风沙物理学第1章流体力学基本理论.pptVIP

第一章流体力学基本理论风——风沙运动的动力风——流动着的空气空气——大气：（空气动力学、大气动力学、气象学、动力气象学、大气物理学）空气——属于流体：（流体力学、工程流体力学）风沙运动的研究历史表明，不研究它的流体力学特征，不研究它的力学作用过程，其形成和发展就不可能再前进一步．一、流体的连续介质模型：1、流体由分子组成，分子与分子间存在空隙，从微观(分子)的角度看，流体并非是连续分布的物质。2、流体分子间的距离非常小：标准状态下，1mm3的气体包含2.7×1016个分子。3、研究流体时取“微团”（质点），“微团”虽小，有足够多的分子，宏观物理量的统计平均值有意义。４．随机进入和飞出“微团”体积的分子数随时都是平衡的，这个微团体中所有分子的总体称质点。５、空间各点都有“微团”，流体由无数连续分布的流体微团组成，空间每一点都有宏观属性（密度、速度、压力、温度等）。６、连续介质模型，流体是由连续分布的流体质点所组成的，宏观物理量亦连续分布，它们是空间坐标和时间的单值连续可微函数，由数学工具研究。二、流体性质：1、流动性（受微小剪切力的作用就连续流动）2、质量——密度ρ（单位体积内流体的质量kg/m3）3、重量——重度γ（单位体积内流体的重量N/m3）4、压缩性与膨胀性——温度不变，流体的体积随压强增大而缩小称压缩性．PV=nRT(P:压强V：气体体积n：气体物质的量R：常数，8.31T,t:温度T=t+273.15)5、粘性——粘度（流体层发生相对滑移时产生切向阻力的性质）三、作用在流体上的力：表面力：由邻近流体质点或其他物体所直接施加的表面接触力（又称近程力）。压力：垂直表面，沿表面内法线方向摩擦力：与表面平行，也叫粘性力质量力：作用流体质量上的非接触力（又称长程力）。重力：地球引力作用惯性力：加速运动向心力：沿曲线流动四、牛顿内摩擦定律：处于相对运动的两层流体之间的内摩擦力，其大小与流体的物理性质（μ动力粘度）有关，并与流速梯度(du/dz)和流层的接触面(A)成正比，而与接触面的压力无关。单位面积上的内摩擦力：τ—内摩擦力；u—流动速度μ—流体粘度；z—垂直坐标五、流体流动的研究方法：拉格朗日法——质点法（迹线描述）注重个别质点的运动，综合所有质点情况，找到运动规律。方法复杂，一般不用。（一叶扁舟，水中气泡等）迹线：流体质点的运动轨迹线。欧拉法——“流场”法（流线描述）不注重个别质点的运动，从场的观点出发。场——充满着运动的流体微团的空间，如速度场、密度场、温度场等等。流线：流场内某瞬间所有流体质点流动方向的曲线。曲线上各质点的流速矢量都与该曲线相切。（大多数流体物理量测量、烟流试验）基础学科物理学气象学流体力学六、流体运动的质量守恒方程（恒定总流的连续方程）在没有质量和能量相互转换的条件下，连续介质的流体运动遵循质量守恒定律。定常流动不可压缩流体，密度分布保持不变，则，体积流量相等：V1A1=V2A2＝Q质量守恒定理——连续性方程A1——断面1处有效面积；V1——断面1处流体流动速度；A2——断面2处流体流动速度；V2——断面2处有效面积。（峡谷风、风洞改造、沙丘、路基、乔木林边缘、峡谷水流湍急）七、能量守恒定律——伯努利方程（压力柱表示）总流的伯努里方程：1.局部损失：截面突变的局部阻力系数：边界层：如果在平板后面再加上一个细长的圆锥体，把充满旋涡的低压区也填满，使得物体后面只出现很少的旋涡，那么实验证明压差阻力将会进一步降低到原来平板的大约二十到二十五分之一。整个边界层内流体的动能都被粘性应力给耗散掉，不能再朝下游流动了，然而远前方的还未减速的边界层还在源源不断地追赶上来。就象被堵塞的水池的水会溢出一样，边界层内的流体也会因为无法继续贴着物面流动而“溢出”—边界层离开了物面，它分离了。在外部流动中，黏性流体绕物体流动