刘甦《工程流体力学》第四章 流体运动学基础教学幻灯片.ppt

刘甦《工程流体力学》第四章 流体运动学基础教学幻灯片.ppt:研究流体的运动规律,即速度、加速度等各种运动参数的分布规律和变化规律,不涉及导致运动的力学因素。:可压缩流体、不可压缩流体,理想流体和黏性流体。§、:着眼于流场中每一个运动的流体质点,跟踪观察每一质点的运动轨迹(迹线)以及运动参数(速度、压强、加速度等)随时间的变化,然后综合所有质点的运动,得到整个流场的运动规律。:为了识别运动中的每一个流体质点,在某一初始时刻t0,以不同的一组数(a、b、c)来标记不同的流体质点,这组数(a、(4-6)若用矢量表示,则有:(4-7)式中为速度矢量,为哈密尔顿矢性微分算子,其中的,,为坐标轴上的单位矢量。⑴当地(时变)加速度:上式中的表示在某一固定的空间点上,流体质点速度对时间的变化率,也就是在同一空间点上,由于时间的变化所引起的加速度,一般称为当地加速度或时变加速度。⑵位变(迁移)加速度:上式中的表示由于流体质点经过不同的空间位置时引起的加速度,一般称为位变加速度或迁移加速度。可见由欧拉法描述流体的运动时,加速度是由当地加速度和迁移加速度两部分组成。:应用欧拉法时,常在流场中选取一固定空间区域来观察流体的运动,这个固定空间区域称为控制体,控制体的表面称为控制面。相对于坐标系而言,控制体的位置、形状和体积均固定不变,而流体则可以流进或流出控制体。§、(恒定)流动:流场中流体的运动参数(速度、加速度、压强、密度、温度、动能、动量等)不随时间变化,而仅是位置坐标的函数,则称这种流动为定常或恒定流动。这时对于速度、压强等参数有:u=u(x,y,z)v=v(x,y,z)(4-8)w=w(x,y,z)p=p(x,y,z)(4-9)而(4-10)(非恒定)流动:流场中流体的运动参数不仅是位置坐标的函数,而且随时间变化,则称这种流动为非定常或非恒定流动。:流场中流体的运动参数既不随时间变化,也不随空间位置变化,则称这种流场为均匀流场。如图所示✵容器中液位高度H保持不变时:液体在AB段内的流动为均匀流动,既无时变加速度也无迁移加速度;在BC段内的流动为定常流动,只有迁移加速度而无时变加速度。✵容器中液位高度H随液体的出流而不断降低时:液体在AB、BC段内均为非定常流动,在AB段内只有时变加速度而无迁移加速度,在BC段内既有时变加速度又有迁移加速度。二、一维流动、二维流动、:流场中流体的运动参数仅是一个坐标的函数的流动。真正的一维流动并不存在,但是当采用断面的平均参数时,就可以近似地按一维流动来处理,例如流体在圆管内的流动等。:运动参数是两个坐标的函数的流动。例如流体在无限宽倾斜缝隙内的流动等。(空间流动):运动参数依赖于三个坐标时的流动。三、:流场中流体质点的运动轨迹。它是拉格朗日法描述流体运动的几何基础。⑴流线的定义:流场中的瞬时光滑曲线,且曲线上流体质点的速度方向与该点的切线方向重合。它是欧拉法描述流体运动的几何基础。如图所示,在某一固定时刻t0,取流场中的某一点1,作出其速度向量v1。在v1上靠近1点取点2,经过点2作同一时刻的速度向量v2。在v2上靠近2点取点3,再过3点作出同一时刻的速度向量v3…如此继续下去,便可得到t0时刻的一条折线1234567。当各点都无限靠近时,折线便成为光滑曲线,这条曲线就是时刻t0经过点1的流线。在流场中,在同一时刻可以作出无数条流线。⑵流线的特性在定常流动中,因各点速度不随时间变化,故流线形状不随时间而变,流线质点必须沿某一确定的流线运动,此时流线与迹线重合。在非定常流动中,流线的位置和形状随时间而变,因此流线与迹线不重合。一般来讲,在某一时刻,通过流场中的某一点只能作出一条流线。流线不能转折,也不能相交,否则在转折点和相交点速度不唯一,这是不可能的。只有在速度为零的驻点,或速度为无穷大的奇点才有这种可能。如图所示。