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工程流体力学复习

目录

绪论

流体静力学

流体动力学基础

量纲分析和相似原理

流动阻力和能量损失

管路计算

明渠恒定流动

01

绪论

Chapter

工程流体力学主要研究流体（液体和气体）在静止和运动状态下的力学行为，以及流体与固体边界之间的相互作用。

通过对流体的基本性质、运动规律以及与固体边界的相互作用进行研究，为工程实践提供理论指导和设计依据，解决工程中的流体动力学问题。

研究对象

任务

01

02

03

04

单位体积流体的质量，反映流体的惯性。

密度

流体内部相邻两层之间因相对运动而产生的内摩擦力，反映流体的内耗。

粘性

流体在压力作用下体积缩小的性质，反映流体的弹性。

压缩性

流体内部热量传递的性质，反映流体的热学性能。

热传导性

流体内部或外部对流体施加的法向力，使流体产生变形和流动。

流体表面分子之间的相互吸引力，使流体表面具有收缩趋势。

地球对流体的吸引力，使流体产生重量和压力。

流体内部相邻两层之间因相对运动而产生的内摩擦力，阻碍流体的流动。

表面张力

重力

粘性力

压力

02

流体静力学

Chapter

流体静压强的定义

流体静压强是指流体在静止状态下，由于重力作用而产生的单位面积上的法向力。

流体静压强的特性

流体静压强具有方向性，垂直于作用面；大小与作用面的方位无关，仅与流体的密度和高度有关。

基于流体微元受力平衡条件，可以推导出流体平衡微分方程。

流体平衡微分方程的推导

该方程描述了流体在静止状态下，压强、密度和重力之间的关系。

流体平衡微分方程的物理意义

重力作用下流体静压强的分布规律

在重力作用下，流体静压强随深度的增加而增大，且在同一水平面上各点的流体静压强相等。

重力作用下流体静压强的计算

根据流体静压强的定义和重力加速度，可以计算出任意深度处的流体静压强。

利用液柱高度差产生的压力差来测量流体的压强。

常用的测量仪器有U形管压力计、单管压力计和倾斜式压力计等。在使用这些仪器时，需要注意仪器的精度、测量范围和使用方法。

流体压强的测量仪器

流体压强的测量原理

03

流体动力学基础

Chapter

拉格朗日法

以研究单个流体质点运动过程作为基础，综合所有质点的运动，构成整个流体的运动。

欧拉法

以研究流场中的固定空间点为基础，综合足够多的空间点上的物理量来描述流体的运动。

定常流动与非定常流动

根据流动的物理量是否随时间变化来分类。

一维流动、二维流动和三维流动

根据描述流体运动的物理量的个数来分类。

均匀流动与非均匀流动

根据流动中不同空间点上的速度、压强等物理量是否相同来分类。

03

02

01

质量守恒定律在流体力学中的表达形式，表示单位时间内流入、流出控制体的质量差等于控制体内质量的增量。

01

02

对于不可压缩流体，密度ρ为常数，连续性方程可简化为速度场的散度等于零，即流进流出控制体的流量相等。

理想流体是指无黏性、不可压缩的流体。对于理想流体，可忽略黏性力，从而得到简化的运动微分方程，即欧拉运动微分方程。

该方程描述了理想流体在质量力和压强梯度力作用下的运动规律。

实际流体具有黏性和可压缩性，因此需要考虑黏性力和压缩性的影响。

纳维-斯托克斯方程是描述实际流体运动的基本方程，它考虑了流体的黏性、压缩性以及质量力和压强梯度力的作用。

04

量纲分析和相似原理

Chapter

Buckinghamπ定理

通过量纲分析可以将物理问题中的变量组合成无量纲的π项，从而简化问题。

量纲分析的应用

可以用于检验物理方程的正确性、推导物理方程、确定物理现象的相似准则等。

量纲齐次性原理

物理方程中各项的量纲必须相同，这是量纲分析的基本原理。

如果一个物理现象可以由n个物理量描述，且这些物理量中含有m种基本量纲，则这个物理现象可以用n-m个独立的无量纲π项来描述。

π定理的表述

在流体力学中，Reynolds数是一个重要的无量纲参数，它描述了流动中的惯性力和粘性力的相对大小。通过量纲分析可以推导出Reynolds数的表达式，进而研究不同Reynolds数下的流动特性。

应用举例

模型实验的概念

01

在实验室中，通过缩小或放大比例制作模型，模拟实际工程中的流动现象，以便进行观测和测量。

相似原理

02

为了保证模型实验的结果能够反映实际情况，需要满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。这些条件保证了模型中的流动现象与实际工程中的流动现象具有相同的物理本质。

相似准则

03

在模型实验中，需要遵循一些相似准则，如Reynolds数相似、Froude数相似等。这些相似准则保证了模型实验能够准确地模拟实际工程中的流动现象。

05

流动阻力和能量损失

Chapter

流体在管道内流动时，由于流体与管壁之间的摩擦而产生的阻力。

局部阻力

流体在流经管道中的管件、阀门、弯头、变径等局部障碍时，由于流体