流体力学第2章-基本概念(zhou)概要.ppt

2.1 流体力学的研究对象、方法和应用 流体力学（fluid mechanics）是力学的一个分支，是研究流体机械运动规律的科学。 主要任务： 1、研究流体与固体相互作用（流体和固体界壁间有相 对运动时的相互作用和流动的规律 ） 2、研究流体在静止和运动时所遵循的基本规律 理论分析 是通过流动特性的科学抽象，提出合理的理论模型，应用已有的普遍规律，建立控制液体运动的方程组，将流动问题转化为数学问题，并在一定的边界条件和初始条件下求解。 实验研究则通过对具体流动的观察与测量来认识流动的规律。理论上的分析结果需要经过实验验证，实验又须用理论来指导。 上述三种方法互相结合，为解决复杂的工程技术问题奠定了基础。 微观不连续性：流体是由大量的分子构成的，分子间的间隔远大于分子本身。微观运动：不均匀性，离散性，随机性。 宏观连续性假定：远大于分子间距的范围看来，物质是连续的。流体力学研究流体宏观机械运动规律。流体宏观运动物理量是大量分子微观运动的物理量统计平均的结果。 b) 粘性，理想流体和粘性流体 　　 流体运动时，其内部会出现抵抗，以阻滞质点之间的相对滑动，（产生摩擦阻力）。液体的这种抗拒变形的性质为粘性。 　　液体运动时摩擦发生在内部。因此，液体运动的摩擦又称内摩擦。摩擦阻力又称内摩擦力或切力。 质点加速度 由欧拉法引出，流场中的空间曲线，在同一瞬时，线上各点的速度矢量与之相切。线上任意点的与该点的速度方向一致的假想曲线， 2.10 质量力和面力，应力张量 有外力场引起，为穿越空间作用在所有流体质点上的非接触力，如重力、电磁力等。 2.10 质量力和面力，应力张量 2 流线 与流线切线方向的微元向量 重合 2.5　轨迹和流线 2 流线 流线微分方程 流线具有瞬时性，t 是参数；积分时 t 作常数处理； 在定常流场中流线与迹线重合； 流线不能相交，也不能突然折转，有几种情况例外。 2.5　轨迹和流线 2.5　轨迹和流线 3 流管 在流场中通过一任意的非流线的封闭曲线上每一点作流线所围成的管状面 流管表面没有法向分速度，流体质点不能穿出或传入流管表面 2.6　速度分解定理（亥姆霍兹速度分解定理） 流体微团基本运动形式 刚体有平移和旋转两种运动形式，流体微团除有平移和旋转运动外，还有变形运动。 2.6　速度分解定理 由泰勒级数展开，并略去高阶小量： 2.6　速度分解定理 2.6　速度分解定理 线变形 剪切变形 对于 , 旋转角速度 对于 , 变形 2.6　速度分解定理 =平动速度+转动速度+变形速度 亥姆霍兹速度分解定理: 一点邻域内的速度=平移速度+旋转速度+线变形率+角变形 线变形 单位时间单位长度的线变形称为线变形速率。 同理 y 方向和 z 方向的线应变率 2.6　速度分解定理 x 方向线应变率 xy平面角变形速率（夹角的时间变化率） 角变形速率（剪切变形） 2.6　速度分解定理 剪切运动引起的角度减小 将流体微团上两条直线旋转角速度的平均值定义为流体微团的旋转角速度。 旋转运动 2.6　速度分解定理 旋转角速度 变形率张量是二阶对称张量,存在主轴 2.7 变形速度张量(变形率张量) 变形率张量有三个与坐标系选择无关的量,其中之一是 2.7 变形速度张量(变形率张量) 散度定义 通过封闭曲面 s 的速度通量等于体积 的变化率 散度是相对体积膨胀率 速度旋度(涡量) a) 涡旋的概念 2.8 涡旋运动的基本概念 旋转角速度 流动有旋 将速度旋度定义为涡量 b) 涡线、涡面、涡管 2.8 涡旋运动的基本概念 涡线定义为：线上任意点的切线方向与该点的涡量方向一致的假想曲线. 涡管：在旋涡场中任取一条封闭曲线(不是涡线) ，通过曲线上每一点作一条涡线，所有涡线形成的管形曲面 b) 涡通量和速度环量 2.8 涡旋运动的基本概念 通过任一截面的涡通量。 速度环量：流动速度沿给定封闭曲线的线积分 ：曲线L上的弧元素矢量，方向与曲线在该处切线方向重合 0 n Z Y X ds L s Stokes 定理 环量积分方向：逆时针方向为正 （1）按运动形式 2.9 流动的分类 非定常流（非恒定流） 有旋流动（涡量不为零的流动） 无旋流动（涡量处处为零的流动） （2）以时间标准 定常流（恒定流） 实验室中定常流是常用的流动状态。 经坐标变换，有的不定常流场可变换成定常流场。 2.9 流动的分类 （4）均匀流和非均匀流