不可压缩粘性流体动力学基础.ppt
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1、流体力学与流体机械江汉大学化环学院流体力学与流体机械江汉大学化环学院第七章第七章 不可压缩理想流体的无旋运动不可压缩理想流体的无旋运动 71 流体微团运动分析流体微团运动分析 72 有旋流动有旋流动 7 3 不可压缩流体连续性方程不可压缩流体连续性方程 74 以应力表示的粘性流体运动微分方程以应力表示的粘性流体运动微分方程 75 应力和变形速度的关系应力和变形速度的关系 76 纳维斯托克斯方程纳维斯托克斯方程 77 理想流体运动微分方程及其积分理想流体运动微分方程及其积分 78 流体流动的初始条件和边界条件流体流动的初始条件和边界条件流体力学与流体机械江汉大学化环学院学习基本要求及重点学习基本
2、要求及重点基本要求:基本要求:掌握质点导数、流体微团的基本形式、有旋流动与无掌握质点导数、流体微团的基本形式、有旋流动与无旋流动,旋流动,N-S方程以及方程以及N-S方程的意义与应用。方程的意义与应用。学学习重点习重点 通过微元体分析法推导通过微元体分析法推导N-S方程。方程。通过通过N-S方程简化得到欧拉方程、流体平衡微分方程方程简化得到欧拉方程、流体平衡微分方程。流体力学与流体机械江汉大学化环学院7-1 7-1 引言引言 直到现在,我们只讨论了理想与粘性流体的一元流动。可是,有些空间问题,需要多元流动即二元和三元的流动,即流场中流体的流动参量在二个或三个坐标轴方向都发生变化。本章论述流体的
3、三元流动,主要内容是有关流体运动的基本概念和基本原理以及描述不可压缩流体流动的基本方程和定解条件。本章的研究以流体微团为对象。一、流体微团(Material Elements of Fluid)流体微团是由大量的流体质点所组成的一个微小质团,它具有微小的体积,是研究流体运动的一个基本单元。流体力学与流体机械江汉大学化环学院 流体微团的尺度在微观上足够大,大到能包含大量的分子,使得在统计平均后能得到其物理量的确定值,质点的尺度在宏观上又足够小,远小于所研究问题的特征尺度,使得其平均物理量可看成是均匀的;而且可以把流体微团看成是几何上的一个点。有了连续介质假设就可以把流体的物理量作为空间坐标和时间
4、的连续函数,充分利用数学分析这个有力的工具来解决流体力学问题。流体力学与流体机械江汉大学化环学院二、流体微团运动分析的目的二、流体微团运动分析的目的1按照微团有无旋转运动,可以将流动分为无旋流动和有旋流动两大类型,从而可以分别对它们深入进行研究。2根据微团的线变形速度和角变形速度可以建立粘性切应力和附加切应力表达式,以简化运动方程式。三、流体微团运动的基本形式三、流体微团运动的基本形式 流体微团运动的基本形式为平移、旋转和变形,变形又分为线变形和角变形(参见图7-1)思考题:流体微团运动基本形式与刚体运动基本形式有何不同?流体运动可能同时具有这三种基本形式,也可能具有两种或一种形式,但流体微团
5、是否发生旋转运动具有更重要的意义。流体力学与流体机械江汉大学化环学院图7-1 流体微团运动的基本形式 流体力学与流体机械江汉大学化环学院7-27-2 流体微团运动分析流体微团运动分析 由理论力学可知,刚体有平移和旋转两种运动形式,而流体运动则不同。由于流体微团在流场中各点的速度不同,但又要保持流体本身的连续性,因此流体微团除有平移和旋转运动外,还有变形运动。下面将分析流体微团的三种运动形式。如图72所示的平面运动中的流体微团。设在 t 时刻流体微团为矩形ABCD,经过 时段后它移动到新的位置并变形为 ,又设 t 时刻角点A的速度为 ,根据泰勒级数展开,得B、C点的速度分别为流体力学与流体机械江
6、汉大学化环学院图 7-2 分析流体微团的平面运动 流体力学与流体机械江汉大学化环学院 四点的速度中均包含有 ,由图72可见,是平移速度。以AB为例。因为角点B沿 x 方向的速度比角点A快(或慢),所以经过 时段后,AB边在 x 方向的伸长(或缩短)量为 。单位时间单位长度的线变形称为线变形速度,并记为 ,则1、平移运动、平移运动2、线变形运动变形运动(71)同理流体力学与流体机械江汉大学化环学院 三个方向的线变形之和,即为体积膨胀率。根据连续性方程可知,对于不可压缩流体,。3、旋转运动旋转运动图 7-2 分析流体微团的平面运动 流体力学与流体机械江汉大学化环学院而所以(1)(2)将流体微团上两
7、条直线旋转角速度的平均值定义为流体微团的旋转角速度,记为 ,假设直线逆时针方向旋转的角速度为正,则由(1)(2)式可知,单位时间内AB边的旋转角度为 ,单位时间内AC边的旋转角度为 ,根据流体微团旋转角速度的定义得(7-2)流体力学与流体机械江汉大学化环学院 将平面上角变形速度之半定义为流体微团的剪切变形速度,记为 由图7-2可知,A点的角度变化为4、剪切变形、剪切变形图 7-2 分析流体微团的平面运动 流体力学与流体机械江汉大学化环学院根据流体微团剪切变形速度的定义得(73)而所以(1)(2)流体力学与流体机械江汉大学化环学院综上所述,可写出表示流体微团运动的基本形式如下:表示平移的平移速度
8、:、。表示线变形的线变形速度(又称线变率):表示角变形的角变形速度(又称角变率):流体力学与流体机械江汉大学化环学院表示转动的旋转角速度(又称角转速)5流体微团速度分解公式(即流体微团速度分解公式(即Helmholtz速度分解定理速度分解定理)设微团内任一点O(x、y、z)在t时刻的速度分量为 、,距O点ds处的M点在同一时刻的速度分量为 ,将速度增量按泰勒级数展开:流体力学与流体机械江汉大学化环学院于是,M点的速度分量 经过配项,整理有 根据 、和 的表达式,可得 同理可写出y和z方向两个速度分量表达式。流体力学与流体机械江汉大学化环学院上列三式中,右边第一项为平移速度,第二项为线变形所产生
9、的速度增量,第三、五项是由于转动所产生的速度增量,第四、六项是由于角变形所产生的速度增量。可见,流体微团的运动可以分解为平移运动、旋转运动和变形(包括线变形和角变形)。例题例题 71(见教材(见教材page184)思考题:思考题:流体速度分解定理和刚体速度分解定理有何区别?因此,点的速度可表示为流体力学与流体机械江汉大学化环学院7-3 7-3 有旋和有旋和无旋无旋流动流动 流体微团的旋转角速度在流场内不完全为零的流动称为流体微团的旋转角速度在流场内不完全为零的流动称为有旋流动。有旋流动。比如大气中的龙卷风、管道中的流体运动、绕流物体的表面边界层及其尾部后的流动等都是有旋流动。在流场中,各点不仅
10、存在有流速,形成流速场,而且也存在有旋转角速度,形成旋转角速度场,角速度数值大小为 旋转角速度向量的方向规定为沿旋转轴线按右手定则确定。用矢量表示 那么定义涡量 为旋转角速度向量的2倍。一、有旋流动及其性质一、有旋流动及其性质1、有旋流动、有旋流动流体力学与流体机械江汉大学化环学院其中 为涡量 在x、y、z坐标上的投影。显然,涡量是空间坐标与时间的矢量函数,。所以,它构成了一个向量场,成为涡量场。涡量实际上是速度矢量的旋度速度矢量的旋度,即 ,用哈密尔顿算子表示,即为流体力学与流体机械江汉大学化环学院无源场的散度为零,即 ,或写成下列形式上式称为涡量连续性微分方程。在涡量场中可以画出表征某一瞬
11、时流体质点的旋转角速度向量的曲线,成为涡线。在给定的瞬时,涡线上各点的角速度向量在该点处与涡线相切。沿涡线取一微小线段ds,由于涡线与角速度向量的方向一致。所以ds沿三个坐标轴方向的分量dx、dy、dz必然和角速度向量的三个分量成正比,即流体力学与流体机械江汉大学化环学院 在给定瞬时,在漩涡场中任取一个不是涡线的封闭曲线,通过这条曲线上每一点作一根涡线,这些涡线就构成一个管状曲面,称为涡管(Vortex Tube);涡管中充满着作旋涡运动的流体,称为涡束,或称为元涡(Vortex Filament)。涡通量(Vortex Flux)或旋涡强度(Intensity of Vorticity),以
12、J表示。元涡的涡通量为微元涡的断面积和速度涡量(简称涡量)的乘积,即 设A为涡量场中一开口曲面,微元面dA的外法线单位向量为 ,涡量在 方向上的投影为 ,上式称为涡通量。则面积分流体力学与流体机械江汉大学化环学院有旋流动的一个重要的运动学性质是:在同一瞬时,通过同一涡管的各截面的涡通量相等,即 对于微元涡管,近似认为断面上各点的涡量相等,则 左式证明见教材左式证明见教材187187 由上式可知,微元涡管截面愈小的地方,流体的旋转角速度愈大。由于流体的旋转角速度不可能无穷大,故涡管截面不可能收缩为零。即,涡管不可能在流体内部开始或终止,而只能在流体中自行封闭成涡环,或终止于和开始于边界面,例如龙
13、卷风起于地面,终止于云层。对于有旋流动,其流动空间是速度场,也是涡量场。流体力学与流体机械江汉大学化环学院 通常,涡通量是利用速度环量来计算的,在流场中任取一个封闭曲线,则速度沿曲线的积分 称为曲线上的速度环量,并规定积分绕行方向以逆时针方向为正。沿任意封闭曲线的速度环量等于穿过以该曲线为边界的任意曲面的涡通量,即 2、斯托克斯(、斯托克斯(Stokes)定理定理 式中,L为流场中任意封闭的曲线;A为曲线L所围城的面积;u是曲面A的外法线单位向量。流体力学与流体机械江汉大学化环学院 上式给出了速度环量与涡通量之间的关系:沿任意封闭曲线L的速度环量等于通过以该曲线为边界的曲面A的涡通量,即 根据
14、这个关系可以通过分析速度环量来研究旋涡运动。若速度环量,涡通量,封闭曲线所包围的是势流区;若速度环量不等于0,必存在有旋涡。而且通过上式把面积分变成一个线积分,而沿封闭曲线的速度分布是可以直接量测的,这样即可通过速度环量来求得涡通量,使计算大为简便。3、汤姆逊(、汤姆逊(Thomson)定理及其推论定理及其推论 具有正压性质的理想流体在有势的质量力作用下,在流场中沿着任何一个封闭曲线的速度环量不随时间而变化,即 流体力学与流体机械江汉大学化环学院 所谓正压性质流场是指整个流场中,密度是压强的单值函数,即 ,如均匀温度流场,不可压缩流体恒定流场等。由斯托克斯定理可知,速度环量不随时间而变化就意味
15、着涡通量不随时间而变化,也就是说漩涡是守恒的。汤姆逊定理重要推论,即漩涡不生不灭定理:如果作用在理想正压流体上的质量力是有势的,那么若微团没有旋转角速度,则将来也不会出现旋转角速度;若原来有旋转角速度,则将来也不会消失。即流体无旋永远无旋,有旋永远有旋。由上述定理反推可知,流体正压、理想、质量力有势三个条件中,只要有一个条件得不到满足时,漩涡就有可能在流体中产生或消失。对于实际流体,摩擦力常常是产生和消除漩涡的根源。实际流体能否当作理想流体来考虑,主要决定于粘滞力是否起显著作用,工程上所遇到的流体主要是水和空气,它们的粘性都很小,如果在流动过程中没有受到边壁摩擦的显著作用,就可以当作理想流体来
16、考虑。流体力学与流体机械江汉大学化环学院二、无旋流动定义及其性质二、无旋流动定义及其性质 根据流体微团是否发生旋转,可以把流动分为有旋流动和无旋流动。无旋流动:流场中各点旋转角速度都等于零的流动,即因此,无旋流动的前提条件(7-14)1 1、无旋流动、无旋流动流体力学与流体机械江汉大学化环学院 流体的流动是有旋还是无旋,是由流体微团本身是否旋转来决定的。流体在流动中,如果流场中有若干处流体微团具有绕通过其自身轴线的旋转运动,则称为有旋流动。如果在整个流场中各处的流体微团均不绕自身轴线的旋转运动,则称为无旋流动。这里需要说明的是,判断流体流判断流体流动是有旋流动还是无旋流动,仅仅由流体微团本身是
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