【文章內(nèi)容簡介】 流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流體流動的基本概念 ? 流場 由流體流動所占據(jù)的全部空間稱為流場。 ? 流場研究的兩種方法 ? 拉格朗日 （ Larange） 法 － 跟隨質(zhì)點法 ? 歐拉 （ Euler） 法 － 空間點研究法 拉格朗日法的 研究對象為 流體質(zhì)點 。著眼于研究各質(zhì)點的運(yùn)動歷程，通過綜合所有被研究流體質(zhì)點的運(yùn)動情況來獲得整個流體運(yùn)動的規(guī)律。 第一章流體流動 歐拉 （ Euler） 法的 研究對象為 流場 。著眼于 整個 流場 的狀態(tài)，對某一時刻各空間點上流體質(zhì)點的密度、速度、壓強(qiáng)等流動參量進(jìn)行研究。通過所有被研究空間點上的運(yùn)動變化規(guī)律，來獲得整個流場的運(yùn)動特性。 第一章流體流動 流體穩(wěn)定流動時質(zhì)點的 加速度 ),( ),( ),(????????zyxuuzyxuuzyxuuzzyyxx穩(wěn)定流場的速度 第一章流體流動 加速度是速度對時間的變化率。 故： ????????????DtDuaDtDuaDtDuazzyyxx流體穩(wěn)定流動時質(zhì)點的 加速度 第一章流體流動 故： ????????????????????????????????????dtdzzudtdyyudtdxxuadtdzzudtdyyudtdxxuadtdzzudtdyyudtdxxuazzzzyyyyxxxx ????????????DtDuaDtDuaDtDuazzyyxx ? 由于歐拉法研究的是經(jīng)過空間觀察點的運(yùn)動著的質(zhì)點，所以除了速度是空間和時間的函數(shù)外，空間也是時間的函數(shù)。也就是說，速度是時間的復(fù)合函數(shù)。故加速度需按復(fù)合函數(shù)由二階導(dǎo)數(shù)求取。 又因為 : zyx udtdzudtdyudtdx ???第一章流體流動 流體穩(wěn)定流動時質(zhì)點的 加速度 所以 : ????????????????????????????????????zzyzxzzzyyyxyyzxyxxxxuzuuyuuxuauzuuyuuxuauzuuyuuxua得矢量表示式 : zuyuxu zyx ????????? uuua ????(138a) (138b) (138c) (138) 流動參量是幾個坐標(biāo)變量的函數(shù)，即為幾維流動。 實際流體力學(xué)問題均為三維流動。工程中一般根據(jù)具體情況加以簡化。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流體流動的基本概念 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動型態(tài)與雷諾數(shù) 粘性流體的流型對流體流動的能量損失有很大關(guān)系。 粘性流體的流動存在著兩種不同的流型，層流和湍流。英國物理學(xué)家雷諾（ Reynolds）通過大量實驗（即著名的雷諾實驗），觀察了各種不同直徑玻璃管中的水流，在 1883年總結(jié)說明了這兩種流動狀態(tài)。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動型態(tài)與雷諾數(shù) ?雷諾實驗 水箱 A注滿水，利用溢水管 H保持水箱中的水位恒定。 微微打開調(diào)節(jié)閥 C，水流以很小速度沿玻璃管流出。 再打開顏色水瓶 D上的小閥 K，使顏色水沿細(xì)管 E流入玻璃管 B中。觀察管中顏色水的流動形狀 。 ? 低速流動中，有色水沿管軸方向作直線運(yùn)動，此流動狀態(tài)稱為 層流。 ? 適當(dāng)調(diào)大閥 C的開度 ,可看到有色水流動形態(tài)由直線逐漸起波浪－ 過渡流 ；隨著閥 C開度的進(jìn)一步加大 ,有色波浪線斷開，有色水分散在水中－ 湍流 。 第一章流體流動 ?雷諾實驗 ? 實驗現(xiàn)象 過渡狀態(tài) 湍流（紊流） 層流 ?層流： 流場呈一簇互相平行的流線。 ?湍流（紊流）： 流體質(zhì)點作復(fù)雜的無規(guī)則的運(yùn)動。有色流束與周圍流體相混，顏色擴(kuò)散至整個管道。 ?過渡狀態(tài)： 流體質(zhì)點的運(yùn)動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有色流束開始振蕩起波浪。 第一章流體流動 引起流動型態(tài)變化的因素不僅僅是流速，還有流體的物性與流道的特征尺寸，雷諾歸納出判斷流動型態(tài)的定量準(zhǔn)則如下： ??? duud ??Re第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動型態(tài)與雷諾數(shù) (142) ?臨界雷諾數(shù) 層 流： 不穩(wěn)定流： 紊 流： 2320Re ?cr下臨界雷諾數(shù) 1 3 8 0 0eR ??cr上臨界 雷諾數(shù) crReRe ?crcr eRReRe ???creRRe ??2022Re ?cr工程上常用的圓管臨界雷諾數(shù) 2 0 0 0Re ? 2 0 0 0Re ?層 流： 紊 流： 第一章流體流動 ? 雷諾數(shù)是慣性力與粘滯力之比 duuVududuR e??????????? 2/?雷諾數(shù)是一個無量綱的數(shù)群 由若干個有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無量綱條件組成的數(shù)群，稱為無量綱數(shù)群（或準(zhǔn)數(shù)、無因次數(shù)群）。不論采用何單位制，其數(shù)值相等。 第一章流體流動 3. 湍流的特征與脈動現(xiàn)象 湍流中的流體質(zhì)點，因不斷互相摻混，引起質(zhì)點間的碰撞和摩擦，產(chǎn)生了無數(shù)旋渦，造成速度等流動參數(shù)隨時間和空間作隨機(jī)脈動。是一種不規(guī)則的流動狀態(tài)。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動型態(tài)與雷諾數(shù) ??0001 txx dtutu 對某個時間間隔內(nèi)的瞬時速度取平均值，該平均值具有統(tǒng)計規(guī)律，稱為時均速度，定義為： 湍流時，用高精度的測速儀來測量流場中某一空間點的流體質(zhì)點流速，可發(fā)現(xiàn)速度是隨時間作隨機(jī)脈動的，如圖所示。 uT?(143) 第一章流體流動 3. 湍流的特征與脈動現(xiàn)象 脈動速度 xxx uuu ??? 稱為脈動速度，為 瞬時局部速度 與時均速度 之差 。 對定常流動 ，時均速度不隨時間變化，而瞬時局部速度 是隨時間變化的。脈動速度有正有負(fù)，但是在一段時間內(nèi)，其平均值為零。 xuxuxu?第一章流體流動 3. 湍流的特征與脈動現(xiàn)象 湍流剪應(yīng)力由摩擦剪應(yīng)力和質(zhì)點脈動引起的渦流剪應(yīng)力兩部分組成。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動型態(tài)與雷諾數(shù) 4. 湍流剪應(yīng)力 流體的脈動速度會引起動量交換，從而產(chǎn)生能量損失，其效果等同于剪應(yīng)力的作用，稱為渦流剪應(yīng)力（也稱雷諾應(yīng)力 )。 yueet dd)( ???? ????(146) 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動型態(tài)與雷諾數(shù) 4. 湍流剪應(yīng)力 在接近管壁的地方粘性摩擦剪應(yīng)力起主要作用；在管道中心處，流體質(zhì)點之間混雜強(qiáng)烈，渦流剪應(yīng)力起主要作用。 yueet dd)( ???? ????第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 1. 理想流動與邊界層流動 何為邊界層？ 當(dāng)粘性流體流經(jīng)固體壁面時，在固體壁面與流體主流之間必定有一個流速變化的區(qū)域，稱為邊界層。 在高速流中這個區(qū)域是個薄層。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 1. 理想流動與邊界層流動 一般以流速達(dá)到主流速度的 處作為邊界層外緣。 邊界層的特征之一是其厚度沿流體流動方向是增加的。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 2. 邊界層內(nèi)的層流與湍流 ?若邊界層內(nèi)部都是層流，稱為層流邊界層。 ?僅在邊界層的起始部分是層流，而在其他部分為湍流的，稱為混合邊界層。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 2. 邊界層內(nèi)的層流與湍流 對平板邊界層，層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)為 65 10~102 ??xRe?? xux0Re ? 特征尺寸取離前緣點的距離，特征速度取邊界層外邊界上的速度。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 2. 邊界層內(nèi)的層流與湍流 在湍流邊界層內(nèi)緊靠壁面處也有一層極薄的層流底層。 湍流邊界層沿平板壁面法向的速度增長要比表示的層流邊界層的速度增長塊得多。 沿平板流動湍流邊界層的厚度比層流邊界層的厚度增長得塊。 層流邊界層和湍流邊界層特性比較 當(dāng)粘性流體流入圓管后 , 隨著流動的深入 ,邊界層不斷增厚 ,直至邊界層在管軸處相交 ,邊界層相交以前的管段 ,稱為管道入口段。 層流邊界層 紊流邊界層 完全發(fā)展的流動 Le Le 圓管道入口段中的邊界層 入口段內(nèi)和入口段后速度分布特征 層流邊界層 紊流邊界層 完全發(fā)展的流動 L* L* 入口段內(nèi) : 入口段后 : 各截面速度分布不斷變化 各截面速度分布均相同 圓管道入口段中的邊界層 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 3. 邊界層的分離 物面上的邊界層在某個位置開始脫離物面，并在物面附近出現(xiàn)與主流方向相反的回流，流體力學(xué)中稱這種現(xiàn)象為 邊界層分離現(xiàn)象 。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 流動區(qū)域的劃分 邊界層 3. 邊界層的分離 以不可壓縮流體繞流圓柱體為例，從邊界層內(nèi)流動的物理過程說明曲面邊界層的分離現(xiàn)象。 ?隨著流體沿圓柱體表面繞流，邊界層厚度逐漸增大。 ?流體在圓柱體前半部，速度逐漸增加，壓強(qiáng)逐漸減小，是加速流。 ?流體在圓柱體后半部，速度逐漸減小，壓強(qiáng)逐漸增加，是減速流。 即：在圓柱體邊界層內(nèi)，前半部的流動是降壓加速，而后半部的流動是升壓減速。 在邊界層內(nèi)的流體質(zhì)點，除了受到摩擦阻力的作用外，還受到流動方向上壓強(qiáng)差的作用。 在圓柱體前半部： 降壓加速 流體的部分壓強(qiáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，從而抵消一部分因摩擦阻滯作用而消耗的動能，以維持流體在邊界層內(nèi)繼續(xù)向前流動。 在圓柱體后半部： 升壓減速 一方面，摩擦阻力使動能不斷消耗，另一方面后半部處于升壓減速區(qū)，更促使邊界層內(nèi)流體質(zhì)點的減速，從而使動能消耗更大。 當(dāng)達(dá)到 S點時，近壁處流體質(zhì)點的動能已被耗盡，部分流體質(zhì)點在 S點停滯下來，過 S點以后，壓強(qiáng)繼續(xù)增加，在壓強(qiáng)差的作用下，近壁處的流體質(zhì)點開始倒退。 接踵而來的流體質(zhì)點在近壁處都同樣被迫停滯和倒退，以致越來越多被阻滯的流體在短時間內(nèi)在圓柱體表面和主流之間堆積起來。 邊界層劇烈增厚，邊界層內(nèi)流體質(zhì)點的倒流迅速擴(kuò)展，而邊界層外的主流繼續(xù)向前流動，兩者流動方向相反，從而形成旋渦。 流體到達(dá) S點，從表面分離出來，即出現(xiàn)曲面邊界層分離現(xiàn)象， S點稱為分離點。 邊界層分離的原因和后果 造成邊界層分離的原因，在于逆壓強(qiáng)梯度 作用和物面粘性滯止效應(yīng)的共同影響，使物面附近的流體不斷減速，最終由于慣性力不能克服上述阻力的停滯，邊界層開始脫離物面。 0?dxdp邊界層分離后， 形成的旋渦不斷被主流帶走，圓柱體后面產(chǎn)生的尾渦區(qū)內(nèi)的旋渦不斷地消耗機(jī)械能， 造成很大的阻力損失。 在圓柱體前后產(chǎn)生了壓強(qiáng)差，形成了壓差阻力。壓差阻力的大小與物體的形狀有很大關(guān)系，所以又稱為形體阻力。 第一章流體流動 流體 動力學(xué)基礎(chǔ) 管內(nèi)流體的速度分布 1. 管內(nèi)層流的速度分析 ? 層流時的速度分布 管內(nèi)任取一流體柱分析其受力 推動力：凈壓力 2221 )( rprpp ?? ????阻力：內(nèi)摩擦力 rlA ??? 2?rlpdrdu