流體力學(xué)概念總結(jié)

1、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 ：是指作用于隔離體每一流體質(zhì)點上的力，它的大小與質(zhì)量成正比。 重 力、慣性力 流體的平衡或機械運動取決于：1. 流體本身的物理性質(zhì)（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。流體的流動性： 流體具有易流動性， 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

2、剪切力，僅能抵抗壓力。 流體的粘滯性： 即在運動的狀態(tài)下， 流體所產(chǎn)生的阻抗剪切變形的能力。 流體的 流動性是受粘滯性制約的， 流體的粘滯性越強， 易流動性就越差。 任何一種流體 都具有粘滯性。牛頓通過著名的 平板實驗， 說明了流體的粘滯性，提出了 牛頓摩擦定律。t =卩（du/dy）T只與流體的性質(zhì)有關(guān)，與接觸面上的壓力無關(guān)。 動力粘度 ： 反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位： N?s/m2 運動粘度：V =卩/ p流體靜壓強具有特性1. 流體靜壓強既然是一個壓應(yīng)力， 它的方向必然總是沿著作用面的法線方向， 即 垂直于作用面，并指向作用面。2. 靜止流體中任一點上流體靜壓強的大小與其作用面的方位

3、無關(guān)， 即同一點上各 方向的靜壓強大小均相等。靜力學(xué)基本方程 : P=Po+pgh等壓面 ：壓強相等的空間點構(gòu)成的面絕對壓強 ：以無氣體分子存在的完全真空為基準(zhǔn)起算的壓強 Pabs 相對壓強 ：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)起算的壓強 PP=Pab Pa （當(dāng)?shù)卮髿鈮海┱婵斩?：絕對壓強不足當(dāng)?shù)卮髿鈮旱牟钪?，即相對壓強的負?Pv Pv=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、求流體某點的壓強值：p = p0 + 丫 h;2、求壓強差：p - p0 = 丫 h ;3、求液位高：h =（ p - pO ） / 丫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

4、,大 小 等于受壓面面積A與其形心點的靜壓強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，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

5、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： 實壓力體和虛壓力體。實壓力體Pz方向向下；虛壓力體Pz方向向上。帕斯卡原理： 靜止不可壓縮流體任意一點的壓強變化等值傳遞到流體的其他各 點；重力場中靜止流體 等壓面的特點（1）靜止、同一水平面；（2）質(zhì)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)點作為描述對象的方法， 它以流體個別質(zhì) 點隨時間的運動為基礎(chǔ)， 通過綜合足夠多的質(zhì)點 （即質(zhì)點系） 運動來確定整個流 體的流動。 質(zhì)點系法歐拉法 ：是

6、以流體質(zhì)點流經(jīng)流場中各空間點的運動即以流場作為描述對象研究流 動的方法流場法。流體質(zhì)點的加速度（流速對時間求導(dǎo)）有兩部分組成：1）時變加速度 （當(dāng)?shù)丶铀俣龋?流動過程中流場由于速度隨時間變化而引 起 的加速度；2）位變加速度（遷移加速度） 流動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 ：是表示某一瞬時流體各點流動趨勢的曲線， 曲線上任一點的切線方 向與該點的流速方向重合。流線的性質(zhì)：a、同一時刻的不同流線，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)點在某一時段的運動軌跡線。層流與紊流層流： 亦稱片流，

7、 是指流體質(zhì)點不互相混雜， 流體質(zhì)點作有條不紊的有序的直線 運動。層流特點 （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較小時發(fā)生。（ 4）層流遵循牛頓摩擦定律，粘性抑制或約束質(zhì)點作橫向運動。紊流：是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，質(zhì)點相互混摻，流體質(zhì)點沿很不規(guī)則 無序的路徑運動。紊流特點： 無序性、隨機性、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）時發(fā)生。4 紊流發(fā)生是受粘性和紊動共同作用的結(jié)果有壓流與無壓流（ 1）有壓流： 流體充滿整個流動空間，在壓力作用下的流動。（

8、 2）無壓流： 流體具有與大氣相接觸的自由表面（未充滿整個流動空間），在 重力作用下的流動。（ 3）滿流： 流體充滿整個流動空間。（ 4）非滿流： 流體為充滿整個流動空間。有旋流和無旋流有旋流： 亦稱“渦流”。流體質(zhì)點（微團）在運動中不僅發(fā)生平動（或形變）， 而且繞著自身的瞬時軸線作旋轉(zhuǎn)運動。無旋流： 亦稱“勢流”、“有勢流”。流體在運動中，它的微小單元只有平動或 變形，但不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，即流體質(zhì)點不繞其自身任意軸轉(zhuǎn)動。恒定流與非恒定流恒定流： 是指流場中的流體流動，空間點上各水力運動要素均不隨時間而變化。 嚴格的恒定流只可能發(fā)生在層流， 在紊流中， 由于流動的無序， 其實流速或壓強 總有脈動

9、，但若取時間平均流速（時均流速）非恒定流： 是指流場中的流體流動， 空間點上各水力運動要素均隨時間的變化而 變化。在非恒定流情況下，流線的位置隨時間而變；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?沿程各過水?dāng)?面的形狀和大小都保持一樣。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。非均勻流遷移加速度不等于 0 的流動 非均勻流中流場中相應(yīng)點的流速大小或方向或同時二者沿程改變， 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

10、變流）。漸變流與急變流漸變流： 沿程逐漸改變的流動。特征： 1）流線之間的夾角很小即流線幾乎是平行的），同時流線的曲率半徑又 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，質(zhì)量力只考 慮重力作用。急變流： 沿程急劇改變的流動。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/ p g :是元流過流斷面上單位重量流體所具

11、有的壓能，稱單位壓能。Z+p/ 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能（ kinetic energy ）， 稱單位動能。（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械能（位能、壓能、動能之 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 能之間可以相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。Z 是位置水頭；p/p g 是壓強水頭；Z+p/p g是測壓管水頭；u 2/ 2g 是速度水頭 （velocity head） （2）幾何意義：1）元流各過流斷面上總水頭 H（位置水頭

12、、壓強水頭、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。探頭端點 A 處開一小孔與套管相連， 直通壓差計的一肢； 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 ） ，直通壓差計的另一肢。測速時，將皮托管放置在欲測速度的恒定流中某點 A,探頭對著來流，使管 軸與流體運動的方向相一致。 流體的速度接近探頭時逐漸減低， 流至探頭端點處 速度為零。恒定總流的伯努利方程 （1）物理意義 位（置勢）能 Z ：表示過流斷面上單位

13、重量流體所具有的重力勢能； 壓（力勢）能p/ p g:表示過流斷面上單位重量的流體所具有的壓力勢能;動能a v2/2g :表示過流斷面上單位重量的流體所具有的平均動能；（ 2）幾何意義z: 稱為斷面位置水頭； p/ p g：稱為斷面壓強水頭； a v2/2g : 稱為斷面速度水頭； z+p/ p g：稱為斷面測壓管水頭； z+p/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。總水頭線： 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：

14、 單位長度上測壓管水頭的降低或升高。 對均勻流動，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；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)生流動阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動hw :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)限制流動的固體邊界使流體作均勻流動時， 流動阻力只有沿程不變 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。

15、局部阻力和局部水頭損失局部阻力： 液流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 ：主要是因為固體邊界形狀突然改變，從而引起水流部結(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，則 有一個集中的上升。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流速水頭值。測

16、壓 管水頭線可能沿程下降，也可能會升高。3、利用已知邊界條件作為水頭線的起點和終點。1、理想流動流體的總水頭線為水平線；2、實際流動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 雷諾實驗揭示了水流的兩種流動狀態(tài)：層流和紊流 ; 并測定了流動損失及水流速 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、流體的動力粘度卩和密度P有 關(guān)，這四個量可以組成一個特征數(shù)

17、 （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)是以宏觀特征量表征的流體質(zhì)點所受慣性力與粘性力 之比。粘性底層： 圓管作湍流運動時，靠近管壁處存在著一薄層，該層流速梯度較大， 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)增大而減小）紊流核心：粘性底層之外的液流統(tǒng)稱為紊流核心。絕對粗糙度（）:粗糙突出管壁的平均高度。相對粗糙度：管壁的絕對粗糙度與管徑d的比值.尼古拉茲實驗1. 實驗?zāi)康模貉芯垦爻套枇ο禂?shù)入與雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度Ks/d之間的關(guān)系，揭示入的變化規(guī)律。第1區(qū)一一層流區(qū)，=f（Re） 。 =64/Re,沿

18、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） ，圍較小， 一般按水力光滑區(qū)處 理。第 3 區(qū)水力光滑管區(qū)。紊流狀態(tài)， Re3000, =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)一一水力粗糙管區(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Ks 定義為該管把直徑相同、紊流粗糙區(qū)入值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度 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）繞過物體運動時，

19、摩擦阻力主 要發(fā)生在緊靠物體表面的一個流速梯度很大的流體薄層，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時，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)生一對旋轉(zhuǎn)方向相反的 對稱旋渦；Re = 40 70對稱旋渦位置已不穩(wěn)定，尾流有周期 性振蕩；Re90時，旋渦從柱體后部交替釋放出來， 形成有規(guī)則的交錯排列的旋渦組合， 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，以圓柱和圓球為例，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，主要為摩擦阻力，阻力系數(shù)與雷諾