流体力学基本概念

匿名 (未验证) 提交于 2019-12-03 00:29:01

2.1 连续介质模型

在标准条件下,1立方毫米空气含有2.7*10^16个分子,从微观的角度而言流体并不是连续的。

流体分子之间的距离一般在10^-7~10^-6 cm,由此可见,流体分子和分子之间的距离都是极其微小的。

1753年,欧拉首先采用连续介质作为流体宏观流动模型。

流体微团(也称为流体质点)有足够数量的分子组成,连续充满它占据的空间,彼此间无任何间隙。甚至考虑到流体距离固体边壁接近0的极限状况也认为如此,这个假设称为流体连续介质假设。

2.2 速度场

在给定时刻,速度场V是空间坐标的函数,即V=V(x,y,z).

流程中给定点的速度也会随着时间发生变化,速度(即速度场)的完全表达式为:V=V(x,y,z,t)

定常流动――流场中某点的特性参数不随时间改变,可用数学式表示为:


2.3 一维、二维与三维流动

三维流动:V=V(x,y,z,t)(也是非定常流场)

一维流动:等截面长直圆管中的流动,在远离进口段的速度分布为:


二维流动:在z方向无限大的两块平板组成的流道,当其截面扩张时,速度场能被垂直于z轴的平面所确定,因此速度场是空间坐标x和y的函数。


2.4 均匀流动和均匀流场

截面均匀流假设:在给定截面上流动是均匀的,在与流动垂直截面上的速度是常数。

均匀流场:用于描述整个流场内速度矢量的大小和方向都是常数的流动,即不取决于空间坐标。

2.5迹线、脉线和流线

迹线(Pathlines):某一流体质点的运动轨迹。

脉线(Streaklines):关注空间某一位置,在经历较短的时间后,可以标识出流动过程中经过该空间点的许多流体质点,所有这些流体质点都在一定的时间内,先后流经这个固定的空间位置,连接这些流体质点的线。

流线(Streamlines):在给定瞬间把一系列空间点连接起来的一条假想线,在该瞬时处于这条线上的所有质点的速度矢量与这条线相切。表明给定瞬时沿流线各质点的运动方向。

流线的特征:

  1. 对于非定常流,流速是时间的函数,流线的形状也会随时间发生变化。
  2. 对于定常运动,由于空间点的速度不随时间而变,所以流线的形状保持不变
  3. 同一时刻,在空间一点上只有一个速度,也就是说,同一时刻通过一点只有一根流线。
  4. 一般情况下,同一时刻流场中的流线不能相交。


流管:由流线作为管壁所形成的管状曲面。流管形状随时间而变。在定常运动条件下,流管形状保持不变,流体沿着流管流动。

流丝:流管的断面无限小时称为流丝。



2.6 应力场

力和面积都是矢量,都带有方向性,一般需要9个量才能确定流体的应力状态,应力是一个二阶张量。

2.6.1 表面力和体积力

表面力(Surface Forces):微团周围的流体或物体作用在流体微团表面上的力,它与力的作用面大小成正比。

体积力(Body Forces):作用在流体微团内均布质量的质心上,这种力通常和微团的质量成正比,一般用单位质量的质量力来表示,重力、惯性力、电磁力等都是体积力。

2.6.2 点应力





2.7 牛顿型流体:粘性

2.7.1 牛顿型流体

牛顿型流体――例题所受的剪应力与变形速率成正比的流体。

非牛顿型流体――所受的剪应力与变形速率不成正比的其他所有流体。




对于牛顿型流体,


牛顿粘性定律:

运动粘度v――表示动力粘度u与密度ρ比值。

2.8 非牛顿型流体


2.9 流体运动的描述与分类


2.9.1 粘性流动和无粘性流动

无粘性流动:流体的粘度假设为0

粘性流动:所有流体都有粘度,因此粘性流动对于连续介质流体力学的研究至关重要。

2.9.2 层流和湍流

层流――流动结构式薄片或分层流动的

湍流――流动结构是紊乱的,在平均流动的基础上叠加了流体质点的三维运动。

有雷诺数Re来判定。

2.9.3 可压缩流动和不可压缩流动

不可压缩流动:流动过程中密度变化很小或者相对不很重要的流动

可压缩流动:流动过程中密度的变化起主导作用,如高速气体流动。

马赫数M:M=V/C(当地速度/音速)



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