工程流体力学概要

工程流体力学概要

流体及其物理性质

  • 流体的定义和特征
    • 是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质
    • 流体只能承受压力,不能承受拉力。在即使是很小剪切力的作用下也将流动(变形)不止,直到剪切力消失为止
    • 流体具有可压缩性
  • 流体作为连续介质的假设
    • 流体质点模型
    • 不考虑流体分子间的间隙,把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质
  • 作用在流体上的力
    • 表面力:作用在所取分离体表面上的力
      • 应力
    • 质量力:作用在流体的全部质点(全部体 积)上的力
  • 流体的密度
    • 单位体积流体所具有的质量,表征流体在空间某点质量的密集程度
    • 流体的比容:单位质量的流体所占有的体积
  • 流体的压缩性和膨胀性
    • 压缩性
      • 压缩系数:单位压强增加所引起的体积相对变化量
      • 体积模量:压缩系数的倒数
    • 膨胀性
      • 体胀系数:单位温度增加所引起的体积相对变化量
  • 流体的粘性
    • 流体内部各流体微团之间发生相对运动时,流体内部会产生摩擦力(即粘性力)的性质
    • 库仑实验
    • 牛顿内摩擦定律
      • 粘性切应力与速度梯度成正比
      • 粘性切应力与角变形速率成正比
      • 比例系数称动力粘度,简称粘度
  • 流体的表面性质
    • 表面张力
    • 毛细现象

流体静力学

  • 流体静压强
  • 流体平衡微分方程式
  • 等压面
  • 流体静力学基本方程式
  • 可压缩流体中压强的变化 
    • 对流层 
    • 同温层
  • 液体的相对平衡

流体运动的基本概念和基本方程

  • 欧拉法
    • 控制体:流场中某一确定的空间区域
      • 控制体的周界称为控制面
  • 拉格朗日法
    • 系统:一团流体质点的集合控制体:流场中某一确定的空间区域
      • 始终包含确定的流体质点
      • 有确定的质量
      • 系统的表面常常是不断变形的

  • 定常流动和非定常流动
  • 迹线与流线
    • 流体中同一质点在不同时刻所占有的空间位置连成的空间曲线称为迹线(拉格朗日法)
    • 在同一瞬间,位于某条线上每一个流体微团的速度矢量都与此线在该点的切线重合,则这条线称为流线(欧拉法)
  • 流管,流束和流量
    • 在流场内任意作一封闭曲线(不是流线),通过封闭曲线上所有各点作流线,所形成的一个封闭的管状曲面称为流管
    • 流管内部的流体称为流束
    • 缓变流与急变流
      • 缓变流:流线平行或接近平行的流动
      • 急变流:流线间相互不平行,有夹角的流动
    • 有效截面,流量和平均流速 
      • 有效截面:处处与流线相垂直的流束的截面
      • 流量:单位时间内流经某一规定表面的流体量
      • 平均流速:流经有效截面的体积流量除以有效截面积而得到的商
  • 湿周与水力半径
    • 在有效截面上,流体同固体边界接触部分的周长称为湿周
    • 有效截面积与湿周之比称为水力半径

  • 连续方程:质量守恒定律
  • 动量方程与动量矩方程
  • 能量方程

  • 伯努利方程

相似原理和量纲分析

量纲分析法

  • 量纲一致性原则
  • 瑞利法
    • 用定性物理量x1,x2, … …,xn的某种幂次之积的函数来表示被决定的物理量y
  • 泊金汉定理
    • 如果一个物理过程涉及到n个物理量和m个基本量纲,则这个物理过程可以用由n个物理量组成的n-m个无量纲量(相似准则数)的函数关系来描述

相似与相似条件

相似

  • 力学相似
    • 在流动空间的各对应点上和各对应时刻,表征流动过程的所有物理量各自成一定的比例
      • 表征流场几何形状的
      • 表征流体微团运动状态的
      • 表征流体微团动力性质的
  • 几何相似
    • 模型与原型的全部对应线性长度的比例相等
  • 运动相似
    • 模型与原型的流场所有对应点上、对应时刻的流速方向相同而流速大小的比例相等,即它们的速度场相似
  • 动力相似
    • 模型与原型的流场所有对应点作用在流体微团上的各种力彼此方向相同,而它们大小的比例相等

相似条件

  • 凡属同一类的流动,当单值条件相似而且由单值条件中的物理量所组成的相似准则数相等时,这些流动必定相似。这是保证流动相似的必要和充分条件。单值条件中的各物理量称为定性量,即决定性质的量。由定性量组成的相似准则数称为定性准则数,而包含被决定量的相似准则数称为非定性准则数

动力相似准则

  • 牛顿力相似准则
  • 单项力作用下的相似准则
    • 重力相似准则
    • 粘滞力相似准则
    • 压力相似准则
  • 非定常性相似准则
  • 弹性力相似准则
  • 表面张力相似准则

管流损失和水力计算

管内流动的能量损失

  • 管内流动的能量损失
    • 发生在缓变流整个流程中的能量损失,是由流体的粘滞力造成的损失
    • 沿程损失系数
  • 局部能量损失
    • 发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失,是在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失
  • 雷诺试验
  • 管道进口段粘性流体的流动
  • 圆管中流体的层流流动
  • 哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)公式

粘性流体的紊流流动

虹吸

  • 液体由管道从较高液位的一端经过高出液面的管段自动流向较低液位的另一端的这样现象称为虹吸现象

串联管道

  • 由不同直径或粗糙度的数段管子连接在一起的管道

粘性流体绕过物体的流动

理想流体的有旋流动和无旋流动

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