流體力學(xué)-基本概念

1、優(yōu)質(zhì)文本*流函數(shù)：由連續(xù)性方程導(dǎo)出的、其值沿流線保持不變的標(biāo)量函數(shù)。*粘性：在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗剪切變形，這種性質(zhì)叫做粘性 。粘性的大小用黏度表示，是用來表征液體性質(zhì)相關(guān)的阻力因子。粘度又分為動(dòng)力黏度.運(yùn)動(dòng)黏度和條件粘度。*內(nèi)摩擦力：流體內(nèi)部不同流速層之間的黏性力。*牛頓流體：剪切變形率與切應(yīng)力成線性關(guān)系的流體(水，空氣)。*非牛頓流體：黏度系數(shù)在剪切速率變化時(shí)不能保持為常數(shù)的流體(油漆，高分子溶液)。*表面張力：1.表面張力作用于液體的自由表面上。2.氣體不存在表面張力。3.表面張力是液體分子間吸引力的宏觀表現(xiàn)。4.表面張力沿表面切向并與界線垂直

2、。5.液體表面上單位長度所受的張力。6.用 表示，單位為N/m。*流線：表示某瞬時(shí)流動(dòng)方向的曲線，曲線上各質(zhì)點(diǎn)的流速矢量皆與該曲線相切。性質(zhì)：a、同一時(shí)刻的不同流線，不能相交。b、流線不能是折線，而是一條光滑的曲線。c、流線簇的疏密反映了速度的大小。*過流斷面：與元流或總流的流向相垂直的橫斷面稱為過流斷面。(元流：在微小流管內(nèi)所有流體質(zhì)點(diǎn)所形成的流動(dòng)稱為元流。總流：若流管的壁面是流動(dòng)區(qū)域的周界，將流管內(nèi)所有流體質(zhì)點(diǎn)所形成的流動(dòng)稱為總流。)*流量：單位時(shí)間內(nèi)通過某一過流斷面的流體體積稱為該過流斷面的體積流量，簡稱流量。*控制體：被流體所流過的，相對(duì)于某個(gè)坐標(biāo)系來說，固定不變的任何體積稱之為控制體

3、?？刂企w的邊界面，稱之為控制面?？刂泼婵偸欠忾]表面。占據(jù)控制體的諸流體質(zhì)點(diǎn)隨著時(shí)間而改變。*邊界層：水和空氣等黏度很小的流體，在大雷諾數(shù)下繞物體流動(dòng)時(shí)，黏性對(duì)流動(dòng)的影響僅限于緊貼物體壁面的薄層中，而在這一薄層外黏性影響很小，完全可以忽略不計(jì)，這一薄層稱為邊界層。*邊界層厚度：邊界層內(nèi)、外區(qū)域并沒有明顯的分界面，一般將壁面流速為零與流速達(dá)到來流速度的99處之間的距離定義為邊界層厚度。*邊界層的基本特征：(1) 與物體的特征長度相比，邊界層的厚度很小。(2) 邊界層內(nèi)沿厚度方向，存在很大的速度梯度。(3) 邊界層厚度沿流體流動(dòng)方向是增加的，由于邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)受到黏性力的作用，流動(dòng)速度降低，所以要

4、達(dá)到外部勢流速度，邊界層厚度必然逐漸增加。(4) 由于邊界層很薄，可以近似認(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)值。 (5) 在邊界層內(nèi)，黏性力與慣性力同一數(shù)量級(jí)。 (6) 邊界層內(nèi)的流態(tài)，也有層流和紊流兩種流態(tài)。*滯止參數(shù)：設(shè)想某斷面的流速以等熵過程減小到零，此斷面的參數(shù)稱為滯止參數(shù)。*滯止參數(shù)性質(zhì)：（1）在等熵流動(dòng)中，滯止參數(shù)值不變；（2）在等熵流動(dòng)中，速度增大，參數(shù)值降低；（3）氣流中最大音速是滯止音速；（4）在有摩擦的絕熱過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量不變。*層流：是指流體質(zhì)點(diǎn)不互相混雜，流體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的有序的直線運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：1.有序性。2.水頭損失與流速的

5、一次方成正比 。3.在流速較小且雷諾數(shù)Re較小時(shí)發(fā)生。4.層流遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，粘性抑制或約束質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)。*湍流：黏性流體質(zhì)點(diǎn)互相摻混，局部壓強(qiáng)、速度等隨時(shí)間和空間有隨機(jī)脈動(dòng)的流動(dòng)。*雷諾數(shù)：臨界流速v與過流斷面的特性幾何尺寸(管徑)d、流體的動(dòng)力粘度和密度有關(guān)，這四個(gè)量可以組成一個(gè)特征數(shù)(量綱一的量或無量綱數(shù))稱雷諾數(shù) Re 。*雷諾應(yīng)力：紊流時(shí)均流動(dòng)中由于流速脈動(dòng)引起質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量交換而產(chǎn)生的附加應(yīng)力。*馬赫數(shù)：流場中某點(diǎn)的速度與該點(diǎn)處的聲速之比。流體與氣體：兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。區(qū)別：氣體易于壓縮；而液體難于壓縮。液體有一定

6、的體積，存在自由液面；氣體能充滿任意形狀的容器，無一定體積，不存在自由液面。牛頓內(nèi)摩擦定律：流體內(nèi)摩擦力的大小與流體的性質(zhì)有關(guān)，與流體的速度梯度和接觸面積成正比。（切應(yīng)力與剪切變形速度成正比） 實(shí)際流體：自然界中存在的具有粘性的流體。理想流體：假想的完全沒有粘性的流體。利用理想流體的概念可以在研究上大簡化問題，找出規(guī)律后再考慮粘性的影響進(jìn)行修正，這種修正多數(shù)借助實(shí)驗(yàn)。表面力：作用在隔離表面上的力，其大小和受力作用的表面面積成正比，包括垂直于作用面的壓力和平行于作用面的切力。應(yīng)力：單位面積上的表面力。質(zhì)量力：作用在隔離體內(nèi)每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小是和流體的質(zhì)量成正比的，因?yàn)樵诰|(zhì)流體中必然和體

7、積相關(guān)，因此又稱體積力，主要包括重力和慣性力。連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流體或固體。連續(xù)介質(zhì)模型：把流體看作是全部充滿、內(nèi)部沒有任何間隙的質(zhì)點(diǎn)所組成的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型。恒定流：若流場中各空間點(diǎn)上的任何流動(dòng)要素均不隨時(shí)間變化，則稱流動(dòng)為恒定流，也稱為定常流。非恒定流：若流場中各空間點(diǎn)上的其中任何一個(gè)流動(dòng)要素隨時(shí)間變化，則稱流動(dòng)為非恒定流，也稱為非定常流。跡線：表示一流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡線，它是單個(gè)質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中所占據(jù)的空間位置隨時(shí)間連續(xù)變化的軌跡。流譜：在充滿流動(dòng)的整個(gè)空間內(nèi)可以繪出一族流線，稱為流譜。斷面平均流速：過流斷面上各點(diǎn)的

8、速度平均值稱為斷面平均流速?？刂企w邊界（控制面）的特點(diǎn)：控制面相對(duì)于座標(biāo)系是固定的。在控制面上可以有質(zhì)量交換。在控制面上，受到控制體以外物體加在控制體之內(nèi)物體上的力。在控制面上可以有能量交換。流體微團(tuán)：是指體積微小，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的一團(tuán)流體物質(zhì)。特點(diǎn)：包含無數(shù)個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)。各流體質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)位置變化。能夠體現(xiàn)膨脹、變形、轉(zhuǎn)動(dòng)等尺度變化。拉格朗日方法：是以流場中每一流體質(zhì)點(diǎn)作為描述對(duì)象的方法，它以流體個(gè)別質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過綜合足夠多的質(zhì)點(diǎn)（即質(zhì)點(diǎn)系）運(yùn)動(dòng)來確定整個(gè)流體的流動(dòng)。-質(zhì)點(diǎn)系法歐拉法：是以流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場中各空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即以流場作為描述對(duì)象研究流動(dòng)的方法流場法。流體質(zhì)點(diǎn)的加速度

9、（流速對(duì)時(shí)間求導(dǎo)）有兩部分組成：1）時(shí)變加速度（當(dāng)?shù)丶铀俣龋┝鲃?dòng)過程中流場由于速度隨時(shí)間變化而引 起的加速度；2）位變加速度（遷移加速度）流動(dòng)過程中流場中速度分布不均，因位置變化而引起的加速度。紊流：是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，質(zhì)點(diǎn)相互混摻，流體質(zhì)點(diǎn)沿很不規(guī)則無序的路徑運(yùn)動(dòng)。紊流特點(diǎn)： 無序性、隨機(jī)性、有旋性、混合性。 在圓管流中水頭損失與流速的1.752次方成正比。Hf=kv 1.752 在流速較大（雷諾數(shù)較大）時(shí)發(fā)生。4 紊流發(fā)生是受粘性和紊動(dòng)共同作用的結(jié)果有旋流：亦稱“渦流”。流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）在運(yùn)動(dòng)中不僅發(fā)生平動(dòng)（或形變），而且繞著自身的瞬時(shí)軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。無旋流：亦稱“勢流”、“有

10、勢流”。流體在運(yùn)動(dòng)中，它的微小單元只有平動(dòng)或變形，但不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即流體質(zhì)點(diǎn)不繞其自身任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)。恒定流：是指流場中的流體流動(dòng)，空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間而變化。嚴(yán)格的恒定流只可能發(fā)生在層流，在紊流中，由于流動(dòng)的無序，其實(shí)流速或壓強(qiáng)總有脈動(dòng)，但若取時(shí)間平均流速（時(shí)均流速）非恒定流：是指流場中的流體流動(dòng)，空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素均隨時(shí)間的變化而變化。在非恒定流情況下，流線的位置隨時(shí)間而變；流線與跡線不重合。在恒定流情況下，流線的位置不隨時(shí)間而變，且與跡線重合。 均勻流中遷移加速度為0，各過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紙D沿程不變，過水?dāng)嗝媸瞧矫?，沿程各過水?dāng)嗝娴男螤詈痛笮《急３忠粯印?非均勻流中遷移加

11、速度不等于0，流場中相應(yīng)點(diǎn)的流速大小或方向或同時(shí)二者沿程改變，即沿流程方向速度分布不均。（非均勻流又可分為急變流和漸變流）。皮托管測流速：常見的皮托管是由裝有一半圓球探頭的雙層套管組成，并在兩管末端聯(lián)接上壓差計(jì)。探頭端點(diǎn)A處開一小孔與內(nèi)套管相連，直通壓差計(jì)的一肢；外套管側(cè)表面沿圓周均勻地開一排與外管壁相垂直的小孔(靜壓孔)，直通壓差計(jì)的另一肢。測速時(shí)，將皮托管放置在欲測速度的恒定流中某點(diǎn)A，探頭對(duì)著來流，使管軸與流體運(yùn)動(dòng)的方向相一致。流體的速度接近探頭時(shí)逐漸減低，流至探頭端點(diǎn)處速度為零?？偹^線：沿流管各總水頭值的連線，是流管坐標(biāo)的函數(shù)。 水頭線：沿流管各測壓管水頭值的連線，是流管坐標(biāo)的函數(shù)。

12、 水力坡度：單位長度上的水頭損失。測壓管水頭線坡度：單位長度上測壓管水頭的降低或升高。對(duì)均勻流動(dòng)，則總水頭線與測壓管水頭線平行。產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動(dòng)。沿程阻力：當(dāng)限制流動(dòng)的固體邊界使流體作均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力形成的阻力。沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起的水頭損失。沿程水頭損失：主要由于“摩擦阻力”所引起的，隨流程的增加而增加。 雷諾實(shí)驗(yàn)揭示了水流的兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流;并測定了流動(dòng)損失及水流速度與流態(tài)之間的關(guān)系。臨界流速判別：因不同的管徑大小、流體種類和流體溫度，得到的臨界流速不同。雷諾數(shù)的物理意義：雷諾數(shù)是以宏觀特征量表征的流體質(zhì)點(diǎn)所受慣性

13、力與粘性力之比。紊流核心：粘性底層之外的液流統(tǒng)稱為紊流核心。絕對(duì)粗糙度()：粗糙突出管壁的平均高度。相對(duì)粗糙度：管壁的絕對(duì)粗糙度與管徑的比值。當(dāng)量粗糙度：把直徑相同、紊流粗糙區(qū)值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks定義為該管材工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙。附面層（邊界層）：粘度小的流體（如水和空氣）繞過物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦阻力主要發(fā)生在緊靠物體表面的一個(gè)流速梯度很大的流體薄層內(nèi)，粘性影響起主要作用。形狀阻力：指流體繞曲面體或具有銳緣棱角的物體流動(dòng)時(shí)，附面層要發(fā)生分離，從而產(chǎn)生旋渦所造成的阻力。這種阻力與物體形狀有關(guān)，故稱為形狀阻力。卡門渦街：圓柱繞流問題：隨著雷諾數(shù)的增大邊界層首先出現(xiàn)分離，分離點(diǎn)并不斷的前移

14、，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度時(shí)，會(huì)形成兩列幾乎穩(wěn)定的、非對(duì)稱性的、交替脫落的、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，并隨主流向下游運(yùn)動(dòng)，這就是卡門渦街。繞流阻力：細(xì)長流線型物體，以平板為例，繞流阻力主要由摩擦阻力來決定，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)。鈍頭曲面物體，以圓柱和圓球?yàn)槔@流阻力既與摩擦阻力有關(guān)，又與壓差（形狀）阻力有關(guān)。在低雷諾數(shù)時(shí)，主要為摩擦阻力，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)。在高雷諾數(shù)時(shí)，主要為壓差（形狀）阻力。表面力：又稱面積力，是毗鄰流體或其它物體，作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。它的大小與作用面積成比例。 剪力、拉力、壓力質(zhì)量力：是指作用于隔離體內(nèi)每一流體質(zhì)點(diǎn)上的力，它的大小與質(zhì)量成正比。 重力、慣性力流

15、體的平衡或機(jī)械運(yùn)動(dòng)取決于：1.流體本身的物理性質(zhì)（內(nèi)因）2.作用在流體上的力（外因）流體的主要物理性質(zhì)：密度：是指單位體積流體的質(zhì)量。單位：kg/m3 。重度：指單位體積流體的重量。單位： N/m3 。流體的密度、重度均隨壓力和溫度而變化。流體的流動(dòng)性：流體具有易流動(dòng)性，不能維持自身的形狀，即流體的形狀就是容器的形狀。靜止流體幾乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，僅能抵抗壓力。 流體的粘滯性：即在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的阻抗剪切變形的能力。流體的流動(dòng)性是受粘滯性制約的，流體的粘滯性越強(qiáng)，易流動(dòng)性就越差。任何一種流體都具有粘滯性。牛頓通過著名的平板實(shí)驗(yàn)，說明了流體的粘滯性，提出了牛頓內(nèi)摩擦定律。

16、 =(du/dy)只與流體的性質(zhì)有關(guān)，與接觸面上的壓力無關(guān)。動(dòng)力粘度?：反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位：N?s/m2運(yùn)動(dòng)粘度?：=/流體靜壓強(qiáng)具有特性1.流體靜壓強(qiáng)既然是一個(gè)壓應(yīng)力，它的方向必然總是沿著作用面的內(nèi)法線方向，即垂直于作用面，并指向作用面。2.靜止流體中任一點(diǎn)上流體靜壓強(qiáng)的大小與其作用面的方位無關(guān)，即同一點(diǎn)上各方向的靜壓強(qiáng)大小均相等。靜力學(xué)基本方程: P=Po+pgh等壓面：壓強(qiáng)相等的空間點(diǎn)構(gòu)成的面絕對(duì)壓強(qiáng)：以無氣體分子存在的完全真空為基準(zhǔn)起算的壓強(qiáng) Pabs相對(duì)壓強(qiáng)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)起算的壓強(qiáng) PP=PabsPa（當(dāng)?shù)卮髿鈮海┱婵斩龋航^對(duì)壓強(qiáng)不足當(dāng)?shù)卮髿鈮旱牟钪担聪鄬?duì)壓強(qiáng)的負(fù)

17、值 PvPv=Pa-Pabs= -P測壓管水頭：是單位重量液體具有的總勢能基本問題：1、求流體內(nèi)某點(diǎn)的壓強(qiáng)值：p = p0 +h；2、求壓強(qiáng)差：p p0 = h ；3、求液位高：h = （p - p0）/平面上的凈水總壓力：潛沒于液體中的任意形狀平面的總靜水壓力P，大 小等于受壓面面積A與其形心點(diǎn)的靜壓強(qiáng)pc之積。注意：只要平面面積與形心深度不變:1面積上的總壓力就與平面傾角?無關(guān)；2壓心的位置與受壓面傾角?無直接關(guān)系，是通過yc表現(xiàn)的；3壓心總是在形心之下，在受壓面 位置為水平放置時(shí)，壓心 與形心重合。作用在曲面壁上的總壓力 水平分力作用于曲面上的靜水總壓力P的水平分力Px等于作用于該曲 面

18、的在鉛直投影面上的的投影（矩形平面）上的靜水總壓力，方向水平指向受力面，作用線通過面積Az的壓強(qiáng)分布圖體積的形心。作用在曲面壁上的總壓力 垂直分力作用于曲面上的靜水總壓力P的鉛垂分力Pz等于該曲面上的 壓力體所包含的液體重，其作用線通過壓力體的重心，方向 鉛垂指向受力面。壓力體壓力體體積的組成：（1）受壓曲面本身；（2）通過曲面周圍邊緣所作的鉛垂面；（3）自由液面或自由液面的延伸。壓力體的種類：實(shí)壓力體和虛壓力體。實(shí)壓力體Pz方向向下；虛壓力體Pz方向向上。帕斯卡原理：靜止不可壓縮流體內(nèi)任意一點(diǎn)的壓強(qiáng)變化等值傳遞到流體內(nèi)的其他各點(diǎn)；重力場中靜止流體 等壓面的特點(diǎn)（1）靜止、同一水平面；（2）質(zhì)

19、量力僅有重力；（3）連通；（4）連通的介質(zhì)為同一均質(zhì)流；拉格朗日方法：是以流場中每一流體質(zhì)點(diǎn)作為描述對(duì)象的方法，它以流體個(gè)別質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過綜合足夠多的質(zhì)點(diǎn)（即質(zhì)點(diǎn)系）運(yùn)動(dòng)來確定整個(gè)流體的流動(dòng)。-質(zhì)點(diǎn)系法歐拉法：是以流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場中各空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即以流場作為描述對(duì)象研究流動(dòng)的方法流場法。流體質(zhì)點(diǎn)的加速度（流速對(duì)時(shí)間求導(dǎo)）有兩部分組成：1）時(shí)變加速度（當(dāng)?shù)丶铀俣龋┝鲃?dòng)過程中流場由于速度隨時(shí)間變化而引 起的加速度；2）位變加速度（遷移加速度）流動(dòng)過程中流場中速度分布不均，因位置變化而引起的加速度。流線流線的定義：是表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流動(dòng)趨勢的曲線，曲線上任一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的流速

20、方向重合。流線的性質(zhì)：a、同一時(shí)刻的不同流線，不能相交。b、流線不能是折線，而是一條光滑的曲線。c、流線簇的疏密反映了速度的大小跡線跡線的定義：是指某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡線。層流與紊流層流：亦稱片流，是指流體質(zhì)點(diǎn)不互相混雜，流體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的有序的直線運(yùn)動(dòng)。層流特點(diǎn)（1）有序性。（2）水頭損失與流速的一次方成正比 Hf=kv 。（3）在流速較小且雷諾數(shù)Re較小時(shí)發(fā)生。（4）層流遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，粘性抑制或約束質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)。 紊流：是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，質(zhì)點(diǎn)相互混摻，流體質(zhì)點(diǎn)沿很不規(guī)則無序的路徑運(yùn)動(dòng)。紊流特點(diǎn)： 無序性、隨機(jī)性、有旋性、混合性。 在圓管流中水頭損失與流速的

21、1.752次方成正比。Hf=kv 1.752 在流速較大（雷諾數(shù)較大）時(shí)發(fā)生。4 紊流發(fā)生是受粘性和紊動(dòng)共同作用的結(jié)果有壓流與無壓流（1）有壓流：流體充滿整個(gè)流動(dòng)空間，在壓力作用下的流動(dòng)。（2）無壓流：流體具有與大氣相接觸的自由表面（未充滿整個(gè)流動(dòng)空間），在重力作用下的流動(dòng)。（3）滿流：流體充滿整個(gè)流動(dòng)空間。（4）非滿流：流體為充滿整個(gè)流動(dòng)空間。有旋流和無旋流有旋流：亦稱“渦流”。流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）在運(yùn)動(dòng)中不僅發(fā)生平動(dòng)（或形變），而且繞著自身的瞬時(shí)軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。無旋流：亦稱“勢流”、“有勢流”。流體在運(yùn)動(dòng)中，它的微小單元只有平動(dòng)或變形，但不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即流體質(zhì)點(diǎn)不繞其自身任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)。恒定流與

22、非恒定流恒定流：是指流場中的流體流動(dòng)，空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間而變化。 嚴(yán)格的恒定流只可能發(fā)生在層流，在紊流中，由于流動(dòng)的無序，其實(shí)流速或壓強(qiáng)總有脈動(dòng)，但若取時(shí)間平均流速（時(shí)均流速）非恒定流：是指流場中的流體流動(dòng)，空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素均隨時(shí)間的變化而變化。在非恒定流情況下，流線的位置隨時(shí)間而變；流線與跡線不重合。在恒定流情況下，流線的位置不隨時(shí)間而變，且與跡線重合。均勻流與非均勻流均勻流遷移加速度為0均勻流中各過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紙D沿程不變，過水?dāng)嗝媸瞧矫妫爻谈鬟^水?dāng)嗝娴男螤詈痛笮《急３忠粯?。例：等直徑直管中的液流或者斷面形狀和水深不變的長直渠道中的水流都是均勻流。非均勻流遷移加速

23、度不等于0的流動(dòng)非均勻流中流場中相應(yīng)點(diǎn)的流速大小或方向或同時(shí)二者沿程改變，即沿流程方向速度分布不均。（非均勻流又可分為急變流和漸變流）。漸變流與急變流漸變流：沿程逐漸改變的流動(dòng)。特征：1）流線之間的夾角很小即流線幾乎是平行的），同時(shí)流線的曲率半徑又很大（即流線幾乎是直線），其極限是均勻流；2）過水?dāng)嗝婵煽醋魇瞧矫妫?）漸變流的加速度很小，所以慣性力很小，可以忽略不計(jì)，質(zhì)量力只考慮重力作用。急變流：沿程急劇改變的流動(dòng)。特征：1）流線間夾角很大或曲率半徑較小或二者兼而有之，流線是曲線。2）急變流的加速度較大，因而慣性力不可忽略。元流的伯努利方程元流伯努利方程的物理意義與幾何意義z: 是元流過流斷面

24、上單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有的位能，稱單位位能。p/g : 是元流過流斷面上單位重量流體所具有的壓能，稱單位壓能。 z+p/g: 是元流過流斷面上單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有勢能，稱單位勢能。u 2/ 2g: 是元流過流斷面上單位重量流體所具有的動(dòng)能（kinetic energy），稱單位動(dòng)能。（1）物理意義：1）元流各過流斷面上單位重量流體所具有的機(jī)械能（位能、壓能、動(dòng)能之和）沿流程保持不變；2）也表示了元流在不同過流斷面上單位重量流體所具有的位能、壓能、動(dòng)能之間可以相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。z 是位置水頭；p/g 是壓強(qiáng)水頭；z+p/g 是測壓管水頭；u 2/ 2g 是速度水頭(vel

25、ocity head)（2）幾何意義：1）元流各過流斷面上總水頭H(位置水頭、壓強(qiáng)水頭、速度水頭之和)沿流程保持不變。2）也表示了元流在不同過流斷面上位置水頭、壓強(qiáng)水頭、速度水頭之間可以相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。皮托管測流速常見的皮托管是由裝有一半圓球探頭的雙層套管組成，并在兩管末端聯(lián)接上壓差計(jì)。探頭端點(diǎn)A處開一小孔與內(nèi)套管相連，直通壓差計(jì)的一肢；外套管側(cè)表面沿圓周均勻地開一排與外管壁相垂直的小孔(靜壓孔)，直通壓差計(jì)的另一肢。測速時(shí)，將皮托管放置在欲測速度的恒定流中某點(diǎn)A，探頭對(duì)著來流，使管軸與流體運(yùn)動(dòng)的方向相一致。流體的速度接近探頭時(shí)逐漸減低，流至探頭端點(diǎn)處速度為零。恒定總流的伯努利方程（1）物理意

26、義位（置勢）能 Z：表示過流斷面上單位重量流體所具有的重力勢能；壓（力勢）能 p/g：表示過流斷面上單位重量的流體所具有的壓力勢能； 動(dòng)能 v2/2g：表示過流斷面上單位重量的流體所具有的平均動(dòng)能；（2）幾何意義z： 稱為斷面位置水頭；p/g：稱為斷面壓強(qiáng)水頭；v2/2g： 稱為斷面速度水頭；z+p/g：稱為斷面測壓管水頭；z+p/g+u2/2g=H ：稱為斷面總水頭。這些量都具有長度的量綱L，將這些具有水位高度的量稱為水頭?？偹^線：沿流管各總水頭值的連線，是流管坐標(biāo)的函數(shù)。水頭線：沿流管各測壓管水頭值的連線，是流管坐標(biāo)的函數(shù)。水力坡度：單位長度上的水頭損失。測壓管水頭線坡度：單位長度上測壓

27、管水頭的降低或升高。對(duì)均勻流動(dòng)，則總水頭線與測壓管水頭線平行，即J = JP能量方程（伯努力方程）適用條件1）恒定流動(dòng)；2）流體不可壓縮；3）質(zhì)量力只有重力作用；4）兩過水?dāng)嗝嫣帪榫鶆蛄骰驖u變流；5）流量沿程不變；6）兩過水?dāng)嗝骈g無能量輸入輸出。產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動(dòng)。：單位重量流體的平均能量損失稱為水頭損失。沿程阻力和沿程水頭損失：沿程阻力：當(dāng)限制流動(dòng)的固體邊界使流體作均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力形成的阻力。沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起的水頭損失。沿程水頭損失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，隨流程的增加而增加。局部阻力和局部水頭損失局部阻力：液流

28、因固體邊界急劇改變而引起速度分布的變化，從而產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。局部水頭損失：由局部阻力作功而引起的水頭損失稱為局部水頭損失。局部阻力水頭損失hj ：主要是因?yàn)楣腆w邊界形狀突然改變，從而引起水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，產(chǎn)生漩渦，以及在局部阻力之后，水流還要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)新的均勻流條件所造成的。水頭線圖的繪制方法：1、繪制總水頭線?？偹^線總是沿程下降。在有局部水頭損失的地段，有較集中的下降；在有沿程水頭損失的地段，則逐漸的下降。在有外加能量的地點(diǎn)，則有一個(gè)集中的上升。2、繪制測壓管水頭線。測壓管水頭線比總水頭線處處低一個(gè)流速水頭值。測壓管水頭線可能沿程下降，也可能會(huì)升高。3、利用已知邊界條件

29、作為水頭線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。注意：1、理想流動(dòng)流體的總水頭線為水平線；2、實(shí)際流動(dòng)流體的總水頭線恒為下降曲線；3、測壓管水頭線可升、可降、可水平。4、若是均勻流，則總水頭線平行于測壓管水頭線，即J=JP。3、流態(tài)的判別準(zhǔn)則 臨界雷諾數(shù)Rec雷諾實(shí)驗(yàn)揭示了水流的兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流;并測定了流動(dòng)損失及水流速度與流態(tài)之間的關(guān)系。（1）臨界流速判別：因不同的管徑大小、流體種類和流體溫度，得到的臨界流速不同。（2）臨界雷諾數(shù)判別：臨界流速v與過流斷面的特性幾何尺寸(管徑)d、流體的動(dòng)力粘度和密度有關(guān)，這四個(gè)量可以組成一個(gè)特征數(shù)(量綱一的量或無量綱數(shù))稱雷諾數(shù) Re雷諾數(shù)的物理意義：雷諾數(shù)是以宏觀特征量

30、表征的流體質(zhì)點(diǎn)所受慣性力與粘性力之比。粘性底層：圓管作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近管壁處存在著一薄層，該層內(nèi)流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流附加切應(yīng)力可以忽略，速度近似呈線性分布， 這一薄層就稱為粘性底層。（隨雷諾數(shù)增大而減?。┪闪骱诵模赫承缘讓又獾囊毫鹘y(tǒng)稱為紊流核心。絕對(duì)粗糙度():粗糙突出管壁的平均高度。相對(duì)粗糙度:管壁的絕對(duì)粗糙度與管徑的比值.尼古拉茲實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯垦爻套枇ο禂?shù)與雷諾數(shù)Re和管壁相對(duì)粗糙度Ks/d之間的關(guān)系，揭示的變化規(guī)律。第1區(qū)層流區(qū)， ?=f(Re) 。?=64/Re，沿程損失與流速的一次方程正比。 第2區(qū)層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^渡區(qū)。?=f(Re) ，范圍較小，一般按

31、水力光滑區(qū)處理。第3區(qū)水力光滑管區(qū)。紊流狀態(tài)，Re>3000, ?=f(Re) ，水頭損失與流速的1.75次方成比例。第4區(qū)由“光滑管區(qū)”轉(zhuǎn)向“粗糙管區(qū)”的紊流過渡區(qū)，?=f(Re, ?/d) 。 第5區(qū)水力粗糙管區(qū)或阻力平方區(qū)。 ?=f（?/d），水流處于發(fā)展完全的紊流狀態(tài)，水流阻力與流速的平方成正比，故又稱阻力平方區(qū)。當(dāng)量粗糙度把直徑相同、紊流粗糙區(qū)值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks定義為該管材工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙。附面層（邊界層）：粘度小的流體（如水和空氣）繞過物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦阻力主要發(fā)生在緊靠物體表面的一個(gè)流速梯度很大的流體薄層內(nèi)，粘性影響起主要作用。形狀阻力：指流體繞曲面體或具

32、有銳緣棱角的物體流動(dòng)時(shí)，附面層要發(fā)生分離，從而產(chǎn)生旋渦所造成的阻力。這種阻力與物體形狀有關(guān)，故稱為形狀阻力?？ㄩT渦街當(dāng) Re40 時(shí)黏性流體繞過圓柱體，發(fā)生邊界層分離，在圓柱體后面產(chǎn)生一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的對(duì)稱旋渦；Re 4070對(duì)稱旋渦位置已不穩(wěn)定，尾流有周期 性振蕩；Re 90 時(shí)，旋渦從柱體后部交替釋放出來，形成有規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦組合，這種旋渦具有一定的脫落頻率，稱為卡門渦街.繞流阻力細(xì)長流線型物體，以平板為例，繞流阻力主要由摩擦阻力來決定，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān);鈍頭曲面物體，以圓柱和圓球?yàn)槔?，繞流阻力既與摩擦阻力有關(guān)，又與壓差（形狀）阻力有關(guān)。在低雷諾數(shù)時(shí)，主要為摩擦阻力，阻力系數(shù)與雷

33、諾數(shù)有關(guān)。在高雷諾數(shù)時(shí)，主要為壓差（形狀）阻力。有壓管流：管道中流體在壓力差作用下的流動(dòng)。有壓管道：輸送有壓液流的管道。有壓恒定管流：當(dāng)管流的所有運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間變化的管流。有壓非恒定管流：管流的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化的管流?？卓诔隽鳎涸谌萜鞅谏祥_孔，水經(jīng)孔口流出的水力現(xiàn)象就稱為孔口出流。 孔口的分類：根據(jù)d/H的比值大小分：大孔口、小孔口大孔口：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心以上的水頭高H的比值大于0.1，即d/H>0.1時(shí)，需考慮在孔口射流斷面上各點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、速度沿孔口高度的變化，這時(shí)的孔口稱為大孔口。小孔口：當(dāng)孔口直徑d（或高度e）與孔口形心 以上的水頭高度H的比值小于0.1

34、，即d/H<0.1時(shí)，可認(rèn)為孔口射流斷面上的各點(diǎn)流速相等， 且各點(diǎn)水頭亦相等，這時(shí)的孔口稱為小孔口。根據(jù)出流條件分：自由出流、淹沒出流自由出流：若經(jīng)孔口流出的水流直接進(jìn)入空氣中，此時(shí)收縮斷面的壓強(qiáng)可認(rèn)為是大氣壓強(qiáng)，即pc = pa ，則該孔口出流稱為孔口自由出流。淹沒出流：若經(jīng)孔口流出的水流不是進(jìn)入空氣，而是流入下游水體中，致使孔口淹沒在下游水面之下，這種情況稱為淹沒出流。根據(jù)孔口壁是否對(duì)水流運(yùn)動(dòng)有影響分為薄壁孔口與厚壁孔口薄壁孔口：當(dāng)孔口具有銳緣時(shí)，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，即孔口的壁厚對(duì)出流并不發(fā)生影響，這種孔口稱為薄壁孔口。厚壁孔口：當(dāng)孔口孔壁與水流接觸具有一定長度，即孔口的壁

35、厚對(duì)出流有一定影響時(shí)，稱這種孔口為厚壁孔口。根據(jù)孔口水頭變化情況分：恒定出流、非恒定出流恒定出流：當(dāng)孔口出流時(shí)，水箱中水量如能得到源源不斷的補(bǔ)充，從而使孔口的水頭不變，此時(shí)的出流稱為恒定出流。非恒定出流：當(dāng)孔口出流時(shí)，水箱中水量得不到補(bǔ)充，則孔口的水頭不斷變化，此時(shí)的出流稱為非恒定出流。管嘴出流：在孔口上對(duì)接長度為34倍孔徑的短管，經(jīng)此短管并在出口斷面滿流流出的水力現(xiàn)象稱為管嘴出流。按管嘴的形狀可分為：1）流線形外管嘴：無收縮擴(kuò)大，阻力系數(shù)最小。2）圓柱形外管嘴：先收縮后擴(kuò)大到整滿管。3）圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。如：消防用噴嘴。4）圓錐形擴(kuò)張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。管嘴出流的正

36、常工作條件：1.作用水頭Ho小于等于9m。 Ho過大，真空高度過大，空氣從管嘴吸入，不能正常出流。2.管嘴長度l=(3-4)d。 l過短，有空氣進(jìn)入，不能形成真空；l過長，沿程水頭損失不能忽略。在相同水頭H0的作用下，同樣斷面面積的管嘴的過流能力是孔口的1.32倍。 結(jié)論：圓柱形管嘴收縮斷面處真空度可達(dá)作用水頭的0.75倍。這就相當(dāng)于把管嘴的作用水頭增大了75%，這就是為什么相同直徑、相同作用水頭下的圓柱向外管嘴的流量比孔口大的原因。短管的水力計(jì)算有壓管流與無壓流：有壓管流：管道中流體在壓強(qiáng)差作用下的流動(dòng)稱為有壓管流。有壓管道 ：輸送有壓液流的管道。有壓恒定管流：當(dāng)管流的所有運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間變化的管流。有壓非恒定管流：管流的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化的管流。無壓流：流體在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，具有自由表面，也稱明渠流；長管：指管道中以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重小，可以忽略的管道。短管：沿程水頭損失和局部水頭損失比例相當(dāng)，計(jì)算時(shí)都不可忽略的管道有壓管中的水擊1、水擊現(xiàn)象：在管道系統(tǒng)中，當(dāng)某種外界因素（閘閥急速開啟或關(guān)閉，水泵的開停機(jī)）使管道流速發(fā)生變化時(shí)，從而引起管道中壓強(qiáng)交替升降，壓力波在管道中的傳播，產(chǎn)生水力沖擊的現(xiàn)象。直接水擊：當(dāng)關(guān)閉閥門時(shí)間小于或等于一個(gè)相長時(shí)，最早由閥門處產(chǎn)生的向上傳播而后又反射回來的減