流体力学第五章优秀PPT.ppt
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1、流体力学第五章你现在浏览的是第一页,共43页一、工程研究方法及其特点一、工程研究方法及其特点1.1.1.1.数学分析法:微分方程(组)数学分析法:微分方程(组)数学分析法:微分方程(组)数学分析法:微分方程(组)+定解条件定解条件定解条件定解条件求解求解优点:优点:优点:优点:(1 1 1 1)理论完善)理论完善)理论完善)理论完善 (2 2 2 2)物理概念清晰)物理概念清晰)物理概念清晰)物理概念清晰 (3 3)能揭示过程的物理本质)能揭示过程的物理本质 (4 4)指出影响因素的主次关系)指出影响因素的主次关系 缺点:缺点:缺点:缺点:(1 1 1 1)对复杂工程问题难以描述)对复杂工程问
2、题难以描述)对复杂工程问题难以描述)对复杂工程问题难以描述 (2 2 2 2)求解难度大)求解难度大)求解难度大)求解难度大你现在浏览的是第二页,共43页2.2.实验法实验法 l l直直接接实实验验法法:在在原原型型实实物物上上研研究究各各物物理理量量之之间间的的关系关系(只适用于简单变量关系)(只适用于简单变量关系)优点:直接可靠优点:直接可靠优点:直接可靠优点:直接可靠 缺缺点点:工工作作量量大大(对对于于一一个个四四维维函函数数,每每个个变变量量取取1010点数值,就须进行点数值,就须进行10104 4次实验,不现实次实验,不现实)无无普普遍遍意意义义(只能用于与实验条件完全相同的现象中
3、)某些情况难以进行某些情况难以进行某些情况难以进行某些情况难以进行(如高温、高压、大型设备)你现在浏览的是第三页,共43页l以以相相似似理理论论为为基基础础的的模模型型试试验验法法(常规试验程序:小中生产规模)优点:易于控制、调节、节省投资;优点:易于控制、调节、节省投资;试验参数少,工作量小;试验参数少,工作量小;实实验验充充实实数数学学分分析析,同同时时数数学学分分析析指导实验。指导实验。你现在浏览的是第四页,共43页流动的力学相似流动的力学相似1.1.1.1.几何相似:模型与原型对应线性长度比例相等几何相似:模型与原型对应线性长度比例相等几何相似:模型与原型对应线性长度比例相等几何相似:
4、模型与原型对应线性长度比例相等(相似前提条件)(相似前提条件)。长度比例尺:长度比例尺:面积比例尺面积比例尺:体积比例尺:体积比例尺:你现在浏览的是第五页,共43页2.2.2.2.运动相似(速度场相似):模型与原型流场中所有对应点上、对应时刻运动相似(速度场相似):模型与原型流场中所有对应点上、对应时刻运动相似(速度场相似):模型与原型流场中所有对应点上、对应时刻运动相似(速度场相似):模型与原型流场中所有对应点上、对应时刻的流速方向相同,大小成同一比例的流速方向相同,大小成同一比例的流速方向相同,大小成同一比例的流速方向相同,大小成同一比例(流动相似的表现)(流动相似的表现)。速度比例尺:速
5、度比例尺:时间比例尺时间比例尺:你现在浏览的是第六页,共43页长度与速度比例尺确定后,所有运动学量比例尺就已确定:长度与速度比例尺确定后,所有运动学量比例尺就已确定:长度与速度比例尺确定后,所有运动学量比例尺就已确定:长度与速度比例尺确定后,所有运动学量比例尺就已确定:加速度比例尺:加速度比例尺:加速度比例尺:加速度比例尺:体积流量比例尺:体积流量比例尺:体积流量比例尺:体积流量比例尺:运动粘度比例尺:运动粘度比例尺:运动粘度比例尺:运动粘度比例尺:角速度比例尺:角速度比例尺:角速度比例尺:角速度比例尺:你现在浏览的是第七页,共43页3.3.3.3.动力相似:模型与原型流场中所有对应点流体微团
6、上受到的各种动力相似:模型与原型流场中所有对应点流体微团上受到的各种动力相似:模型与原型流场中所有对应点流体微团上受到的各种动力相似:模型与原型流场中所有对应点流体微团上受到的各种力方向相同,大小成同一比例力方向相同,大小成同一比例力方向相同,大小成同一比例力方向相同,大小成同一比例(流动相似的主导因数)(流动相似的主导因数)。力比例尺:力比例尺:上述四种力分别代表总压力、上述四种力分别代表总压力、切向力、重力和惯性力。切向力、重力和惯性力。密度比例尺:密度比例尺:你现在浏览的是第八页,共43页若若若若以密度、尺度、速度作为基本变量以密度、尺度、速度作为基本变量以密度、尺度、速度作为基本变量以
7、密度、尺度、速度作为基本变量,可推得动力学比例尺:,可推得动力学比例尺:,可推得动力学比例尺:,可推得动力学比例尺:力比例尺:力比例尺:力比例尺:力比例尺:力矩(功、能)比例尺:力矩(功、能)比例尺:力矩(功、能)比例尺:力矩(功、能)比例尺:压强压强压强压强(应力应力应力应力)比例尺:比例尺:比例尺:比例尺:功率比例尺:功率比例尺:功率比例尺:功率比例尺:动力粘度比例尺:动力粘度比例尺:动力粘度比例尺:动力粘度比例尺:你现在浏览的是第九页,共43页动力相似准则(牛顿第二定律动力相似准则(牛顿第二定律 )由力比例尺可得:由力比例尺可得:(牛顿数)(牛顿数)模型与原型的流场动力相似,则模型与原型
8、的流场动力相似,则 (牛顿相似准则)(牛顿相似准则)1.1.重力相似准则重力相似准则(弗劳德数)(弗劳德数)各单项力作用下的相似准则:各单项力作用下的相似准则:惯性力与重力之比惯性力与重力之比 你现在浏览的是第十页,共43页2.2.粘滞力相似准则粘滞力相似准则(雷诺数)(雷诺数)惯性力与惯性力与粘滞力之比粘滞力之比 3.3.压力相似准则压力相似准则(欧拉数)(欧拉数)总压力与惯性力之比总压力与惯性力之比欧拉数中的压强欧拉数中的压强 也可用压差也可用压差来代替,即来代替,即你现在浏览的是第十一页,共43页对于波动或振荡的非定常流,其频率为对于波动或振荡的非定常流,其频率为对于波动或振荡的非定常流
9、,其频率为对于波动或振荡的非定常流,其频率为f f f f,谐时数为:,谐时数为:,谐时数为:,谐时数为:4.4.非定常性相似准则(由时间比例尺可得)非定常性相似准则(由时间比例尺可得)对于非定常流的模型试验,必须使模型与原型的流动随时间的变化相似。对于非定常流的模型试验,必须使模型与原型的流动随时间的变化相似。(斯劳哈尔数或谐时数)(斯劳哈尔数或谐时数)当地加速度引起的惯性力之比当地加速度引起的惯性力之比当地惯性力与迁移惯性力之比当地惯性力与迁移惯性力之比你现在浏览的是第十二页,共43页5.5.弹性力相似准则弹性力相似准则 对于可压缩流的模型试验,要使流动相似,由压缩引起的弹性力场必须相似对
10、于可压缩流的模型试验,要使流动相似,由压缩引起的弹性力场必须相似(柯西数)(柯西数)惯性力与弹性力之比惯性力与弹性力之比体积模量比例尺体积模量比例尺(马赫数)(马赫数)对于气体:对于气体:你现在浏览的是第十三页,共43页6.6.6.6.表面力相似准则表面力相似准则表面力相似准则表面力相似准则 以上分析可知:物理现象中物理量不是单个起作用的,而是以上分析可知:物理现象中物理量不是单个起作用的,而是由其组成的准则起作用的由其组成的准则起作用的微分方程式的解应是准则方程式。微分方程式的解应是准则方程式。(韦伯数)(韦伯数)表面张力比例尺表面张力比例尺惯性力与张力的比值惯性力与张力的比值你现在浏览的是
11、第十四页,共43页流动相似的条件流动相似的条件 同一类流动,为相同的微分方程组所描述。同一类流动,为相同的微分方程组所描述。单值条件相似,即几何条件、边界条件、单值条件相似,即几何条件、边界条件、时间条件(非定常流)、物性条件(密度、时间条件(非定常流)、物性条件(密度、粘性等)相似。粘性等)相似。同名相似准则数相等。同名相似准则数相等。你现在浏览的是第十五页,共43页几个概念:几个概念:单值条件中的各物理量称为单值条件中的各物理量称为单值条件中的各物理量称为单值条件中的各物理量称为定性量定性量定性量定性量,如密度,如密度,如密度,如密度 ,特征长度,特征长度,特征长度,特征长度 ,流流流流速
12、速速速,粘度,粘度,粘度,粘度 ,重力加速度,重力加速度,重力加速度,重力加速度 ;由定性量组成的相似准则数称为由定性量组成的相似准则数称为由定性量组成的相似准则数称为由定性量组成的相似准则数称为定性准则数定性准则数定性准则数定性准则数,如雷诺数,如雷诺数,如雷诺数,如雷诺数弗弗弗弗劳德数劳德数劳德数劳德数;包含被决定量的相似准则数称为包含被决定量的相似准则数称为包含被决定量的相似准则数称为包含被决定量的相似准则数称为非定性准则数非定性准则数非定性准则数非定性准则数,如压强,如压强,如压强,如压强与与与与流速流速流速流速总是存在一定关系,那么欧拉数总是存在一定关系,那么欧拉数总是存在一定关系,
13、那么欧拉数总是存在一定关系,那么欧拉数你现在浏览的是第十六页,共43页例例5-15-1试通过模型试验确定出现漩涡的最小油面深试通过模型试验确定出现漩涡的最小油面深度度。已知:。已知:取取,试验测得,试验测得。解:油池最小油深试验条件:(几何相似)模型输出管内径(重力场相似)弗劳德数相等你现在浏览的是第十七页,共43页(粘性力相似)雷诺数相等如果采用同一状态流体,与重力场相似矛盾,所以必须改变流体粘度。你现在浏览的是第十八页,共43页近似模型试验重力场相似(弗劳德数相等)重力场相似(弗劳德数相等)粘性力场相似(雷诺数相等)粘性力场相似(雷诺数相等)要同时满足要同时满足 (常常难以办到)(常常难以
14、办到)工程上常常忽略次要因素,进行近似模型工程上常常忽略次要因素,进行近似模型试验。试验。你现在浏览的是第十九页,共43页例例例例5-35-3弧形闸门如图,已知水深弧形闸门如图,已知水深弧形闸门如图,已知水深弧形闸门如图,已知水深6m6m,在,在,在,在1/201/20的模型上试验,的模型上试验,的模型上试验,的模型上试验,模型闸前水深应为多少?若测得模型闸出口平均流速为模型闸前水深应为多少?若测得模型闸出口平均流速为模型闸前水深应为多少?若测得模型闸出口平均流速为模型闸前水深应为多少?若测得模型闸出口平均流速为2m/s2m/s,流量,流量,流量,流量30l/s30l/s,作用在闸门上的力,作
15、用在闸门上的力,作用在闸门上的力,作用在闸门上的力92N92N,闸门轴力矩,闸门轴力矩,闸门轴力矩,闸门轴力矩110N.m110N.m,试求原型闸门的对应参数。,试求原型闸门的对应参数。,试求原型闸门的对应参数。,试求原型闸门的对应参数。解:模型闸前水深解:模型闸前水深流动相似,弗劳德数相等:流动相似,弗劳德数相等:你现在浏览的是第二十页,共43页例例5-45-4用水模拟试验求取输油管参数,已知:用水模拟试验求取输油管参数,已知:解:有压管流:流动相似,雷诺数相等:压力相似,欧拉数相等:你现在浏览的是第二十一页,共43页量纲分析法(因次分析法量纲分析法(因次分析法)量纲:物理量单位的种类量纲:
16、物理量单位的种类量纲:物理量单位的种类量纲:物理量单位的种类基本量纲:基本物理量量纲,如:时间基本量纲:基本物理量量纲,如:时间基本量纲:基本物理量量纲,如:时间基本量纲:基本物理量量纲,如:时间TTTT、长度、长度、长度、长度LLLL、质质质质量量量量MMMM导出量纲:由物理定义导出,由基本量纲组成,如:速导出量纲:由物理定义导出,由基本量纲组成,如:速导出量纲:由物理定义导出,由基本量纲组成,如:速导出量纲:由物理定义导出,由基本量纲组成,如:速度度度度LTLTLTLT-1-1-1-1 加速度加速度加速度加速度LTLTLTLT-2-2-2-2 力力力力MLTMLTMLTMLT-2-2-2-
17、2 压强压强压强压强MLMLMLML-1-1-1-1T T T T-2-2-2-2 量纲一致性原则量纲一致性原则量纲一致性原则量纲一致性原则(1kg2m)(1kg2m)(1kg2m)(1kg2m):任何物理方程中各项的量纲必定相任何物理方程中各项的量纲必定相任何物理方程中各项的量纲必定相任何物理方程中各项的量纲必定相同。同。同。同。准则方程:用相似准则数表示的物理方程。准则方程:用相似准则数表示的物理方程。准则方程:用相似准则数表示的物理方程。准则方程:用相似准则数表示的物理方程。常用的量纲分析法:瑞利法和常用的量纲分析法:瑞利法和常用的量纲分析法:瑞利法和常用的量纲分析法:瑞利法和 定理定理
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