流体运动学-PPT

第三章流体运动学2-1流体运动的描述2-2流动的几个基本概念2-3流动的分类2-4流体运动的质量守恒方程子在川上曰：逝者如斯夫！人不能两次踏进同一条河流请君试问东流水，别意与之谁短长问君能有几多愁？恰似一江春水向东流君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回飞流直下三千尺，疑是银河落九天沧海横流，方显英雄本色莫让年华付流水！风乍起，吹皱一池春水大风起兮云飞扬忽如一夜春风来，千树万树莉花开海水朝朝朝朝朝朝朝落浮云长长长长长长长消人才流动，流水线，意识流，商品流通，车流，学潮钱塘大潮•流体参数表征运动流体的物理量速度、加速度密度、温度、压强动量、动量矩、动能流过机翼橄榄球运动乒乓球运动随空间位置的变化规律随时间连续变化的规律与边界条件的相互作用力规律运动+变形3-1流体运动的描述流动远比固体运动复杂！•风力的分级0级称为无风，0—0.2m/s，陆地上的特征是烟直上；1级称为软风，0.3—1.5m/s，烟能表示风向，树叶略有摇动；2级称为轻风，1.6—3.3m/s，人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘动，高的草开始摇动；3级称为微风，3.4—5.4m/s，树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息；4级称为和风，5.5—7.9m/s，能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏；5级称为清劲风，8.0—10.7m/s，有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显；6级称为强风，10.8—13.8m/s，大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏；3-1流体运动的描述7级称疾风，13.9—17.1m/s，整个树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便；8级称为大风，17.2—20.7m/s，可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大；9级称为烈风，20.8—24.4m/s，草房遭受破坏，屋瓦被揪起，大树枝可折断；10级称为狂风，24.5—28.4m/s，特征是树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏；11级称为暴风，28.5—32.6m/s，特征是大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏；12级称为飓风，32.6m/s，在陆地少见，其摧毁力很大。3-1流体运动的描述3-1流体运动的描述描述流体运动的两种方法拉格兰日（Lagrange）法————质点系法欧拉（Euler）法——控制体法图3-1拉格兰日变数xzyOuAB(x,y,z)(a,b,c)如图，在时间t=0的初始时刻，各流体质点有唯一坐标——初始坐标：（），用质点的（a,b,c）作为不同质点的区别标志。czbyax000,,拉格兰日法与质点系首先需要将不同流体质点加以标志识别！(a,b,c,t）称拉格兰日变数质点系法——分析每个质点的运动流体质点系的特点——在运动中变形（a,b,c,t）是各自独立的，质点的初始坐标（a,b,c）与时间t无关，时间t只影响质点的运动坐标、速度和加速度质点运动坐标质点速度质点-加速度),,,(tcbaxx),,,(tcbayy),,,(tcbazz),,,(tcbaudtdxuxx),,,(tcbaudtdyuyy),,,(tcbaudtdzuzz),,,(22tcbaadtdudtxdaxxx),,,(22tcbaadtdudtydayyy),,,(22tcbaadtdudtzdazzz3-1流体运动的描述拉格兰日法不仅适用于观察起始坐标（a,b,c），不变的某一个质点，也适用于观察（a,b,c）连续变化的整个质点系。表3-1用拉格兰日法描述流体运动的表达式3-1流体运动的描述表演舞台欧拉法与控制体空间场或控制体法——分析某一区域内流体的总体特征不关心个别流体质点的运动，只观察经过空间每个位置的运动情况，所以不需关心质点系的变形问题。欧拉法与控制体流体经过的一个固定空间，其中充满连续不断的流体质点，每个质点都具有一定的物理量。是物理量连续分布的场，即流场如速度场、密度场、温度场、压强场等用流体质点的空间位置坐标（x,y,z）与时间变量t表达空间内流体运动规律（x,y,z,t）叫作欧拉变数。各不独立3-1流体运动的描述zxyo速度场的表达式)](),(),([),,,(tztytxtzyxuuu)](),(),([),,,()](),(),([),,,()](),(),([),,,(tztytxutzyxuutztytxutzyxuutztytxutzyxuuzzzyyyxxx)(txx)(tyy)(tzz),,,(tzyxpp),,,(),,,(tzyxTTtzyxrrt1时刻t2时刻3-1流体运动的描述控制体是相对于坐标系有固定位置、有任意确定形状的空间区域,控制体的表面也称为控制面。控制体通过控制面与外界有质量交换和能量交换，以及与控制体外的环境有力的相互作用。流体与固体边界的相互作用任何时刻物理量在场上的分布规律定常场如果流场中的速度、压强、密度、温度等等物理量的分布与时间t无关，即满足下式，则称为定常场，或定常流动，此时物理量具有对时间的不变性。0ttttptru均匀场如果流场中的速度、压强、密度、温度等等物理量均与空间坐标无关，即满足下式，则称为均匀场，或均匀流动，此时物理量具有对空间的不变性0zpypxpzyxuuuyx)(tfp)(tfuoB)(tfHz流场划分：定常场和均匀场yx)(tfp)(tfuBz3-1流体运动的描述图3-2流体的质点导数xzyO(x+x,y+y,z+z)(x,y,z)ABM(t+t)M(t)s物理量的质点导数3-2流体运动的几个基本概念运动中的流体质点所具有的物理量N（如速度、压强、密度、温度、质量、动量、动能等）对时间的变化率称为物理量N的质点导数（或随体导数）。tN(x,y,z,t)Δt)Δz,tΔy,zΔx,yxNtNdtdNtt(limlim00对多元复合函数求导,可得质点导数质点导数是数学上多元复合函数对独立自变量t的导数。数学上没有这种名称，是联系流体力学的物理内容而定的]),(),(),([ttztytxNNtNdtdzzNdtdyyNdtdxxNdtdN!!也可以用多元函数的泰勒级数展开公式得到此式式中zyxkji称哈密尔登(Hamilton)算子,读“Nabla”或矢性微分算子，它虽然具有矢量形式，但并非矢量，只是微分运算的一种符号。tNNdtdN)(u或所以质点导数又可写成tNzNuyNuxNudtdNzyx因为位移对时间的导数就是质点的速度,既zyxudtdzudtdyudtdx,,3-2流体运动的几个基本概念质点的物理量N可以是压强、密度、温度，也可以是流体运动的速度。3-2流体运动的几个基本概念tpptpzpuypuxpudtdpzyx)(uttzuyuxudtdzyxrrrrrrr)(utdtdtuutuzuuyuuxuudtdutuutuzuuyuuxuudtdutuutuzuuyuuxuudtduzzzzzzyzxzyyyyzyyyxyxxxxzxyxxxuuuuuuu)()()()(速度的质点导数，实际上就是流体质点的加速度3-2流体运动的几个基本概念物理量的质点导数包括下列两部分。dtdN质点的空间位置变化时，物理量N对时间的变化率，反映流场的非均匀性。在均匀流动时，物理量N在流场中处处相等，因而均匀流场中迁移导数必然为零。,0zNyNxN注意:迁移导数中的自变量仍然是时间tzNuyNuxNuzyxtN当地导数(局部导数或时变导数)zNuyNuxNuzyxN)(u迁移导数或位变导数质点没有空间变位时，物理量N对时间的变化率，反映流场的非定常性。显然定常流动时一切当地导数均为零。3-2流体运动的几个基本概念以质点加速度为例。由当地加速度及迁移加速度组成，它们的物理概念可以用图加以说明。tuuu)(假如只讨论管中截面上的平均速度而不研究截面上的速度分布。那么截面平均流动参数，除时间变量外，就只随一个空间变量s（即沿管轴线方向的自然坐标）变化，。v),(tsvv图3-3当地加速度与迁移加速度ABC定常均匀流定常非均匀流0)(uu图3-3当地加速度与迁移加速度ABC非定常均匀流0tu非定常非均匀流0tu0)(uu3-2流体运动的几个基本概念[解]质点导数的各项为[例题3-1]已知流速场为（单位：m/s）zxtuzytuyxtuzyx，，222试求t=3m/s时位于(m)处流体质点的加速度)3.06.06.0，，（112tututuzyx，，022zuyuxuxxx，，110zuyuxuyyy，，101zuyuxuzzz，，将代入速度表达式得33.06.06.0tzyx，，，smusmusmuzyx/3.3/7.2/4.8质点的加速度为222/1.6)1(3.307.214.81/6.113.3)1(7.204.81/2.2403.327.224.82smasmasmazyx[答]略。3-2流体运动的几个基本概念流线与迹线流线xyOu1u2u3u443212.流线的微分方程设某一点上的质点瞬时速度为流线上的微元线段矢量为因为两个矢量方向一致,矢量积为零,流线矢量为kjiuzyxuuukjisdzdydxd0sud写成投影形式为，这就是最常用的流线微分方程.zyxudzudyudx1．流线的定义流线是流场中的瞬时光滑曲线，曲线上各点的切线方向与各该点的瞬时速度方向一致。即表示某瞬时多质点流动方向的曲线，流线是欧拉法用于形象地描绘流场的概念，也是理解以“流”的形式运动着的质点系的最重要概念。3-2流体运动的几个基本概念下图表示一条流线上1、2、3各点的流速矢量方向，在充满流动的空间内可以绘出一族流线，所构成的流线图称为流谱。流线的特征：2、起点在不可穿透的光滑固体边界上的流线将与该边界的位置重合。因为沿边界法向的流速分量等于零。1、一般地，两条流线不相交，任一条流线是无转折的光滑曲线，除非该点的流速大小为零或无穷大。流线的性质中的例外图3-6驻点与奇点(1)驻点(2)奇点ABB3-2流体运动的几个基本概念源或汇。流体沿射线从B点流出或者向B点流入，B点速度趋于无穷，奇点处流线也是相交的。驻点或奇点。当流体绕尖头直尾的物体流动时，物体的前缘点A是一个实际的驻点，驻点上流线相交，因为驻点速度为零。流线不能突然转折，如下图尾部，必然有一部分流体不能参与主流方向的运动，而被主流带动产生旋涡，消耗了主流的能量，增大了运动物体的阻力。zxy0t1t3t2迹线3-2流体运动的几个基本概念dtudzudyudxzyx迹线方程非恒定流在什么情况下，流线可能与迹线重合？如果所有各点的流速方向均不随时间变化，只是流速的大小随时间改变。恒定流：所有各质点均会沿流线运动，迹线与流线重合。非恒定流：质点不一定沿着流线运动，但运动方向仍与该瞬时某一条流线相切迹线是某一流体质点的运动轨迹线。它是单个质点在运动过程中所经过的空间位置随时间连续变化的轨迹。3-2流体运动的几个基本概念[例题3-2]已知流场中质点的速度为)0(0yukyukxuzyx求流场中质点的速度、加速度及流线方程。[解]从可见流体运动只限于xoy的上半平面，质点速度为0,0