工程流体力学知识点.docx

工程流体力学学问点第一章流体的物理性质一、学习引导1 .连续介质假设流体力学的任务是讨论流体的宏观运动规律。在流体力学领域里，一般不考虑流体的微观结构，而是采纳一种简化的模型来代替流体的真实微观结构。依据这种假设，流体布满一个空间时是不留任何空隙的，即把流体看作是连续介质。2 .液体的相对密度4。C纯水的密度的比值，用表示，即= P,是指其密度与标准大气压下3 .气体的相对密度是指气体密度与特定温度和压力下氢气或者空气的密度的比值。4 .压缩性在温度不变的条件下，流体的体积会随着压力的变化而变化的性质。压缩性的大小用体积压缩系数表示，即PC1dV=PVdp5 .膨胀性指在压力不变的条件下，流体的体积会随着温度的变化而变化的性质。其大小用体积膨胀系数B表示，即t6 .粘性流体所具有的阻碍流体流淌，即阻碍流体质点间相对运动的性质称为粘滞性,简称粘性。7 .牛顿流体和非牛顿流体符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。8 .动力粘度牛顿内摩擦定律中的比例系数称为流体的动力粘度或粘度，它的大小可以反映流体粘性的大小，其数值等于单位速度梯度引起的粘性切应力的大小。单位为Pas,常用单位mPa-s、泊（P）、厘泊（cP）,其换算关系：1厘泊（ICP）二I毫帕斯卡秒（ImPa.s）100厘泊（100CP）=I泊（IP）IOoo亳帕斯卡秒（1mPaS）=I帕斯卡.秒（1Pas）9 .运动粘度流体力学中，将动力粘度与密度的比值称为运动粘度，用U来表示，即U=P其单位为m2s,常用单位mm2s.斯（St）、厘斯（cSt）,其换算关系：1m2s=1×10m=1×10t=1×10（?St1St=100CSt10 .质量力作用在每一个流体质点上，并与作用的流体质量成正比。对于均质流体，质量力也必定与流体的体积成正比。所以质量力又称为体积力。重力、引力、惯性力、电场力和磁场力都属于质量力。11 .惯性力（1）惯性系和非惯性系假如在一个参考系中牛顿定律能够成立，这个参考系称作惯性参考系，牛顿定律不能成立的参考系则是非惯性参考系。（2）惯性力在非惯性坐标系中，虚加在物体上的力，其大小等于该物体的质量与非惯性坐标系加速度的乘积，方向与非惯性坐标系加速度方向相反，即F.="ma12 .表面力表面力作用于所讨论的流体的表面上，并与作用面的面积成正比。表面力是由与流体相接触的流体或其他物体作用在分界面上的力，属于接触力，如大气压强、摩擦力等。二、难点分析1 .引入连续介质假设的意义有了连续介质假设，就可以把一个原来是大量的离散分子或原子的运动问题近似为连续布满整个空间的流体质点的运动问题。而且每个空间点和每个时刻都有确定的物理量，它们都是空间坐标和时间的连续函数，从而可以采用数学分析中连续函数的理论分析流体的流淌。2 .牛顿内摩擦定律的应用（1）符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。常见的牛顿流体包括空气、水、酒精等等；非牛顿流体有聚合物溶液、原油、泥浆、血液等等。（2）静止流体中，由于流体质点间不存在相对运动，速度梯度为0,因而不存在粘性切应力。（3）流体的粘性切应力与压力的关系不大，而取决于速度梯度的大小；（4）牛顿内摩擦定律只适用于层流流淌，不适用于紊流流淌，素流流淌中除了粘性切应力之外还存在更为简单的紊流附加应力。3 .流体粘度与压力和温度之间的关系流体的粘度与压力的关系不大，但与温度有着亲密的关系。液体的粘度随着温度的上升而减小，气体的粘度随着温度的上升而增大。4 .流体力学中质量力的表示形式流体力学中质量力采纳单位质量流体所受到的质量力f来表示，即f或f=J+Jj+2cmmm=XI÷fj+Zk其中：X、Y、Z依次为单位质量流体所受到的质量力f在x、y、Z三个坐标方向上的重量。5 .流体力学中表面力的表示形式流体力学中表面力常用单位面积上的表面力来表示。p=limPna-oA这里的P代表作用在以n为法线方向的曲面上的应力。可将P分解为法向应力舄而向应力，法向重量就是物理学中的压强，流体力学中称之为压力。6 .粘性应力为0表现在以下儿种状况肯定静止、相对静止和抱负流体。其次章流体静力学一、学习引导1 .相对静止流体整体对地球有相对运动，但流体质点之间没有相对运动即所谓相对静止。2 .静压力在静止流体中，流体单位面积上所受到的垂直于该表面的力，即物理学中的压强，称为流体静压力，简称压力，用P表示，单位Pao3 .等压面在布满平衡流体的空间里，静压力相等的各点所组成的面称为等压面。4 .压力中心总压力的作用点称为压力中心。5 .压力体是由受力曲面、液体的自由表面（或其延长面）以及两者间的铅垂面所围成的封闭体积。6 .实压力体假如压力体与形成压力的液体在曲面的同侧，则称这样的压力体为实压力体，用（+）来表示；7 .虚压力体假如压力体与形成压力的液体在曲面的异侧，则称这样的压力体为虚压力体，用（）来表示。二、难点分析1 .静压力常用单位及其之间的换算关系常用的压力单位有：帕（Pa）,巴（bar）、标准大气压（atm）、亳米汞柱（mmHg）、米水柱（mH2O）,其换算关系为：Ibar=IXICPa；1atm=1.01325×1Pa；1atm=760mmHg；1atm=10.34mH2O:ImmHg=I33.28Pa；ImH20=9800Pa<.由此可见静压力的单位特别小，所以在工程实际中常用的单位是kPa（lrfPa）或MPa（IdPa）*2 .静压力的性质（1）静压力沿着作用面的内法线方向，即垂直地指向作用面；（2）静止流体中任何一点上各个方向的静压力大小相等，与作用方向无关；（3）等压面与质量力垂直。3 .流体平衡微分方程的矢量形式及物理意义该方程的物理意义：当流体处于平衡状态时，作用在单位质量流体上的质量力与压力的合力相平衡。其中：称为哈密顿算子，V三Jj÷j+k,它本身为一个矢量，同时对其右边的量具有求导的作用。4 .静力学基本方程式的适用条件及其意义。P2Pg（1）其适用条件是：重力作用下静止的均质流体。（2）几何意义：Z称为位置水头，p/称为压力水头，而z+p称为测压管水头。因此，静力学基本方程的几何意义是：静止流体中测压管水头为常数。（3）物理意义：Z称为比位能，p/代表单位重力流体所具有的压力势能，简称比压能。比位能与比压能之和叫做静止流体的比势能或总比能。因此，流体静力学基本方程的物理意义是：静止流体中总比能为常数。5 .流体静压力的表示方法肯定压力：Pab=P+h；a相对压力：P=Pab-Pa=Pgh（当p>p时，P称为表压）；mabaM真空压力：PV=PaPeb=-pM（当PVP时）。6 .等加速水平运动容器和等角速旋转容器中流体自由液面方程的应用（见习题详解）7 .画压力体的步骤（1）将受力曲面依据详细状况分成若干段；（2）找出各段的等效自由液面；（3）画出每一段的压力体并确定虚实；（4）依据虚实相抵的原则将各段的压力体合成，得到最终的压力体。第三章流体运动学一、学习引导1 .稳定流淌假如流场中每一空间点上的全部运动参数均不随时间变化，则称为稳定流淌，也称作恒定流淌或定常流淌。2 .不稳定流淌LJ,则称为不稳定假如流场中每一空间点上的部分或全部运动参数随时间变化，流淌，也称作非恒定流淌或非定常流淌。3 .迹线流体质点在不同时刻的运动轨迹称为迹线。4 .流线流线是用来描述流场中各点流淌方向的曲线，在某一时刻该曲线上任意一点的速度矢量总是在该点与此曲线相切。5 .流管在流场中作一条不与流线重合的任意封闭曲线，则通过此曲线上每一点的所有流线将构成一个管状曲面，这个管状曲面称为流管。6 .流束和总流布满在流管内部的流体的集合称为流束，断面无穷小的流束称为微小流束。管道内流淌的流体的集合称为总流。7 .有效断面流束或总流上垂直于流线的断面，称为有效断面。8 .流量单位时间内流经有效断面的流体量，称为流量。流体量有两种表示方法，一是体积流量，用Q表示，单位为m3/s；另一种为质量流量，用Q表示，单位为kgs<.9 .掌握体是指依据需要所选择的具有确定位置和体积外形的流场空间，掌握体的表面称为掌握面。二、难点分析1 .拉格朗日法和欧拉法的区分(1)拉格朗日法着眼流体质点，设法描述出单个流体质点的运动过程，研究流体质点的速度、加速度、密度、压力等描述流体运动的参数随时间的变化规律，以及相邻流体质点之间这些参数的变化规律。假如知道了全部流体质点的运动状况，整个流体的运动状况也就知道了。(2)欧拉法的着眼点不是流体质点，而是空间点，即设法描述出空间点处的运动参数，讨论空间点上的速度和加速度等运动参数随时间的变化规律，以及相邻空间点之间这些参数的变化规律。假如不同时刻每一空间点处流体质点的运动状况都已知道，则整个流场的运动状况也就清晰了。2 .欧拉法表示的加速度dUdIaJaIaIa=÷Ux-+Uy+Uz-出a88左或a=-=y+(u?)u其中：(1) ad表示在同一空间点上由于流淌的不稳定性引起的加速度，称为当地加速度或时变加速度；(注：对于同一空间点，速度是否随时间变化)(2) (u?)U表示同一时刻由于流淌的不匀称性引起的加速度，称为迁移加速度或位变加速度。(注：对于同一时刻，速度是否随空间位置变化)(3) A=£+Ux£+lIy£+UZe称为质点导数。64改为市3 .流淌的分类(1)依据流淌介质划分：牛顿流体和非牛顿流体的流淌；抱负流体和实际流体的流淌；可压缩流体和不行压缩流体的流淌；单相流体和多相流体的流淌等。(2)依据流淌状态划分：稳定流淌和不稳定流淌；层流流淌和紊流流淌；有旋流淌和无旋流淌；亚声速流淌和超声速流淌等。(3)依据描述流淌所需的空间坐标数目又可划分为：一元流淌、二元流淌和三元流淌。4 .迹线方程的确定(1)迹线的参数方程X=x(a,b,c,t)、y=y(a,b,c,t)>Z=z(a,b,c,t)（2）迹线微分方程dxdydz=dtu（x,y,z,t）v（x,y,z,t）w（x,y,z,t）5 .流线方程的确定流线微分方程dxdydz1 x（x.y,z,t）uy（x,y,z,t）uz（x,y1z,t）6 .流线的性质（1）流线不能相交，但流线可以相切；（2）流线在驻点（U=O）或者奇点（uoo）处可以相交；（3）稳定流淌时流线的外形和位置不随时间变化；（4）对于不稳定流淌，假如不稳定仅仅是由速度的大小随时间变化引起的，则流线的外形和位置不随时间变化，迹线也与流线重合；假如不稳定仅仅是由速度的方向随时间变化引起的，则流线的外形和位置就会随时间变化，迹线也不会与流线重合；（5）流线的疏密程度反映出流速的大小。流线密的地方速度大，流线稀的地方速度小。7 .系统的特点（1）系统始终包含着相同的流体质点；（2）系统的外形和位置可以随时间变化；（3）边界上可有力的作用和能量的交换，但不能有质量的交换。8 .掌握体的特点（1）掌握体内的流体质点是不固定的；（2）掌握体的位置和外形不会随时间变化；（3）掌握面上不