粘性流體(本科選修1).doc

1、粘性流體力學(xué)教案主講：劉正先參考書：粘性流體力學(xué)由南工、華工、重大、天大合編粘性流體力學(xué)基礎(chǔ)陳矛章粘性流體力學(xué)章梓雄、董曾南清華大學(xué)出版社粘性流體力學(xué)懷特魏中磊譯機(jī)械出版社流體力學(xué)吳望一、周光垌流體力學(xué)張也影第一章緒論和基本概念（圖片和教學(xué)電影）第一節(jié)工程流體力學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)和方法理論流體力學(xué)：偏重?cái)?shù)理分析，屬基礎(chǔ)科學(xué)范疇。工程流體力學(xué)：著眼于工程應(yīng)用，屬應(yīng)用科學(xué)范疇。方法： 1. 理論方法：適當(dāng)?shù)募俣?、理論模型、?shù)學(xué)工具求解。2. 實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茰y(cè)實(shí)際。3. 計(jì)算方法：模擬數(shù)值解。第二節(jié)流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)概念一、流體的物理屬性流體（液體和氣體統(tǒng)稱流體）的三個(gè)基本屬性：1 由大量分子

2、組成；2 分子不斷作隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)；3 分子與分子之間存在著分子力的作用。流體的兩個(gè)特點(diǎn)：1 流體不能承受拉力；2 流體在宏觀平衡狀態(tài)下不能承受剪應(yīng)力?？偡Q為流體的易流動(dòng)性。二、流體質(zhì)點(diǎn)的概念(理論模型之一)定義：流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個(gè)物理實(shí)體。1) 宏觀尺寸非常小2）微觀尺寸足夠大3）包含有足夠多分子在內(nèi) 的一個(gè)物理實(shí)體4）形狀可任意劃定三、連續(xù)介質(zhì)的概念(理論模型之二)第三節(jié)流體的密度、比體積和相對(duì)密度表征流體質(zhì)量的幾個(gè)基本概念。limmdmVdVV0v limVdVmdmm0均質(zhì)流體的概念：空間上質(zhì)量分布是均勻的，但流體密度和比體積可以隨溫度和壓強(qiáng)而變化。流體的密度

3、、比體積兩者關(guān)系：1v相對(duì)密度：物體質(zhì)量與同體積4蒸餾水質(zhì)量之比。無量綱數(shù)。第四節(jié)流體的壓縮性和膨脹性一、氣體壓縮性和膨脹性的方程表示理想氣體的狀態(tài)方程：pVmRg Tp, 是絕對(duì)壓強(qiáng)， Pa， 1Pa1N / m 2二、流體壓縮性和膨脹性的系數(shù)表示：1. 流體的體脹系數(shù) （圖 12）V / VV1 dV 1 dVVlimlimt 0Tt 0 T V V dT V dt物理意義：當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，每增加單位溫度所產(chǎn)生的流體體積相對(duì)變化率。2. 流體的壓縮率 （圖 1 4）kTlimV / Vlim1V1 dVpVpV dpp 0p 0物理意義：當(dāng)溫度不變時(shí)，每增加單位壓強(qiáng)所產(chǎn)生的流體體積相對(duì)變化率

4、。1 dmRg TmRg T11氣體的等溫壓縮率： kTV dppV(p 2 )p注：壓強(qiáng)越高，氣體的等溫壓縮率越小，壓縮越困難；反之。壓強(qiáng)較低時(shí)，氣體比較容易壓縮。3. 流體的體積模量K1lim0pV dpkTVV / VdV三、不可壓縮流體的概念：等溫壓縮率和體脹系數(shù)完全為零的流體。特點(diǎn)：密度、比體積和相對(duì)密度均為常數(shù)。第五節(jié)流體的粘性一、粘性概念（圖示） （采用 kankan1.ppt 中 4 6）二、牛頓內(nèi)摩擦定律（圖示 1-9）三、粘度： 1. 定義和單位。2. 變化規(guī)律四、理想流體的概念五、應(yīng)用舉例 （可圖示1-14，15， 16）第二章管中流動(dòng)1.層流和湍流2.能量損失的形成原因

5、和計(jì)算方法四部分：3.沿程阻力和局部阻力4.短管和長(zhǎng)管計(jì)算第一節(jié)雷諾實(shí)驗(yàn)一、 臨界速度與臨界雷諾數(shù)（動(dòng)畫 01、02、03）二、 層流湍流的形成原因（圖見教材（ 52）與粘性力和慣性力的關(guān)系。三、 水力直徑d H4ASA ：過流斷面面積；S：過流斷面上流體與固體接觸的濕周長(zhǎng)。四、 管中層流湍流的水頭損失規(guī)律層流區(qū)：lg hflg ktan450 lg vlg k v11h fk1 v湍流區(qū) :lg h flg k2tanlg vlg k2 v mhfk2vm（m1 ）第二節(jié)圓管中的層流一、 分析層流運(yùn)動(dòng)的兩種方法1. 第一種方法根據(jù)圓管中層流的數(shù)學(xué)特點(diǎn)對(duì)N-S 方程式進(jìn)行簡(jiǎn)化，定常不可壓縮完全

6、擴(kuò)展段的管中層流具有如下五方面的特點(diǎn)：1) 只有軸向運(yùn)動(dòng)2）定常、不可壓縮3）速度分布的軸對(duì)稱性4）等徑管路壓強(qiáng)變化的均勻性5）管道中質(zhì)量力不影響其流動(dòng)性能：dv yp rdr2 l2. 第二種方法：受力分析法( p1 p2 ) r 22 rl0引入牛頓內(nèi)摩擦定律得：dvyp rdr2 l二、速度分析與流量vypR 2r 24lRqvv y dAA0pR2r 2 2 rdrp R 4pd 44 l8 l128 l三、平均速度和最大速度pR2pR2v;vmax2v8 l4l四、切應(yīng)力分布0pRF0 2 RlpR 2 Rl 8 lv2l2l五、動(dòng)能與動(dòng)量修正系數(shù)六、沿程損失1）壓強(qiáng)損失p32lvd

7、22）水頭損失h f32 lgd264l264 l2由得h fRed 2gRe d 2g3）功率損失Ph f gqvpqv Fv七、層流起始段第三節(jié)圓管中的湍流一、時(shí)均流動(dòng)與脈動(dòng)1TuudtT 0u uu1t 0 T1t0 Tudt ut 0 T1uuu dtdtTu uT 0Tt0Tt0t0T1t 0 T0uu dtTt 0二、混合長(zhǎng)度理論兩層之間的切應(yīng)力為：turbu（雷諾切應(yīng)力）2turbL 2 dvdydvL 2dvdydy2lamturb() dv：湍動(dòng)粘度dy三、管中湍流的切應(yīng)力分布和速度分布1）粘性底層、水力光滑管與水力粗糙管粘性底層厚度：32.8dRe2）速度分布在粘性底層：v

8、xy在湍流核心： v x0 1 ln y Ck第四節(jié)管路中的沿程阻力l2f Re,h f，d 2 gd一、尼古拉茲（ Nikuradse）實(shí)驗(yàn)1.層流區(qū)：64Re12.臨界區(qū)：0.0025 Re 383. 光滑管湍流區(qū)： 4000 Re 22.2( d ) 70.3164柏拉修斯（ Blasius ）式：Re0.251普蘭特式：2.0 log Re0.221（ 3000Re10 5）0.8(Re3.4 106）5尼古拉則式：0.0032Re0.237（ Re60(cm)6.55.54.53.53.02.51.81.705101520253035400.240.520.901.542.513.9

9、16.2210.804550556065709018.732.658.8118256751全開時(shí)（即 a d0）d (mm)152050801001502002501.50.50.40.20.10.08各種開度時(shí)d開度 a dMmin1/81/43/81/23/4112.51/24506022112.21.0193/431040125.51.10.28251230329.04.20.900.23403/2170237.23.30.75053.00.680.16100491165.62.60.55032.40.490.12200866135.2

10、2.30.470.103001256125.12.20.470.079. 液壓附件二、水頭損失的疊加原則一條管道上的總水頭損失，為管道上的所有沿程損失與局部損失的算術(shù)加法求和。h flv 2d2gl2L21） ledl eh fd 2gd 2gLlle 稱為管路的總阻力長(zhǎng)度2）l22hmee2g2gde稱為管路的總阻力系數(shù)。第六節(jié)管路計(jì)算通常在工程上遇到的管道計(jì)算問題有以下三種情況：1）已知所需的流量 Q 和管道尺寸 l 、d ，計(jì)算壓降p 或確定所需的供水水頭。2）已知管道的尺寸 l 、d 及水頭 H 或允許的壓降p ，確定實(shí)際可以獲得的流量 Q 。3）已知所需的流量 Q 和實(shí)際具有的作用水

11、頭H ，并給定管長(zhǎng)l ，計(jì)算管徑 d 。一、短管計(jì)算短管計(jì)算中應(yīng)包括沿程損失、局部損失和出流的速度水頭。二、管路特性：l2Hh fd 2gHL 16qv21Lqv2d2 d 42gg2 d 58K8 L8lg2 d 5g2 d 5串聯(lián)管路：Kqv2leK=K 1+ K2+ K3并聯(lián)管路：1111kk1k2k3三、長(zhǎng)管計(jì)算長(zhǎng)管計(jì)算，運(yùn)用阻力綜合參數(shù)可以使計(jì)算過程簡(jiǎn)化。第三章孔口出流第一節(jié)薄壁孔口出流薄壁孔口定義： l/d2p 1p212R孔板流量計(jì)一、孔口出流公式孔口收縮系數(shù)： C cAcAp1v12pcvc2vc2g2gg2g2gvc12 p12 p2 pd41Cv1Cc2DCv為孔口的流速系

12、數(shù)Cq 為孔口流量系數(shù) , CqCvCcCc1二、孔口出流系數(shù)出流系數(shù)指標(biāo)志孔口出流性能的參數(shù)，如流速系數(shù)、流量系數(shù) 、收縮系數(shù)與阻力系數(shù)等。三、大孔口的出流公式4d收縮系數(shù)： Cc0.630.37D出流速度：流量公式：vc12 p2gH4Cv 2gH41Cc2d1Cc2 dDDqV AcvcCc A2gHCq A 2gH41 Cc2 dD流速系數(shù)：流量系數(shù)：1C v41 C c2 dDCcC qC cC v41 C c2 dD第二節(jié)厚壁孔口出流 （圖 66）l厚壁孔口： 24d一、厚壁孔口出流公式孔口內(nèi)收縮p1v12v2v2g2g2 g2gv12 p1gH Cv 2gH4211dDCv為孔口

13、的流速系數(shù)，1C v1Cq 為孔口流量系數(shù) , C qCv二、厚壁孔口出流系數(shù)總阻力系數(shù)123Cv0.82, Cc=1, Cq=0.82.三、孔口與管嘴出流性能的比較第三節(jié)孔口及機(jī)械中的氣穴現(xiàn)象第四章縫隙與邊界層流動(dòng)第一節(jié)平行平面縫隙與同心環(huán)形縫隙（圖 71 至 75）一、速度分布規(guī)律定常、連續(xù)、不可壓縮、忽略質(zhì)量力，N-S 方程簡(jiǎn)化為：1p2 vy0yz 21pz, v yv00邊界條件：0, v y0xz1p0zv ypz z2v0 z2l二、切應(yīng)力與摩擦力pv002lpv0 lFB2三、流量與無泄漏縫隙qvBp2212v0l06v0lp四、功率損失與最佳縫隙p 2 B3Bv 02lPl1

14、210.577 0b03五、壓差流與剪切流 （表 71）第四章邊界層理論（圖片和教學(xué)電影）第一節(jié)邊界層概念(1) 緊貼壁面 非常薄 的一層，該薄層內(nèi) 速度梯度很大 ，這一薄層稱為邊界層。(2)邊界層以外的流動(dòng)區(qū)域，稱為主體區(qū)或外流區(qū) 。該區(qū)域內(nèi)流體速度變化很小，流體流動(dòng)可近似看成是理想流體流動(dòng)。附面層內(nèi)流體的流動(dòng)和管內(nèi)流動(dòng)一樣，也可以有層流和湍流兩種流態(tài)。流體流過光滑平板時(shí)，邊界層由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧靼l(fā)生在Rec=2 105 3 106uuuuuuu層流邊界層過渡區(qū)湍流邊界層x邊界層的發(fā)展邊界層的基本特征有：1）與物體的長(zhǎng)度相比，邊界層的厚度很小；2）邊界層內(nèi)的速度梯度很大；3）邊界層沿流動(dòng)方向逐

15、漸增厚；4）由于邊界層很薄，可近似地認(rèn)為，邊界層中各截面上的壓強(qiáng)等于同一截面上邊界層外邊界上的壓強(qiáng)；5）在邊界層內(nèi)，粘滯力相對(duì)于慣性力不可忽略，兩者處于同一數(shù)量級(jí)；第二節(jié)邊界層厚度1）邊界層名義厚度：在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)定從固體壁面沿外法線到速度達(dá)到勢(shì)流速度 99%處的距離為邊界層的名義厚度，用表示。2）位移厚度（排擠厚度）：整個(gè)邊界層厚度內(nèi)，有粘性流動(dòng)相對(duì)于無粘性流動(dòng)所虧損的質(zhì)量流量與單位厚度內(nèi)無粘性流動(dòng)的質(zhì)量流量之比。*1u dydy0U e03）動(dòng)量厚度：整個(gè)邊界層厚度內(nèi)，有粘性流動(dòng)相對(duì)于無粘性流動(dòng)所虧損的動(dòng)量流量與單位厚度內(nèi)無粘性流動(dòng)的動(dòng)量流量之比u1udy0 U eU e*4）形狀因子： H第三節(jié)邊界層方程uv0xyuuuFbx1puxvxtyvv