《流體力學(xué)基本概念》PPT課件.ppt
《《流體力學(xué)基本概念》PPT課件.ppt》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《《流體力學(xué)基本概念》PPT課件.ppt(35頁珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
目錄,第五章粘性不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)86,第三章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)39,第四章理想不可壓縮流體無旋流動(dòng)69,第六章相似原理及量綱分析130,第二章流體靜力學(xué)16,第一章流體力學(xué)基本概念1,,工程流體力學(xué),第一章流體力學(xué)基本概念,第二節(jié)流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè),第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)及分類,第四節(jié)作用在流體上的力,流體力學(xué)基本概念,,,,,,,第一節(jié)流體力學(xué)的發(fā)展、應(yīng)用及其研究方法,一、流體力學(xué)發(fā)展簡史,流體力學(xué)是研究流體的平衡及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,流體與固體之間的相互作用規(guī)律,以及研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與其他形式的運(yùn)動(dòng)(如熱運(yùn)動(dòng)、化學(xué)運(yùn)動(dòng)等)之間的相互作用規(guī)律的一門學(xué)科。流體力學(xué)屬于力學(xué)范疇,是力學(xué)的一個(gè)重要分支。其發(fā)展和數(shù)學(xué)、普通力學(xué)的發(fā)展密不可分。流體力學(xué)起源于阿基米德(Archimedes,公元前278~公元前212)對(duì)浮力的研究。1500年前后,達(dá),芬奇(LeonradDaVinci,1452~1519)對(duì)波動(dòng)、濺水、旋渦內(nèi)部的速度分布,繞流物體尾流中旋渦的形成等作了研究1643年,伽利略的學(xué)生托里拆利(TollichelliE),通過對(duì)容器孔口出流現(xiàn)象的觀察與測(cè)量,提出了托里拆利公式,它說明了容器中液體從孔口射出的速度與液體深度的關(guān)系。翌年,他與伽利略的另一個(gè)學(xué)生維維尼亞(ViviniaJ),將一端封閉并充滿水銀的玻璃管倒立于水銀槽中,發(fā)現(xiàn)管中水銀高度與大氣壓強(qiáng)有關(guān),據(jù)此發(fā)明了水銀氣壓計(jì),并利用它第一次測(cè)出了大氣壓強(qiáng)。,,,一、流體力學(xué)發(fā)展簡史,1647年帕斯卡(PascalB)提出了流體靜力學(xué)基本關(guān)系式,并由此進(jìn)一步導(dǎo)出聯(lián)通器原理和帕斯卡定律。至此,流體靜力學(xué)理論已完整地建立起來。1738年,伯努利(Bernoulli)通過對(duì)變截面管流實(shí)驗(yàn),得出流體流動(dòng)的能量守恒方程,即伯努利方程。1755年歐拉(Euler)在忽略流體黏性的情況下,導(dǎo)出了理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程。1827年納維埃(Navier)開始了在歐拉方程中加上黏性項(xiàng)的研究工作,經(jīng)過柯西(Cauchy)、波阿松(Poisson)、維納特(Venant)等人的繼續(xù)研究,最后由斯托克斯(Stokes1845年)完成,歷時(shí)18年。該方程稱為納維埃-斯托克斯方程(N-S方程)。N-S方程的建立,標(biāo)志著流體力學(xué)理論體系的完成。1904年普朗特(Prandtl)提出了邊界層理論,把不可壓縮流體的N-S方程簡化為附面層方程,從而把黏性流體動(dòng)力學(xué)的研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用,在數(shù)學(xué)和工程應(yīng)用之間搭起了一座橋梁。1908年普朗特的學(xué)生勃拉修斯(Blasius)把附面層偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程,得出均勻流動(dòng)下平板附面層的相似性解。1938年卡門(Karman)和錢學(xué)森用動(dòng)量積分方程求解了可壓縮流體平板附面層問題。,,,一、流體力學(xué)發(fā)展簡史,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用,流體力學(xué)的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍將不斷加深和擴(kuò)大。從總的發(fā)展趨勢(shì)來看,隨著工業(yè)應(yīng)用日益擴(kuò)大,生產(chǎn)技術(shù)飛速發(fā)展,不僅可以推動(dòng)人們對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象深入了解,為科學(xué)研究提供豐富的課題內(nèi)容,而且也為驗(yàn)證已有的理論、假設(shè)和關(guān)系提供機(jī)會(huì)。理論和實(shí)踐密切結(jié)合,科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用相互促進(jìn),必將推動(dòng)本學(xué)科逐步成熟并趨于完善。,,,二、流體力學(xué)在石油化工工業(yè)中的應(yīng)用,流體力學(xué)是一門重要的工程學(xué)科,它的應(yīng)用幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門,尤其在石油工程和石油化工工業(yè)中,流體力學(xué)是其重要的理論核心之一。在石油工業(yè)中,用到流體力學(xué)原理分析流體在管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,壓力、阻力、流速和輸量的關(guān)系,據(jù)此設(shè)計(jì)管徑,校核管材強(qiáng)度,布置管線及選擇泵的類型和大小,設(shè)計(jì)泵的安裝位置等;在校核油罐和其他儲(chǔ)液容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,估算容器、油槽車、油罐的裝卸時(shí)間,解釋氣蝕、水擊等現(xiàn)象。在化學(xué)工業(yè)中,隨著化工技術(shù)的發(fā)展,愈益要求闡明化工過程的機(jī)理,分析影響設(shè)備性能的因素,因而需要了解化工設(shè)備中介質(zhì)流動(dòng)的詳細(xì)情況。于是,不僅物理化學(xué),而且流體力學(xué)亦成了化學(xué)工程的重要理論支柱。,,,三、流體力學(xué)的研究方法,流體力學(xué)的研究方法主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的方法。1、理論分析方法一般是以實(shí)際流動(dòng)問題為對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型,將流動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題,然后通過數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果,達(dá)到揭示流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的。應(yīng)用理論研究方法解決一個(gè)較完整的涉及流體流動(dòng)的實(shí)際問題,一般需要經(jīng)歷以下幾個(gè)環(huán)節(jié):(1)分析問題。(2)建立控制方程。(3)對(duì)方程求解。,,,三、流體力學(xué)的研究方法,2、實(shí)驗(yàn)研究方法在流體力學(xué)發(fā)展過程中,實(shí)驗(yàn)方法是最先使用的一種,起到了關(guān)鍵性的作用。一方面,它用精細(xì)的觀察和測(cè)量手段揭示流動(dòng)過程中在流場(chǎng)各處的流動(dòng)特征;另一方面,通過流動(dòng)參量的直接測(cè)量提供了各種特定流動(dòng)的物理模型。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究方法解決實(shí)際問題的主要步驟是:(1)所給定的問題,分析其影響因素,選擇適當(dāng)?shù)奈锢韰?shù),用因次分析方法將這些參數(shù)無量綱化,并確定其取值范圍。(2)設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,?zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器(3)制定試驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(4)整理和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問題,能發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的新現(xiàn)象。它的結(jié)果往往可作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù)。這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)不同情況,需作不同的實(shí)驗(yàn),也即所得結(jié)果的普適性較差。,,,三、流體力學(xué)的研究方法,3、數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法是按照理論分析方法建立數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上選擇合理的計(jì)算方法,如有限差分法、特征線法、有限元法、邊界元法、譜方法等,將方程組離散化,變成代數(shù)方程組,編制程序,然后用計(jì)算機(jī)計(jì)算,得到流動(dòng)問題的近似解。數(shù)值計(jì)算方法是理論分析法的延伸和拓展。,,,第一章流體力學(xué)基本概念,第一節(jié)流體力學(xué)的發(fā)展、應(yīng)用及其研究方法,第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)及分類,第四節(jié)作用在流體上的力,流體力學(xué)基本概念,,,,,,,,,第二節(jié)流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè),一、流體的定義和特征,物質(zhì)通常有三種存在狀態(tài),即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài),處于這三種狀態(tài)的物質(zhì)分別稱為固體、液體和氣體。流體是氣體和液體的總稱。流體同固體相比較,分子間引力較小,分子運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈,分子排列松散,這就決定了液體和氣體具有相同特性,即不能保持一定的形狀,而且有很大流動(dòng)性。因流體不能保持一定的形狀,所以它只能抵抗壓力而不能抵抗拉力和切力。在物理性質(zhì)上,流體具有受到任何微小剪切力都能產(chǎn)生連續(xù)的變形的特性,即流體的流動(dòng)性。,,,,1、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體由無數(shù)分子組成,分子間有間隙,故流體實(shí)際上是不連續(xù)的,但因流體力學(xué)研究的是宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng),而不是研究微觀分子,作為研究的質(zhì)點(diǎn),也是由無數(shù)的分子所組成,并具有一定的體積和質(zhì)量,因此可以將流體認(rèn)為是充滿其所占據(jù)空間無空隙所組成的連續(xù)體。2、無黏性假設(shè)一切流體都有黏性,提出無黏性流體,是對(duì)流體物理性質(zhì)的簡稱。這種不考慮黏性作用的流體,稱為無黏性流體(或理想流體)。,,,二、流體的連續(xù)介質(zhì)模型,3、不可壓縮假設(shè)這是不計(jì)壓縮性和熱脹性而對(duì)流體物理性質(zhì)的簡化。液體通常用不可壓縮流體模型。氣體在大多數(shù)情況下也可以采用不可壓縮模型,僅在速度接近或超過聲速這些特殊情況下才考慮氣體的可壓縮模型。,,,,二、流體的連續(xù)介質(zhì)模型,第一章流體力學(xué)基本概念,第一節(jié)流體力學(xué)的發(fā)展、應(yīng)用及其研究方法,第二節(jié)流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè),第四節(jié)作用在流體上的力,流體力學(xué)基本概念,,,,,,,第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)及分類,一、流體的密度、重度和比重,1.流體的密度密度:單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度.用ρ來表示.國際單位為kg/m3.1)對(duì)于均質(zhì)流體設(shè)其體積為V,質(zhì)量為M,則密度為:,,,,2)對(duì)于非均勻流體,密度為:,,3)在氣體中,常用比容這一物理量,流體的比容是指單位質(zhì)量流體的體積,所以它是密度的倒數(shù),用v表示:,,,,2.流體的重度單位體積流體所具有的重量稱為流體的重度,用γ表示國際單位為N/m3。1)對(duì)于均質(zhì)流體,設(shè)其體積為V,重量為G,則重度為:,,2)對(duì)于非均質(zhì)流體,某一點(diǎn)處重度為:,,質(zhì)量和重量的關(guān)系為,,式中g(shù)為重力加速度。,,,一、流體的密度、重度和比重,液體的比重是指液體的重量與同體積的溫度為在4℃的蒸餾水重量之比。比重是一個(gè)比值,是個(gè)無因次數(shù)。一般用δ表示氣體的比重是指在同樣壓強(qiáng)和溫度條件下,氣體重度與空氣的重度之比。,,,,一、流體的密度、重度和比重,1.流體的壓縮性壓縮性:流體的宏觀體積隨著作用壓強(qiáng)的增大而減小的性質(zhì).其表達(dá)式為體積彈性模量:在工程上流體的壓縮性也常用?p的倒數(shù)即體積彈性模量來描述,,,,,式中:?p——體積壓縮系數(shù),m2/N;V——流體的初始體積,m3;dV——流體體積的改變量,m3;dp——流體壓力的改變量,N/m2。,,,二、流體的壓縮性及不可壓縮流體,2.可壓縮流動(dòng)與不可壓縮流動(dòng)流體的壓縮性及相應(yīng)的體積彈性模量是隨流體的種類、溫度和壓力而變化的。當(dāng)壓縮性對(duì)所研究的流動(dòng)影響不大,可以忽略不計(jì)時(shí),這種流動(dòng)成為不可壓縮流動(dòng),反之稱為可壓縮流動(dòng)。通常,液體的壓縮性不大,所以工程上一般不考慮液體的壓縮性,把液體當(dāng)作不可壓縮流體來處理。當(dāng)然,研究一個(gè)具體流動(dòng)問題時(shí),是否考慮壓縮性的影響不僅取決于流體是氣體還是液體,而更主要是由具體條件來決定。,,,二、流體的壓縮性及不可壓縮流體,3.流體的膨脹性壓力一定條件下,隨著流體溫度升高,其體積增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。膨脹性的大小用體積膨脹系數(shù)βt來表示,它表示在壓力不變條件下,單位溫升引起的流體體積相對(duì)變化量。其表達(dá)式為式中βt——體積膨脹系數(shù),1/C或1/K;dt——溫度改變量,C。由上式可以看出,βt值大的流體,在相同溫升情況下,其體積增量大,膨脹性大;βt值小的流體,膨脹性小。,,,,二、流體的壓縮性及不可壓縮流體,4.氣體狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程為:式中v——比容,m3/kg;T——絕對(duì)溫度,K;R——?dú)怏w常數(shù),Nm/(kgK),對(duì)于空氣,R=287.06Nm/(kgK)。氣體在高速流動(dòng)時(shí),它的體積變化不能忽略不計(jì),必須作為可壓縮流體來處理。,,,,二、流體的壓縮性及不可壓縮流體,1.流體的黏性粘性:流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì)。如圖1-1所示,取兩塊寬度和長度都足夠大的平板,其間充滿某種液體。下板固定不動(dòng),當(dāng)以力F拉動(dòng)上板以u(píng)0的速度平行于下板運(yùn)動(dòng)時(shí),粘附在上板下面的流體層以u(píng)0的速度運(yùn)動(dòng),速度大的就帶動(dòng)速度小的流層運(yùn)動(dòng),愈往下速度越小,直到附在固定板上流體層的速度為零。兩板間流體沿y方向的速度呈線性分布。,,,三、流體的黏性和理想流體,上面的現(xiàn)象說明,當(dāng)流體中發(fā)生了層與層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),速度快的流層對(duì)速度慢的流層產(chǎn)生了一個(gè)拉力使它加速,而速度慢的流層對(duì)速度快的流層就有一個(gè)阻止它向前運(yùn)動(dòng)的阻力,拉力和阻力是大小相等方向相反的一對(duì)力,分別作用在兩個(gè)流體層的接觸面上,這就是流體黏性的表現(xiàn),這種力稱為內(nèi)摩擦力或黏性力。由于黏性的存在,流體在運(yùn)動(dòng)中因克服摩擦阻力必然要作功,所以黏性也是流體發(fā)生機(jī)械能量損失的主要原因。黏性是流體的固有屬性,在流體處于靜止或各部分之間的相對(duì)速度為零時(shí)不表現(xiàn)出來。,,,三、流體的黏性和理想流體,2.牛頓內(nèi)摩擦定律對(duì)于給定的流體,作用于速度為u和u+du的相鄰兩流層上的內(nèi)摩擦力T的大小與流體的性質(zhì)有關(guān),并與兩流層的接觸面積A和速度梯度du/dy成正比,而與接觸面上壓力無關(guān),即式中μ是反映流體黏性大小的物理量,它與流體的種類、溫度有關(guān),稱為動(dòng)力黏性系數(shù)或黏度。設(shè)τ代表單位面積上的內(nèi)摩擦力,即黏性切應(yīng)力,則式中du/dy是流體的速度梯度,,,,,三、流體的黏性和理想流體,3.速度梯度如圖1-2所示,在運(yùn)動(dòng)流體中取一微小矩形ABCD,AB層速度為u,CD層速度為u+du,兩層間垂直距離為dy,經(jīng)過dt時(shí)間后,A、B、C、D點(diǎn)分別運(yùn)動(dòng)至A’,B’,C’,D’點(diǎn),則有由于因此得速度梯度可以看出dθ為矩形ABCD在dt時(shí)間后剪切變形角度,這就表明速度梯度實(shí)質(zhì)上就是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切變形角速度,,,,,,三、流體的黏性和理想流體,4.黏性的表示方法μ表征流體黏性的大小在國際單位制中τ的單位是N/m2,du/dy的單位是1/s,故μ的單位為Ns/m2,稱為“帕斯卡秒”,簡稱“帕秒”,并以“Pas”表示。厘米克秒(cgs)單位制中,μ的單位為達(dá)因秒/厘米2,稱為“泊”,用“P”表示,“P”與“Pas”的關(guān)系為:1P=0.1Pas動(dòng)力粘度μ:單位為Ns/m2或Pas運(yùn)動(dòng)粘度ν:單位為m2/s.其計(jì)算式:,,,,,三、流體的黏性和理想流體,5.溫度對(duì)黏度的影響流體的種類:主要影響因素.一般在相同條件下,液體的粘度大于氣體的粘度.壓強(qiáng):對(duì)常見流體,如水、氣體等,影響不大,一般可忽略不計(jì).溫度:主要影響因素.當(dāng)溫度升高時(shí),液體的粘度減小,氣體的粘度增大.牛頓流體:符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。如自然界中大部分的流體,如空氣、水和許多潤滑油以及低碳?xì)浠衔锞鶎倥nD流體。非牛頓流體:不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。如泥漿、有機(jī)膠體,以及油漆、紙漿液、高分子溶液等,,,,三、流體的黏性和理想流體,5.實(shí)際流體與理想流體實(shí)際流體:具有粘性的流體(μ≠0).粘性是流體的固有屬性。理想流體:忽略粘性的流體(μ=0),為研究方便引入的假想流體。,,,三、流體的黏性和理想流體,液體表面有收縮的趨勢(shì)表明,液體表面各部分間存在著相互作用的拉力,從而使液面處于張緊狀態(tài),這種使液體表面收縮的力叫做液體的表面張力。現(xiàn)以水為例,推導(dǎo)毛細(xì)管中液面上升高度和表面張力系數(shù)的關(guān)系。如圖1-5所示,表面張力拉液面向上,直到表面張力在垂直方向的分力與所升高液柱的重量相等時(shí),液柱受力平衡靜止。假設(shè)D為管徑,θ為液體與玻璃的接觸角,γ為液體重度,h為液柱上升高度,則管壁周邊的表面張力其垂直分力方向向上,大小為上升液柱重量為表面張力的垂直分力將與上升液柱的重量G相平衡,即有因此可解得上升的液柱高,,,,,,,,四、表面張力,從上式可以看出,液柱上升高度與管子直徑成反比,并與液體種類及管子材料有關(guān)。在20C時(shí),水與玻璃的接觸角θ=8~9,水銀與玻璃的接觸角θ=139,考慮到水與水銀的σ及γ值后,即可得出20C時(shí)水在玻璃毛細(xì)管中上升的高度為h=29.8/Dmm,水銀在玻璃毛細(xì)管中下降的高度為h=10.15/Dmm,式中D的單位為毫米。,,,,四、表面張力,第一章流體力學(xué)基本概念,第一節(jié)流體力學(xué)的發(fā)展、應(yīng)用及其研究方法,第二節(jié)流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè),第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)及分類,流體力學(xué)基本概念,,,,,,,第四節(jié)作用在流體上的力,一、表面力表面力是作用在考慮的流體(或稱分離體)表面上的力。流體界面A上受到的力稱為表面力。如圖1-6所示,設(shè)為作用在法線為的微元面積上的表面力,則有根據(jù)牛頓第三定律有設(shè)作用在微小面積上的壓力為的極限值用表示:,,,,,,,,,,,,,一、表面力,表示各點(diǎn)處的壓應(yīng)力,故整個(gè)流體表面上的壓力為:同時(shí)在微小面積上的切力為,的極限值用表示表示各點(diǎn)處的切應(yīng)力,故整個(gè)流體表面上的切力為;,,,,,,一、表面力,質(zhì)量力是作用在流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)(或微團(tuán))上的力。如圖1-6所示,取一微元流體體積,其所受的質(zhì)量力為,用代表單位質(zhì)量所受的質(zhì)量力,則有設(shè)在直角坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸上的分力為,單位質(zhì)量力在各個(gè)坐標(biāo)軸上的分力為fx、fy、fz,則有則作用于質(zhì)量為M、體積為V的整個(gè)流體團(tuán)的總質(zhì)量力為,,,,,,,,,,,,,,,,二、質(zhì)量力,本章結(jié)束,,,,第一章流體力學(xué)基本概念,- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
- 2.下載的文檔,不會(huì)出現(xiàn)我們的網(wǎng)址水印。
- 3、該文檔所得收入(下載+內(nèi)容+預(yù)覽)歸上傳者、原創(chuàng)作者;如果您是本文檔原作者,請(qǐng)點(diǎn)此認(rèn)領(lǐng)!既往收益都?xì)w您。
下載文檔到電腦,查找使用更方便
9.9 積分
下載 |
- 配套講稿:
如PPT文件的首頁顯示word圖標(biāo),表示該P(yáng)PT已包含配套word講稿。雙擊word圖標(biāo)可打開word文檔。
- 特殊限制:
部分文檔作品中含有的國旗、國徽等圖片,僅作為作品整體效果示例展示,禁止商用。設(shè)計(jì)者僅對(duì)作品中獨(dú)創(chuàng)性部分享有著作權(quán)。
- 關(guān) 鍵 詞:
- 流體力學(xué)基本概念 流體力學(xué) 基本概念 PPT 課件
鏈接地址:http://kudomayuko.com/p-11509906.html