第2章流体运动精选PPT.ppt
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1、第2章流体运动第1页,此课件共47页哦流体流体:物体各部分之间很容易发生相对运动的性质称为物体各部分之间很容易发生相对运动的性质称为流流动性动性,而具有流动性的物体称为,而具有流动性的物体称为流体流体,它是液体与,它是液体与气体的统称。气体的统称。流体力学流体力学:研究流体的运动规律以及流体与相邻固体之间的相研究流体的运动规律以及流体与相邻固体之间的相互作用,有互作用,有流体静力学流体静力学与与流体动力学流体动力学之分。之分。第2页,此课件共47页哦一、流体运动的研究方法一、流体运动的研究方法1研究流体运动的研究流体运动的 两种方法两种方法拉格朗日法拉格朗日法:跟踪追击跟踪追击把流体看成由数目
2、十分巨大的质元组成的质点组,把流体看成由数目十分巨大的质元组成的质点组,然后跟踪每一个质元,观察其运动状态的变化然后跟踪每一个质元,观察其运动状态的变化。第一节第一节 流体的基本模型流体的基本模型第3页,此课件共47页哦欧拉法欧拉法:守株待兔守株待兔运用场的观点,考察流体所在空间各点的各种物运用场的观点,考察流体所在空间各点的各种物理量(如理量(如:通过该点质元的流速以及流体的密度、通过该点质元的流速以及流体的密度、压强等)随时间的变化,也就是研究流速场压强等)随时间的变化,也就是研究流速场v(x,y,z,t)、)、(x,y,z,t)、)、p(x,y,z,t)等矢量场和标量场等矢量场和标量场
3、第4页,此课件共47页哦2、理想流体模型、理想流体模型理理 想想 流流 体(体(ideal fluid):就就 是是 绝绝 对对 不不 可可 以以 压缩压缩、完、完 全全 没没 有有 粘粘 滞滞 性性 的的 流流 体体 理想流体理想流体在运动时在运动时没有没有相互作用的相互作用的切向力切向力,只有只有压压应力。其内部的应力具有与静止流体内部应力相应力。其内部的应力具有与静止流体内部应力相同的两个特点,即(同的两个特点,即(1)任何一点都)任何一点都只有只有压应力,压应力,而没有切应力而没有切应力;(;(2)压强的大小只与场点的位置)压强的大小只与场点的位置有关,而与截面方位无关。但运动流体,其
4、内部有关,而与截面方位无关。但运动流体,其内部任意两点之间的压强差则与静止流体完全不同。任意两点之间的压强差则与静止流体完全不同。第5页,此课件共47页哦3 3流速场、流线与流管流速场、流线与流管流体空间为流体空间为流速场流速场,其空间每一点均与质元流经该,其空间每一点均与质元流经该点的流速对应。在流速场中画一系列假想曲线,任点的流速对应。在流速场中画一系列假想曲线,任一瞬时其上任一点切线方向都与流体质元通过该点一瞬时其上任一点切线方向都与流体质元通过该点的速度方向一致,则这些曲线称为该时刻的的速度方向一致,则这些曲线称为该时刻的流线流线,一束流线所围成的管状区域称为一束流线所围成的管状区域称
5、为流管流管。流线流线流管流管第6页,此课件共47页哦4 4.流量流量单位时间内通过流速场中任一截面的流体体积和流单位时间内通过流速场中任一截面的流体体积和流体质量分别称为流体通过该截面的体质量分别称为流体通过该截面的体积流量(体积流量(Q)和和质量流量质量流量。体积流量通常由简称为。体积流量通常由简称为流量流量。二、定常流动二、定常流动 流流动动方方式式非定常流动:非定常流动:v=f(x,y,z,t)定常流动:定常流动:v=f(x,y,z,)流管的形状固定。具有流管的形状固定。具有“钢性钢性”流管的形状不固定流管的形状不固定第7页,此课件共47页哦三三 连续连续性方程性方程 A A端流入的流体
6、端流入的流体质质量量B B端流出的流体端流出的流体质质量量理想流体有理想流体有流量:流量:单位:单位:第8页,此课件共47页哦不可压缩流体作定常流动时不可压缩流体作定常流动时做定常流做定常流动时动时,同一流,同一流管中任一横截面通管中任一横截面通过过的流量的流量为为一恒量。一恒量。流体的连续性原理:流体的连续性原理:连续性方程:连续性方程:结论结论:同一流管中横截面同一流管中横截面积积越小越小处处,其流速越大;,其流速越大;反之,横截面反之,横截面积积越大越大处处,其流速越小。,其流速越小。第9页,此课件共47页哦第二节第二节 伯努利方程伯努利方程一、伯努利方程的建立一、伯努利方程的建立 应用
7、条件:应用条件:理想流体理想流体 重力场重力场 定常流动定常流动 同一细流管同一细流管第10页,此课件共47页哦外力对外力对abab段流体所做的总功段流体所做的总功为为A外外F1v1t-F2v 2t=p1S1v 1t-p2S2v 2t 因流体不可压缩,所以因流体不可压缩,所以 段与段与 段流体的体积相等段流体的体积相等 S1 v 1tS2v 2tV 段与段与 段流体的质量也相等,设为段流体的质量也相等,设为m m 则总功则总功 A外外p1V-p2V 系统机械能的变化为系统机械能的变化为 第11页,此课件共47页哦p p1 1V V-p p2 2V V 理想流体在重力场中作定常流动时,同一流管中
8、理想流体在重力场中作定常流动时,同一流管中各截面处流体单位体积的动能、重力势能以及该处的各截面处流体单位体积的动能、重力势能以及该处的压强三项之和都相等,为一恒量。压强三项之和都相等,为一恒量。伯努利方程伯努利方程根据根据功能原理:功能原理:A A外外A A非保内非保内 E E 第12页,此课件共47页哦二、伯努利方程的应用二、伯努利方程的应用1 1水平管中压强与流速的关系水平管中压强与流速的关系 h h1 1=h h2 2 理想流体在水平管中作定常流动时,流速大处理想流体在水平管中作定常流动时,流速大处压强小,流速小处压强大。压强小,流速小处压强大。第13页,此课件共47页哦(1)空吸现象)
9、空吸现象理想流体在非均匀水平管中理想流体在非均匀水平管中作定常流动时,管子截面积作定常流动时,管子截面积小处流速大而压强小,截面小处流速大而压强小,截面积大处流速小而压强大。当积大处流速小而压强大。当管子细处所造成的低压小于管子细处所造成的低压小于大气压时,若在此细处接一大气压时,若在此细处接一支管可产生吸入外界液体或支管可产生吸入外界液体或气体的现象气体的现象空吸现象空吸现象。例如:喷雾器。例如:喷雾器。第14页,此课件共47页哦(2 2)汾丘里流量计)汾丘里流量计 对水平管粗、细两截面处对水平管粗、细两截面处应用伯努利方程与连续性应用伯努利方程与连续性方程方程 考虑到考虑到可得管中流体的流
10、量可得管中流体的流量 联立可得粗处的流速联立可得粗处的流速v v1 1S S1 1v v2 2S S2 2第15页,此课件共47页哦(3 3)流速计)流速计对同一流线上的对同一流线上的A、B两处应用伯努利方程可得两处应用伯努利方程可得 A处流体的流速,亦即流体在水平管中的流速为处流体的流速,亦即流体在水平管中的流速为 第16页,此课件共47页哦2 2均匀管中压强与高度的关系均匀管中压强与高度的关系S S1 1S S2 2 ,则,则 v v1 1v v2 2 理想流体在均匀管中作定常流动时,高处的压强小,低理想流体在均匀管中作定常流动时,高处的压强小,低处的压强大。可用均匀管中的高度差来表示压强
11、差。处的压强大。可用均匀管中的高度差来表示压强差。若若v v1 1v v2 20 0,p p2 2p p0 0 ,则则 p p1 1p p0 0gg(h h2 2-h-h1 1)=p p0 0gg h h 此乃静止流体中的压强公式,即此乃静止流体中的压强公式,即压强计原理压强计原理。上图中上图中A A、B B孔处的压强即为两均匀弯管内的静止流孔处的压强即为两均匀弯管内的静止流体的压强,故体的压强,故第17页,此课件共47页哦3两端等压的管中流速与高度的关系两端等压的管中流速与高度的关系 p1p2 若将容器中整个流动的液体看成一个若将容器中整个流动的液体看成一个流管,则其流管,则其A、B两端的压
12、强两端的压强pApB=p0。由于。由于SASB,容器内,容器内A液面下液面下降极慢,可视为降极慢,可视为vA0 小孔处流速的大小小孔处流速的大小 理想流体在两端等压的管中作定常流动时,高端处理想流体在两端等压的管中作定常流动时,高端处的流速小,低端处的流速大。的流速小,低端处的流速大。第18页,此课件共47页哦虹吸管虹吸管 (1 1)流体的流速:对于)流体的流速:对于A A、D D两点,流速与高度的关两点,流速与高度的关系为系为 管口管口D D处的流体流速为处的流体流速为 (2 2)压强与高度的关系)压强与高度的关系 p pB B p pD D=p p0 0 对于对于B B、D D两点两点 第
13、19页,此课件共47页哦(3 3)压强与流速的关系:对于)压强与流速的关系:对于A A、C C两点两点 此外,对于此外,对于A A、B B两点两点 可见吸水管的最高点与容器中液面可见吸水管的最高点与容器中液面之间的高度差必须小于之间的高度差必须小于p p0 0/g g,虹,虹吸管才能正常工作。吸管才能正常工作。第20页,此课件共47页哦例题例题2-12-1 水在压强为水在压强为4104105 5PaPa的作用下经内径为的作用下经内径为2.0cm2.0cm的水管流入用户,管内水的流速为的水管流入用户,管内水的流速为4m/s4m/s,被,被引入引入5m5m高处的浴室。浴室内小水管内径为高处的浴室。
14、浴室内小水管内径为1.0cm1.0cm。求浴室小管中水的流速和压强。求浴室小管中水的流速和压强。解解:设室外水管截面积为设室外水管截面积为S S1 1、流速为、流速为v v1 1、浴室小水管的、浴室小水管的截面积为截面积为S S2 2、流速为、流速为v v2 2。将水视为理想流体,则由连。将水视为理想流体,则由连续性方程可得小管中流速续性方程可得小管中流速 由伯努利方程有由伯努利方程有第21页,此课件共47页哦故小水管中水的压强为故小水管中水的压强为 若将水龙头关闭,则小水管中水的压强为若将水龙头关闭,则小水管中水的压强为 式中式中p p1 14104105 5Pa Pa、水的密度、水的密度1
15、101103 3 kg/m3 kg/m3、h h2 2-h-h1 1=5m=5m 第22页,此课件共47页哦第三节第三节 粘性流体的运动粘性流体的运动 第23页,此课件共47页哦它是描述各层流速变化它是描述各层流速变化快慢的物理量,在不同快慢的物理量,在不同流层处速度梯度的大小流层处速度梯度的大小一般不相同,它是空间一般不相同,它是空间位置的函数,位置的函数,一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律 速度梯度速度梯度定义为在流层法线方向上流层间流定义为在流层法线方向上流层间流速的变化率速的变化率dv/dz。第24页,此课件共47页哦牛顿粘性定律牛顿粘性定律粘性流体作定常流动时,相邻两层流体之间的内摩擦
16、粘性流体作定常流动时,相邻两层流体之间的内摩擦力的大小与两层的接触面积力的大小与两层的接触面积S S及该处的速度梯度成正及该处的速度梯度成正比比 比例系数比例系数 称为流体的粘度,单位是称为流体的粘度,单位是PasPas,有时,有时也用也用P P(PoisePoise,泊,泊),1P=0.1Pas,1P=0.1Pas,它是描述流体粘性它是描述流体粘性的物理量。遵循牛顿粘性定律的流体称为的物理量。遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体牛顿流体,其切应力与切变率之比为常量,例如水、酒精、血浆等。其切应力与切变率之比为常量,例如水、酒精、血浆等。否则切应力与切变率呈非线性为否则切应力与切变率呈非线性为非
17、牛顿流体非牛顿流体,例如血,例如血液等。液等。第25页,此课件共47页哦二、层流与湍流二、层流与湍流 雷诺数雷诺数 1 1层流与湍流层流与湍流 各流层不相混合而只作相对滑动的流动称为各流层不相混合而只作相对滑动的流动称为层流层流。当流体内部的压强差加大、流速增大时,层流将遭破当流体内部的压强差加大、流速增大时,层流将遭破坏,流体作紊乱而不稳定的运动,流体质元出现垂直坏,流体作紊乱而不稳定的运动,流体质元出现垂直于流动方向的分速度,这种流动称为于流动方向的分速度,这种流动称为湍流湍流。第26页,此课件共47页哦第27页,此课件共47页哦2雷诺数雷诺数粘性流体的流动状态可以用雷诺数粘性流体的流动状
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