等离子体物理学导论L9.pptx

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1、流体力学简介第一节:引言第二节:基本定义概念与流体的基本特性第三节:描述流体数学方法第四节:流体力学基本方程组第1页/共21页第一节 引言第2页/共21页第3页/共21页第4页/共21页第5页/共21页定义:受任何微小剪切力作用都能连续变形的物体.通俗地说就是易流动的物体.它分两种:液体是指有自由表面的流体,而气体是指没有自由表面,可以充满容纳它的整个空间的流体.流体与固体不同:固体受到切应力会产生形变,粒子之间具有固定的相对位置,并满足应力与应变之间的关系.但流体受到切应力即开始流动.且流体组元间的相对位置不固定.沙子不是流体的原因:沙子虽然有一定的流动性,但那是因为沙粒间不易支撑,如果选取

2、很小的一部分出来,例如选一粒沙,它是固体,不会流动.而流体要求不论选取多小的一点出来都有流动性.第二节 基本定义 概念与流体的基本特性第6页/共21页流体力学研究流体的宏观运动规律,流体力学三要素:流体 运动 和力应用三大定律建立流体力学基本方程组:质量守恒 动量守恒(牛二)能量守恒（热力学第一定律）流体的数学模型：(取微观上充分大、宏观上充分小的流体元，称为流体质点；将流体运动的空间看作是流体质点连续无空隙地充满着的假设称为连续介质假设。)流体元内部粒子的平均物理性质不受单个分子离散运动的影响，即微观运动被完全平滑掉得到平滑的宏观参数，密度 速度 温度等第7页/共21页流体的三大特性:易变形

3、性 粘性 可压缩性流体的易变形性：流体不能抵抗任何剪切力作用下的变形趋势 易变形性是流体区别于固体的基本特征 由于流体非常容易变形，内部常具非常复杂的结构，如涡漩 湍流等;高尔夫球与汽车受到的阻力,机翼升力都与其尾部形成的涡流有关.流体的粘性：流体的流动并不是无限制的，限制性因素就是流体的粘性。牛顿最早提出概念，认为流体内部相对运动存在内摩擦，该力与相对运动的速度成正比。流体粘性是两层流体间分子内聚力和分子动量交换的宏观表现（动量变化=力）流体的可压缩性:压强的变化引起流体体积和密度变化的特性，称为流体的可压缩性；显然，气体的可压缩性非常大。流体的可压缩性决定了流体中声波的传播速度，可压缩性越

4、强，声速越小。第8页/共21页气体与液体的粘性的主要物理机制完全不同液体：分子内聚力(表面张力）气体：分子热运动动量交换第9页/共21页Q：课堂思考：随着温度的升高,气体与液体的粘性会分别有何变化?第10页/共21页拉格朗日法,又称随体法,跟随某质点一起运动:质点轨迹的概念描述:质点初始坐标 a,b,c，以此为记号,r=r(a,b,c,t)需考虑单个质点的运动轨迹，较复杂，只能描述有限质点情况欧拉法,又称当地法:给出在空间中各点上的物理参数,是空间坐标参数分布的概念用速度的全空间分布即速度场 u=u(x,y,z,t)表示，方便 直接根据速度分布，可以求出轨迹来。第三节 描述流体运动的数学方法第

5、11页/共21页拉格朗日法:质点运动的矢径表示欧拉法:速度场即速度的空间分布两种表示方法的相互转换：拉格朗日法欧拉法欧拉法拉格朗日法第12页/共21页流体质点的随体导数及其欧拉表示流体质点的随体导数及其欧拉表示流体质点的导数流体质点的导数 (随体导数随体导数)是质点物理量是质点物理量在运动中随时间的变化率在运动中随时间的变化率第13页/共21页将拉格朗日描述中的随体导数用欧拉变数表示，是流体力学中非常重要的基本思想随体导数（绝对微商）=当地变化率(局地微商)：在固定点处的时间变化引起的场的变化 +迁移变化率：固定时刻，空间位置变化引起的 物理量变化第14页/共21页Q：课堂思考:说明下列表达式

6、的物理意义?流体速度的随体导数为流体质点的加速度，分成两部分，一部分源自速度场本身的不定常性，一部分来自质点运动造成的空间位置的变化所引起的速度的变化。密度雷同。第15页/共21页第四节 流体力学基本方程组1.流体运动的质量守恒方程另一种推导方法：流体元中的总质量守恒，可得出：相对密度变化率等于负的相对体积膨胀率。直接从体积分和速度体积元dxdydz 中的粒子数密度的时间变化率等于流出体积元各截面的净流入量，速度散度的物理意义？给出流体的不可压条件，不可压是不是代表密度=常数（即不可压均质流体，密度不随 时间与空间变化）？第16页/共21页2.流体运动的动量守恒方程作用于流体元上的力可分为体积

7、力和面积力体积力是作用于所有质点上的力,如重力、电磁力和惯性力；表面力是只作用力所分出的流体侧面的力，如流体压力，内摩擦力等，作用在单位面积上的表面力称为应力。注意由于表面应力通过接触面起作用的。任意流体元接触面可有任意法向，在每个方向均可受到一不确定方向的矢量应力。显然，为了描述应力状态，仅使用矢量是不够的，而必须使用 。第17页/共21页图中，截面dA受到的应力记为：法向正应力+其它两个侧面上受到的切应力应力张量：与表面法向单位矢量的内积可得到该流体元在表面处受到的应力第18页/共21页X方向正应力XZ面上x方向切向应力XY面上x方向切向应力应力*面积=力第19页/共21页对于静止流体或理想对于静止流体或理想(无粘无粘)流体，切向应力为零，流体，切向应力为零，此时流体中一点应力的状态可用一个标量表示：此时流体中一点应力的状态可用一个标量表示：第20页/共21页感谢您的观看！第21页/共21页