坐标,维流动,依赖于二个坐标,称为二维流动,依赖于三个坐标,维流动,依赖于二个坐标,称为二维流动,依赖于三个坐标,则称为三维流动。平面运动和轴对称运动是典型的二维运动。则称为三维流动。平面运动和轴对称运动是典型的二维运动。则称为三维流动。平面运动和轴对称运动是典型的二维运动。则称为三维流动。平面运动和轴对称运动是典型的二维运动。(3)(3)(3)(3)按运动状态分按运动状态分按运动状态分按运动状态分 有旋和无旋流动、层流和湍流、亚音速和超音速有旋和无旋流
9、动、层流和湍流、亚音速和超音速有旋和无旋流动、层流和湍流、亚音速和超音速有旋和无旋流动、层流和湍流、亚音速和超音速()按流体性质分按流体性质分按流体性质分按流体性质分理想流体和黏性流体,不可压缩流体和可压缩流体理想流体和黏性流体,不可压缩流体和可压缩流体理想流体和黏性流体,不可压缩流体和可压缩流体理想流体和黏性流体,不可压缩流体和可压缩流体本讲稿第九页,共五十七页定常、非定常流动定常、非定常流动定常、非定常流动定常、非定常流动(steady and unsteady flowsteady and unsteady flow)非定常流动:非定常流动:非定常流动:非定常流动:定常流动:定常流动:定
10、常流动:定常流动:是否定常与所选取的是否定常与所选取的是否定常与所选取的是否定常与所选取的参考系参考系参考系参考系有关。有关。有关。有关。第二节流动的分类第二节流动的分类流动参量不随时间变化流动参量不随时间变化流动参量随时间变化流动参量随时间变化本讲稿第十页,共五十七页一维流动一维流动一维流动一维流动 二维流动二维流动二维流动二维流动 三维流动三维流动三维流动三维流动 第二节流动的分类第二节流动的分类本讲稿第十一页,共五十七页第三节迹线流线第三节迹线流线()迹线迹线 是流体质点在空间运动时描绘的轨迹。它是流体质点在空间运动时描绘的轨迹。它给出了同一流体质点在不同时刻的空间位置。给出了同一流体质
11、点在不同时刻的空间位置。本讲稿第十二页,共五十七页(2 2 2 2)流线)流线)流线)流线 速度场的矢量线。速度场的矢量线。速度场的矢量线。速度场的矢量线。任一时刻任一时刻任一时刻任一时刻t t t t,曲线上每一点处的切向量,曲线上每一点处的切向量,曲线上每一点处的切向量,曲线上每一点处的切向量 都与该点的都与该点的都与该点的都与该点的速度向量速度向量速度向量速度向量 相切。相切。相切。相切。流线微分方程:流线微分方程:流线微分方程:流线微分方程:本讲稿第十三页,共五十七页流线的几个性质:流线的几个性质:流线的几个性质:流线的几个性质:(1 1 1 1)对于非定常流场,不同时刻通过同一空间点
12、的流线一般不重合;)对于非定常流场,不同时刻通过同一空间点的流线一般不重合;)对于非定常流场,不同时刻通过同一空间点的流线一般不重合;)对于非定常流场,不同时刻通过同一空间点的流线一般不重合;对于定常流对于定常流对于定常流对于定常流场,流线与迹线重合。场,流线与迹线重合。场,流线与迹线重合。场,流线与迹线重合。(2 2 2 2)流线不能相交(驻点和速度无限大的奇点除外)。)流线不能相交(驻点和速度无限大的奇点除外)。)流线不能相交(驻点和速度无限大的奇点除外)。)流线不能相交(驻点和速度无限大的奇点除外)。(3 3 3 3)流线的走向反映了流速方向,疏密程度反映了流速的大小分布。)流线的走向反
13、映了流速方向,疏密程度反映了流速的大小分布。)流线的走向反映了流速方向,疏密程度反映了流速的大小分布。)流线的走向反映了流速方向,疏密程度反映了流速的大小分布。迹线和流线的差别:迹线和流线的差别:迹线和流线的差别:迹线和流线的差别:迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线,与迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线,与迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线,与迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线,与LagrangeLagrange观点对应;观点对应;观点对应;观点对应;流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线,与流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线,与流线是同一时刻、不同流体质点速度
14、向量的包络线,与流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线,与EulerEuler观点对应;观点对应;观点对应;观点对应;速度速度速度速度为零的点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。为零的点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。为零的点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。为零的点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。本讲稿第十四页,共五十七页例:已知速度vx=x+t,vy=y+t求:在t=0时过(1,1)点的流线。解:(a)流线:积分:t=0时,x=1,y=1c=0流线方程(双曲线)流线方程(双曲线)本讲稿第十五页,共五十七页例:速度场vx=a,vy=bt,vz=0(a、b为常数)求:(a)流线方程及t=0、1
15、、2时流线图;解:(a)流线:积分:oyxc=0c=2c=1t=0时流线oyxc=0c=2c=1t=1时流线oyxc=0c=2c=1t=2时流线流线方程本讲稿第十六页,共五十七页第四节流管流束流量第四节流管流束流量 水利半径水利半径流管流管在流场内作一本身不是流线又不在流场内作一本身不是流线又不相交的封闭曲线,通过这样封闭曲线上各相交的封闭曲线,通过这样封闭曲线上各点流线所构成的管状表面。点流线所构成的管状表面。流束流束流管内部的流体流管内部的流体微小截面的流束为微小截面的流束为微小流束微小流束,微小流束的极限为,微小流束的极限为微元流束(即流线)微元流束(即流线)即流体不能穿过流管,流管就像
16、真正的管子一样将其内外的流体分开。即流体不能穿过流管,流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。即流体不能穿过流管,流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。即流体不能穿过流管,流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。总流总流总流总流管内整股流体。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的气流都是总流。管内整股流体。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的气流都是总流。管内整股流体。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的气流都是总流。管内整股流体。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的气流都是总流。缓变流缓变流流线间夹角很小,曲率半径很大的近乎直线的流动。流线间夹角很小,曲率半径很大的近乎直线的流动。反之
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