实验流体力学1全解

实验流体力学陈应华[e-mail]华中科技大学土木学院力学系绪论第1章流体力学基础第2章实验的基本理论第3章运动流体中的压差测量第4章风洞和水槽试验第5章热线风速仪与湍流测量第6章激光多普勒测速技术第7章粒子图像测速技术第8章流动显示方法实验流体力学参考教材[1]朱仁庆，扬松林，杨大明，实验流体力学，国防工业出版社，北京，2005。[2]戴昌晖，流体流动测量，航空工业出版社，北京，1991。[3]徐有恒，穆晟，基础流体实验，复旦大学出版社，上海，1990。[4]周光坰，流体力学上、下册，高等教育出版社，北京，2003。实验流体力学绪论实验流体力学是和理论流体力学、计算流体力学并列的流体力学三大分支之一，也是实验力学的重要组成部分。可以这样说，一个国家的科学技术水平常常反映在实验室中。因此，实验流体力学的研究情况在一定意义上反映着整个流体力学学科的水平。3.利用模拟技术解决工程实际问题及研究相应的流动规律。4.发展实验仪器和测量方法。2.研究各种流动现象的本构关系。1.不断研究流体运动中的新现象和探索其规律。一.实验流体力学的主要任务：⑴.完整地建立了流体静力学理论。⑵.提出了流体与物体运动之间的相对性原理。主要成就：1.第一时期——17世纪中叶以前。二.实验流体力学发展简史：⑶.定性地研究了管流与某些无压流动。⑷.初步发展了各种流体机械，等等。⑴.发展了基本实验设备、仪器和显示与测量技术。2.第二时期——17世纪中叶至20世纪初叶。⑵.发现伯努利与达西等定律和湍流与空化等现象。主要成就：⑶.研究了在流体中运动的物体（包括圆球、平板、船舶、炮弹、翼型等）所受的力，特别是阻力。⑷.详细和系统地研究了圆管层流流动。⑸.提出了流体的动力相似理论。3.第三时期——20世纪初叶以后。主要成就：⑴.进一步发展了实验设备、仪器和显示与测量技术。⑵.发现更多的流动新现象（比如分离、湍斑、湍塞、相干结构、贝尔德现象等）。⑶.提出边界层概念并开展这方面研究。⑷.研究典型物体（如圆球、圆柱、平板、流线型物体等）的绕流问题和圆管、渠道中的流动。⑸.围绕航空、航天的需要研究翼型、机翼，廻转体与组合体的空气动力特性。⑹.研究流动过渡和湍流现象。⑺.验证理论（如N—S方程、边界层概念、边界层动量积分关系式等）。⑻.在实验中大量应用计算技术。第1章流体力学基础§1-1流体与流体力学§1-2流体的粘性§1-3描述流体运动的方法§1-4迹线和流线§1-5伯努利方程§1-6伯努利方程应用举例§1-7湍流与复杂流动流体力学基础、等离子态和超固态牛顿流体：油、水、空气等§1-1流体与流体力学一.研究对象物质状态：固态、液态、气态1.实验流体力学•直接解决生产问题，检验和建立理论；•发现新现象；•普适性较差，受到费用和环境限制。三.研究方法二.发展历史2.理论流体力学•明确给出各物理量与流动参数的函数关系；•建立简化的数学模型时需要一定的假设，必须证实简化模型的合理性；•由于数学上的困难，能获得解析解的问题的数量有限。3.计算流体力学•计算机性能提高，计算方法改进，作用越来越大；•数值计算是近似方法，需要用实验和分析的结果验证方法的可靠性；•数值方法对复杂而又缺乏完善数学模型的问题是无能为力的。四.基本原理质量守恒定律能量守恒定律牛顿运动定律热力学定律流体在微小剪切力作用下不能保持形状，具有流动性。固体可以在静止状态承受切向力固体摩擦力与流体粘性阻力的不同表现流体以持续变形承受切向力§1-2流体的粘性•流体粘性形成原因：（１）两层液体之间的粘性力决定于分子内聚力（２）两层气体之间的粘性力决定于分子动量交换粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动•壁面无滑移假定：大量实验证实了壁面无滑移假定温度对流体粘度的影响大，压强对粘度的影响小流体的分类（1）牛顿流体和非牛顿流体（2）粘性流体和理想流体（3）可压缩流体和不可压缩流体(按流体的物理性质)§1-3描述流体运动的方法一.流体质点的速度：),,,(),,,(tzyxtzyxpp第1章流体力学基础欧拉法中的速度函数是定义在空间点上的，它们是空间点坐标（x,y,z）的函数。)tz,y,x,(w)tz,y,x,(v)tz,y,x,(uwvukwjviuV第1章流体力学基础由速度分布求加速度：tot01)(limvva上式中用粗体字母表示矢量。kwjviuV设某个质点，t时刻位于（x,y,z），速度为：),,,(0tzyxVt+Δt时刻位于(x+Δx,y+Δy,z+Δz)，速度为：),,,(1ttzzyyxxVV0和V1的关系为：zzVyyVxxVttVVV01加速度：而：zzyyxxttVVVVVV01注意到：wtzvtyutxttt000lim,lim,lim因此：zwyvxutVVVVatot01)(limvva若用粗体字母表示矢量，则：dtdzwyvxutVVVVVa加速度的投影值：dtduzuwyuvxuutuaxdtdvzvwyvvxvutvaydtdwzwwywvxwutwaz二.质点加速度和质点导数：质点加速度——质点速度矢量对时间的变化率。VVtVzVwyVvxVutVdtVda)(局部加速度对流加速度质点的加速度包括两个部分：（1）局部加速度（时变加速度，当地加速度）——特定空间点上速度对时间的变化率；（2）对流加速度（迁移加速度）——对应于质点空间位置改变所产生的速度变化。质点导数——质点物理参数对时间的变化率。物理参数的质点导数=局部导数+对流导数zwyvxutdtdzwyvxutdtd:例如zpwypvxputpdtdp对流加速度：由于截面面积变化，流体质点的速度沿流程变化。123x举例局部加速度：随着流量变化，不同时间经过同一点的流体质点速度不同。流量随时间变化的变截面管流动1.3描述流体运动的方法三.流动的分类：①.恒定流（定常流动）：②.非恒定流（非定常流动）：，等等。或这时：),,,(),,,,(tzyxpptzyxuu，等等。，特征：00tptwtvtu流场中各点处的所有流动参数均不随时间而变化的流动。流场中各点的流体质点的所有流动参数中只要有一个随时间而变化，这样的流动就称为非恒定流。1.恒定流与非恒定流：?0?0tptu定常流动和非定常流动举例：空间点上的流动参数是否随时间变化？1.3描述流体运动的方法2.均匀流、非均匀流、渐变流、急变流：①.均匀流与非均匀流：②.渐变流与急变流：3.一元流动、二元流动、三元流动：若流体的流动参数是空间三个坐标和时间的函数，这种流动称为三元流动；若流动参数是两个坐标和时间的函数，这种流动称为二元流动；若流动参数是一个坐标和时间的函数，这种流动称为一元流动。在给定时刻，流场中各流线都是平行直线的流动称为均匀流；否之，则为非均匀流。在非均匀流中，各流线是接近于平行直线的流动称为渐变流（或称缓变流）；否之，则为急变流。123x喷管内粘性流体流动的速度分布实际流动u=u(x,y,z,t)三元流动流动参数的变化与几个空间坐标有关？1.3描述流体运动的方法123x喷管内粘性流体流动的速度分布考虑轴对称，u=u(r,x,t)二元流动流动参数的变化与几个空间坐标有关？1.3描述流体运动的方法123x喷管内粘性流体流动的速度分布考虑平均流速V=V(x,t)一元流动流动参数的变化与几个空间坐标有关？1.3描述流体运动的方法绕无限翼展的二元流动zxy1.3描述流体运动的方法绕有限翼展的三元流动zxy1.3描述流体运动的方法§1-4迹线和流线第1章流体力学基础1.迹线、流线与脉线的定义：迹线：给定流体质点在一段连续时间内的运动轨迹。流线：某瞬时,如果流场中的某一条曲线上每一点的切线都与该点的流体质点的速度方向相同,则称此曲线为该瞬时的一条流线。流线和迹线的区别：流线和迹线的区别：t1abcaVbVcVaat1+Δtt1+2Δt质点a的轨迹t=t1的流线迹线---流体质点的运动轨迹线。流线---处处与质点速度矢量相切的空间曲线。2.流线的特征：1）.流线上任一点的流体质点的运动方向与该点流线相切。2）.流线一般为光滑曲线。3）.流线与流线一般不相交。4）.恒定流时流线、迹线与脉线重合。3.流线微分方程：设流线微段为：kdzjdyidxds脉线（或称染色线）：相继通过流场同一空间点的流体质点所连成的曲线。该点的流体速度为：kwjviuV因为V//ds，因此,两矢量的分量对应成比例：wdzvdyudx曲率半径微团速度§1-5伯努利方程一.理想流体沿流线的伯努利方程CgVgpz22第1章流体力学基础CgVgpz22沿流线单位重量流体的机械能守恒应用条件理想、沿流线适用重力流体、不可压缩、定常、（无旋流动，伯努利方程在全流场适用）二.伯努利方程的物理意义第1章流体力学基础一.皮托管测量流速§1-6伯努利方程应用举例ghV2PB静压VPA总压第1章流体力学基础)(22gppzzgVVBABABA皮托管测速原理BA（1）用伯努利方程求速度与压强的关系pA总压pB静压0AVgVgpzgVgpzBBBAAA2222第1章流体力学基础BA)(2gppzzgVBABAB)1(2ghVB———z=0ghppzzgBABA)'()()(AAgzp速度修正系数（2）测量静压强差Bp)(hzgBgh'等压面上两点的静压强代入测速公式第1章流体力学基础二.皮托管设计原则pPuUPt2)(21PuUPt2222高阶项222/1222111/)(2UuUuPPUt1.确定静压孔位置2.估计速度脉动影响第1章流体力学基础第1章流体力学基础第1章流体力学基础第1章流体力学基础第1章流体力学基础§1-7湍流与复杂流动1.湍流的特征5.物体阻力4.边界层分离3.边界层流动2.湍流速度分布习题1-1画出皮托管结构示意图；1-2说明皮托管用途和设计原理。第1章流体力学基础