流体运动学和流体动力学基础优秀课件.ppt
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1、流体运动学和流体动力学基础第1页,本讲稿共57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。第2页,本讲稿共57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、动量方程以及能
2、量方程连续性方程、动量方程以及能量方程第3页,本讲稿共57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(、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变化。所谓空间一点上的物理量是指占据该变化。所谓空间一点上的物理量是指占据该变化。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
3、空间点的流体质点的物理量。着眼于空间点的流体质点的物理量。着眼于空间点的流体质点的物理量。着眼于某瞬时,某瞬时,整个流场各空间点处的状态整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。第4页,本讲稿共57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第5页,
4、本讲稿共57页第一节流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。的运动。当地导数当地导数迁移导数迁移导数第6页,本讲稿共57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物理概念清晰,但清晰,但处理问题处理问题十分困难十分困难基本思想:基本思想:基本思想:基本思想:跟踪每个流体质点的运动全过跟踪每个流体质点的运动全过跟踪每个流体质点的运动全过跟踪每个流体质点的运动全过程,记
5、录它们在运动过程中的各物理量程,记录它们在运动过程中的各物理量程,记录它们在运动过程中的各物理量程,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及其变化。着眼于每个个别流体质点运及其变化。着眼于每个个别流体质点运及其变化。着眼于每个个别流体质点运动的研究。动的研究。动的研究。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
6、不同的流体支点代表不同的流体支点第7页,本讲稿共57页第一节流体运动的描述第一节流体运动的描述任一流体质点在任一流体质点在任一流体质点在任一流体质点在t t t t时刻的坐标可表示为:时刻的坐标可表示为: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时代时代表给定流体质点的表给定流体质点的运动轨迹;给定运动轨迹;给定t t时代表时代表t t时刻各流时刻各流体质点所处的位置。体质点所处的位置。第8页,本讲稿共57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
7、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,则流体运动过程中,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。称此流动为定常流动,反之为非定常流动。称此流动为定常流动,反之为非定常流动。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
8、定坐标系中,有关物理量依赖于一个坐标,称为一维流动,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。流动。平面运动和轴对称运动是典型的二维运动。流动。平面运动和轴对称运动是典型的二维运动。流动。平面运动和轴对称运
9、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第9页,本讲稿共57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
10、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第10页,本讲稿共57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第11页,本讲稿共57页第三节迹线流线第三节迹线流
11、线()迹线迹线 是流体质点在空间运动时描绘的轨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。迹。它给出了同一流体质点在不同时刻的空间位置。第12页,本讲稿共57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 都与该点的速度向都与该点的速度向都与该点的速度向都与该点的速度向量量量量 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:第1
12、3页,本讲稿共57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;对对对对于定常流场,流线与迹线重合。于定常流场,流线与迹线重合。于定常流场,流线与迹线重合。于定常流场,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
13、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
14、;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;速度为零的速度为零的速度为零的速度为零的点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。点为驻点,速度为无穷大的点为奇点。第14页,本讲稿共57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(
15、双曲线)流线方程(双曲线)第15页,本讲稿共57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、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时流线流线方程第16页,本讲稿共57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,通过这样封闭曲线不相交的封闭曲线,通过这样封闭曲线上各点流线所构成的管状表面。上各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
16、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
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