冶金傳輸原理課件

1、冶金傳輸原理冶金傳輸原理北京理工大學(xué) 材料學(xué)院寧先進(jìn)程簡介：本課程40學(xué)時，考試課程教材：材料加工冶金傳輸原理，吳樹森，機(jī)械工業(yè)出版社，2005參考書目：1. 流體力學(xué)，林建忠等，2005 2. 冶金傳輸原理，沈巧珍等，2006關(guān)于本課程關(guān)于本課程傳輸現(xiàn)象（傳輸現(xiàn)象（Transport phenomena）：）：物理量從物理量從非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)向向平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程。轉(zhuǎn)移的過程。傳輸現(xiàn)象涉及的領(lǐng)域：l材料加工、冶金過程材料加工、冶金過程；l制冷過程；制冷過程；l機(jī)械工程；機(jī)械工程；l生化工程；生化工程；l環(huán)境工程；環(huán)境工程；l電子制造、封裝電子制造、封裝平

2、衡過程：平衡過程：物理系統(tǒng)內(nèi)具有強(qiáng)度性質(zhì)物理系統(tǒng)內(nèi)具有強(qiáng)度性質(zhì)的物理量不存在梯度；的物理量不存在梯度；第一章第一章 緒論緒論本課程涉及到的物理量：本課程涉及到的物理量：動量、熱量、質(zhì)量動量、熱量、質(zhì)量l動量傳輸：在垂直于實(shí)際流體流動方向上，動量從高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)移；l熱量傳輸：熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉(zhuǎn)移；l質(zhì)量傳輸：物質(zhì)體系中一個或幾個組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移；l牛頓粘性定律(Newtons law of viscosity)：動量、熱量、質(zhì)量傳輸?shù)南嗨菩詃vdvddyydvdy l傅里葉定律（Fouriers law）:pppdCdC TdTdyCdyTqyd l菲克定律(F

3、icks law)AAABdjDdyl現(xiàn)象方程：擴(kuò)數(shù)濃通量 = -散系度梯度 基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒、牛頓第二定律、熱力學(xué)第一定律 分析的核心：微元平衡法和整體平衡法理論分析的三個步驟： 1. 建立物理模型 2. 建立數(shù)學(xué)模型 3. 數(shù)學(xué)求解傳輸過程的研究方法理論研究方法 為建模提供依據(jù) 理論分析結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 復(fù)雜體系難以建模時，需要實(shí)驗(yàn)方法理論分析的三個步驟： 1. 全條件實(shí)驗(yàn)（結(jié)果最可靠，成本最高） 2. 經(jīng)常借助于模型實(shí)驗(yàn)傳輸過程的研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法傳輸過程的研究方法-數(shù)值模擬Xian-Jin Ning, Quan-Sheng Wang, Zhuang Ma, Hyung-Jun Kim,

4、 Numerical study of in-flight particle parameters in low-pressure cold spray process, Journal of Thermal Spray Technology, 2010模擬舉例：電子封裝結(jié)構(gòu)傳熱、應(yīng)力分析模擬舉例：鑄造過程溫度場分布隨時間變化第二章 流體的性質(zhì)2.1 2.1 流體的概念：流體的概念：能夠流動的物體，如氣體、液體。從力學(xué)角度來看，流體是一種剪切抗力極低的物質(zhì)，受剪切力時發(fā)生顯著的變形，即流動。1. 液體：分子間距與其分子的有效直徑相當(dāng)，具有一定的體積，與容器大小無關(guān)，可以形成自由表面，可以認(rèn)為是

5、不可壓縮流體。2. 氣體：分子間距遠(yuǎn)大于分子有效直徑，形狀和體積完全決定于容器的形狀和體積，無自由表面，具有可壓縮性。3. 液體與氣體的工程處理：氣體的壓力和溫度變化不大，氣體速度遠(yuǎn)低于聲速時，可以忽略氣體的壓縮性，此時氣體與液體具有類似的規(guī)律。2.2 2.2 流體主要物理性質(zhì)流體主要物理性質(zhì)l液體的壓縮性與膨脹性1TTVVp 等溫壓縮率：溫度不變時，壓力增加一個單位，流體體積的相對變化量1vPVVT體積膨脹系數(shù)：壓力不變時，溫度每升高1K時流體體積的相對變化量絕大部分液體的壓縮性與膨脹率都很小，工程上一般不考慮其壓縮性或膨脹性。但當(dāng)壓力、溫度變化較大時（高壓鍋爐中），必須加以考慮。l氣體的壓

6、縮性與膨脹性理想氣體狀態(tài)方程：描述氣體基本狀態(tài)量P，V，T之間的關(guān)系PVnRTPRTPvRTR為理想氣體常數(shù)；R=8.314 Jmol-1K-1 R為特征氣體常數(shù)；對于空氣，R=287 Nmkg-1K-1，v=1/為比體積：單位質(zhì)量氣體所占的體積2.3 2.3 流體粘性與內(nèi)摩擦定律流體粘性與內(nèi)摩擦定律1. 流體粘性概念流體速度分布形成的原因在于流體內(nèi)部不同速度的層之間存在相互作用，其中快層拉動慢層，慢層阻礙快層，這種性質(zhì)稱流體的粘性。在做相對運(yùn)動的兩層的接觸面上，存在大小相等，方向相反的作用力阻止層間相對運(yùn)動，稱為流體的粘性阻力或內(nèi)摩擦力。2. 牛頓粘性定律0()vFAH 實(shí)驗(yàn)結(jié)果()dvdy

7、 牛頓粘性定律3. 流體的粘度動力粘度：單位Pas，為流體的物理性質(zhì)，在流體運(yùn)動時顯現(xiàn)出來，靜止流體不考慮粘度。物理意義：當(dāng)速度梯度為1單位時，單位面積上摩擦力的大小。dv dy 運(yùn)動粘度：工程計(jì)算中常用參數(shù)，單位m2/s單位Pas。粘度常用單位換算：1 Pas=1000 cp(厘泊)=10 p(泊)l粘度是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)，工程領(lǐng)域中，溫度對粘度影響顯著，壓強(qiáng)對粘度影響不大l溫度升高時氣體粘度增大；液體粘度減小；熔融金屬液體的粘度減?。?. 流體粘度的影響因素1000 / T5. 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：如氣體及大部分低分子液體。dv dy粘塑性流體（賓海姆塑性流體）：如紙漿、牙膏、污

8、水泥漿。0dv dy偽塑性(n1)流體如淀粉、硅酸鹽懸浮液ndv dy除牛頓流體外，其他流體統(tǒng)稱為非牛頓流體；本課程后續(xù)討論時均為牛頓流體。第三章第三章 流體動力學(xué)流體動力學(xué)總述總述流體動力學(xué)研究方法流體動力學(xué)研究方法第一節(jié)第一節(jié)流體運(yùn)動的描述流體運(yùn)動的描述第二節(jié)第二節(jié)連續(xù)性方程連續(xù)性方程第三節(jié)第三節(jié)理想流體動量傳輸方程理想流體動量傳輸方程-歐拉方程歐拉方程第四節(jié)第四節(jié)實(shí)際流體動量傳輸方程實(shí)際流體動量傳輸方程-NS方程方程流體動力學(xué)的任務(wù)：流體動力學(xué)的任務(wù)：研究流體在外力作用下的運(yùn)動規(guī)律，內(nèi)容包括流體運(yùn)動的方式和速度、加速度、位移等隨空間和時間的變化，以及研究引起運(yùn)動的原因和決定作用力、力矩、

9、動量和能量的方法。流體動力學(xué)的研究思路選取合適的流體模型Mass is conservedNewtons second lawEnergy is conserved獲得流體物理本質(zhì)的數(shù)學(xué)描述運(yùn)用流體基本方程解決實(shí)際問題調(diào)用三大基本定律l流體質(zhì)點(diǎn)的概念：1. 定義：流體質(zhì)點(diǎn)就是在流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的體積中的流體分子總體。2. 流體質(zhì)點(diǎn)的物理含義：宏觀尺寸非常??；微觀尺寸足夠大；包含足夠多分子；形狀可以任意劃分；l連續(xù)介質(zhì)模型：流體是有無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)組成的稠密而無間隙的連續(xù)介質(zhì)。流體的物理量如速度、密度、溫度、壓強(qiáng)等均可以看做空間和時間的連續(xù)函數(shù)連續(xù)函數(shù)，從而可以利用連續(xù)函數(shù)進(jìn)行

10、表征。流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)性介質(zhì)假設(shè)VMPVMP limcVVVc VM/V第一節(jié)第一節(jié)流體運(yùn)動的描述流體運(yùn)動的描述1.拉格朗日法流場任一空間點(diǎn)上都對應(yīng)一個流體質(zhì)點(diǎn)，拉格朗日法著眼于流體質(zhì)點(diǎn)描述，通過各流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，即其位置隨時間的變化規(guī)律來確定整個流場的運(yùn)動規(guī)律。初始時刻時空間坐標(biāo)為(a,b,c)的質(zhì)點(diǎn)，其位置隨時間變化的規(guī)律可表示為：, , ,rr a b c t( , , , )( , , , )( , , , )xx a b c tyy a b c tzz a b c t拉格朗日變數(shù)任一物理量B：( , , , )BB a b c t2.歐拉法著眼于對流場空間點(diǎn)的描述方法，通過在流場中

11、各個固定空間點(diǎn)上對流動的觀察，確定流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過該空間點(diǎn)時其物理量的變化規(guī)律。任一物理量B均構(gòu)成物理量的場：( , , , )BB x y z t, , ,rr x y z t歐拉變數(shù)例如速度場：T,P ,V標(biāo) 量 場 ()矢 量 場 (),VV r tuiv jwk , , , , , , ,uu x y z tvv x y z tww x y z t3.流體質(zhì)點(diǎn)的隨體導(dǎo)數(shù)背景：流體力學(xué)問題中，經(jīng)常需要求解流體質(zhì)點(diǎn)的物理量隨時間的變化率，這種變化率稱為質(zhì)點(diǎn)的隨體導(dǎo)數(shù)，也稱物質(zhì)導(dǎo)數(shù)或質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)。(1) 拉格朗日描述中的隨體導(dǎo)數(shù)：( , , , )BB a b c tBtdB dt 物理量的隨體導(dǎo)數(shù)

12、為, , ,dr a b c tdrVdtdt2222, , ,d r a b c td radtdt, , , , , , ,udx a b c tdtvdy a b c tdtwdz a b c tdt222222, , , , , , ,xyzad x a b c tdtad y a b c tdtad z a b c tdt(2)歐拉描述中的隨體導(dǎo)數(shù)：( , , , )BBB x y z tx,y,ztx,y,zt物理量中的()具有雙重含義1.代表流場中的空間坐標(biāo)；2.代表 時刻某個流體質(zhì)點(diǎn)的空間位置；從跟蹤流體質(zhì)點(diǎn)的角度看，均為時間 的函數(shù)，因此物理量 隨時間的變化率為：( , ,

13、, )DB x y z tBxByBzBDtxtytzttBBBBuvwxyzt,BijkxyzDBBVBDtt引入哈密爾頓算子=則物理量的全導(dǎo)數(shù)當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)或局部導(dǎo)數(shù)，反映固定點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)物理量隨時間的變化率，表示流場的非定常性。遷移導(dǎo)數(shù)，反映同一流體質(zhì)點(diǎn)從一個空間點(diǎn)遷移至另一空間點(diǎn)的物理量變化率，表示流場的非均勻性。對于定常場(穩(wěn)定流)，流場物理量不隨時間變化，0Bt 對于均勻流場，物理量在不同空間點(diǎn)均相等，0B歐拉描述中的隨體導(dǎo)數(shù)的例子：速度矢量的全導(dǎo)數(shù)歐拉描述中，流體質(zhì)點(diǎn)的加速度為：DVVVVDttVVVVuvwtxyza xyzuuuuauvwtxyzvvvvauvwtxyzwwwwauv

14、wtxyz4. 跡線與流線、流管與流量(1) 跡線：流體質(zhì)點(diǎn)在流場運(yùn)動中的軌跡，即流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動位置的幾何表示，每一個流體質(zhì)點(diǎn)都有一個運(yùn)動軌跡。針對拉格朗日描述(流體質(zhì)點(diǎn)的位置)，想辦法消去時間t即可得到t=0時刻位于(a,b,c)處質(zhì)點(diǎn)的跡線方程。( , , , ),( , , , ),( , , , )xx a b c tyy a b c tzz a b c t針對歐拉描述(給出流場速度場)，需要聯(lián)立積分方程組消去t，從而得到跡線族的表達(dá)式，確定具體質(zhì)點(diǎn)即可得到該質(zhì)點(diǎn)的跡線。( , , , )( , , , )( , , , )uu x y z tdx dtvv x y z tdy dtww

15、 x y z tdz dt跡線族( , , , )( , , , )( , , , )xu x y z t dtyv x y z t dtzw x y z t dt(2) 流線：流場中一條曲線，某一時刻，位于該曲線上的所有流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向均與該線相切，該曲線稱為流線。l流線是同一時刻不同流體質(zhì)點(diǎn)組成的曲線。它給出該時刻不同流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向。:根據(jù)流線定義,速度方向與流線切向重合,得流線方程0drV: ( , , , )( , , , )( , , , )xyzdxdydzV x y z tVx y z tV x y z t或注意此處t為常數(shù),( ,)( ,)vxuy1+ tt = 0a bt

16、 = 0a b確定：例題：設(shè)流場速度分布為： (1)在時過點(diǎn)的流線方程；(2)在時過點(diǎn)的跡線。試解(1)根據(jù)流線的定義( , , , )( , , , )dxdyu x y z tv x y z t(1)dxdytxy兩邊積分整理得流線方程為：tcyxe流線簇一般不同時刻有不同的流線，稱為流譜，t=0時，流譜為：即：cyxet=0,且過(a,b)的流線為：byxa解(2)對速度分量積分，聯(lián)立得：( , , , )1( , , , )dxxu x y z tdttdyv x y z tydt112xct: yc e解微分方程并消去 得x-2a11t = 0,x = a,y = bc = a,c

17、= b,(a,b)y = be根據(jù)時得因此質(zhì)點(diǎn)的跡線為跡線簇(3) 流線的性質(zhì)：l通過流場內(nèi)的任何空間點(diǎn)，都有一條流線，在整個空間中就有一組曲線族，亦稱流線族l流線是不能相交的，即某一瞬間通過任一空間上，只能有一條流線（否則某一點(diǎn)出現(xiàn)兩個不同速度，與物理事實(shí)矛盾）l在不穩(wěn)定流動下，流線與跡線不重合；穩(wěn)定流動下，流線與跡線重合。(4)流面：流場中的任意曲線(非流線)，過此曲線每一點(diǎn)做流線, 這些流線所構(gòu)成的曲面稱流面。dA曲線L流管：流場中的任意封閉曲線(非流線)，過此曲線每一點(diǎn)做 流線，這些流線所構(gòu)成的管狀曲面稱流管。流管流束或微元流管流管特點(diǎn)：l流管不能相交，不能中斷；l截面面積很小的流管稱

18、流束或微元流管，其極限為流線，可認(rèn) 為界面上速度處處相同，且界面看為平面(5)流量與平均流速流量：單位時間內(nèi)通過某一空間曲面的流體的量稱為流量，分體積流量、質(zhì)量流量。 VnVnAdQdAQdA體 積 流 量 VnVnmmAdQdAQdA質(zhì) 量 流 量1V AQVndAAA平 均 流 速0AVdAdVt V n第二節(jié)第二節(jié)連續(xù)性方程連續(xù)性方程積分形式的連續(xù)性方程奧-高公式：空間封閉區(qū)域V由分片光滑的閉曲面A圍成，函數(shù)P(x,y,z)，Q(x,y,z), R(x,y,z)在V內(nèi)具有一階連續(xù)偏導(dǎo)，則有：dVzRyQxPRdxdyQdxdzPdydzdARQPVAA)()coscoscos(微分形式的

19、連續(xù)性方程幾個基本認(rèn)識：1. 取流場中t時刻以m(x,y,z)為中心的六面體微元控制體；2. 控制體內(nèi)部無源、無匯；3. 控制體足夠小，每個面上的速度和密度可以認(rèn)為均勻相等；( , , )ABCDEFGH,.2222tm(x,y,z)V u v wu dxu dxdxdxuuxxxx假設(shè)時刻處的速度為，密度為 ，三對面上的速度和密度利用多泰勒展開取一階小量，以和面為例，其上速度分別為，密度為分別為，dxdydzdxdydzzzdxdydzyydxdydzxut:/ )w(/ )v(/ )(x質(zhì)量變化量量：方向單位時間凈流入質(zhì)量：方向單位時間凈流入質(zhì)量：方向單位時間凈流入質(zhì)連續(xù)性方程反映質(zhì)量守恒

20、定律這一物理事實(shí)單 位 時 間 流 入單 位 時 間 流 出單 位 時 間 微 元微 元 體 的 質(zhì) 量微 元 體 的 質(zhì) 量體 的 質(zhì) 量 增 量()()()0uvwxyzt注意該項(xiàng)的解釋或推導(dǎo)，其中密度為平均密度的概念()()()0uvwxyzt()()()0uvwxyztuvwuvwtxyzxyzVVtDVD t連續(xù)方程適用條件： 直角坐標(biāo)系中微分形式連續(xù)方程適用于任何流體 的三維、非定常、可壓縮流動特殊流場的連續(xù)方程穩(wěn)定流動：0t()()()0uvwxyz不可壓縮流動：const0uvwVxyz 一維總流的連續(xù)性方程12dAdA工 程 常 見 的 一 維 流 動 ， 流 場 物 理 量

21、 僅 與 一 個 空 間 變 量 有 關(guān) 。同 一 微 小 流 束 的 兩 個 不 同 斷 面 分 別 為和時 ，沿 微 小可 壓 縮流 體穩(wěn) 定 流流 束時 的 連動續(xù) 方 程 為 ：111222u dA =u dA111,u ,dA222,u ,dA12111222AAu dA =u dA 為面A1、面A2上的平均密度， 為面A1、面A2上的平均速度。111222u A =u A可壓縮流體穩(wěn)定流時，沿流程的質(zhì)量流量保持不變,12,12uu課后作業(yè)：課后作業(yè)：1.參考直角坐標(biāo)系連續(xù)方程推導(dǎo)方法，試推導(dǎo)柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系的連續(xù)性方程。2.課本p.43 第3、4 題。第三節(jié) 理想流體的動量傳輸方

22、程(歐拉方程)1.理想流體中的作用力l體積力如重力、慣性力、電磁力等t時刻任一體積為V的流體微團(tuán)，表面積為A，點(diǎn)(x,y,z)處密度為，則該點(diǎn)處的體積力為：1( , , , )dFdFf x y z tdmdV流體微團(tuán)上的總體積力為：( , , , )VFf x y z t dVl表面力如壓力、粘性剪切力等t時刻任一體積為V的流體微團(tuán)，表面積為A，A面上點(diǎn)(x,y,z)處密度為，則該點(diǎn)處的表面力為：( , , , ) nnntdPdPp x y z tp npdAdA流體微團(tuán)表面上的總表面力為：( , , , ) VPp x y z t dA對于靜止或理想(非粘性)流體：( , , , ) n

23、np x y z tp niAVdAdVt VV nVF理想流體動量傳輸方程積分形式理想流體動量傳輸方程微分形式推導(dǎo)maF流場中取出包含點(diǎn)m(x,y,z,t)的微元六面體，根據(jù)牛頓第二定律，X方向上：22xxxxp dxp dxFppdydzf dxdydzxxpfdxdydzxD um adxdydzD t1xD upfD tx111xyzD upfD txD vpfD tyD wpfD tz同理可得：1DVfpDt 課本27頁公式3-30表示方法不準(zhǔn)確！對于x方向的加速度展開有誤！xDuuuuuuvwDttxyz在 方向上：流場中任一點(diǎn)上的應(yīng)力狀態(tài)過流場中M點(diǎn)的三個正交表面上的應(yīng)力矢量分別

24、為,xyzPPP 根據(jù)表面力的性質(zhì)，又可以分解為法向應(yīng)力和切應(yīng)力，而切應(yīng)力可以分解為兩個方向，因此對于M點(diǎn)的應(yīng)力，對應(yīng)有三個法向應(yīng)力和六個切向應(yīng)力：xxyxzxxyyyzyxzyzzzP當(dāng)過M點(diǎn)的三個面很小并趨向于M點(diǎn)時，這九個量表示了M點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：第四節(jié) 實(shí)際流體動量傳輸方程-NS方程亥姆霍茲速度分解-選讀t時刻，流場中包含M0處取一流體微團(tuán)，M0的位置矢徑為 速度為( , , )x y zr000( , , , )( , , , )( , , , )ux y z tv x y z tw x y z t 0Vijk在M0點(diǎn)泰勒展開，略去二階小量得：uuxuyuzxvvxvyvzywwxwy

25、wzz ()Mxyzxyz 00VVVVVVV直角坐標(biāo)系下， 表示為：V亥姆霍茲速度分解（續(xù)）-選讀1 2()1 2()1 2()1 2()1 2()1 2()uxuyvxuzwxvxuyvyvzwywxuzwyvzwz 01 2()1 2()1 2()01 2()1 2()1 2()0uyvxuzwxvxuyvzwywxuzwyvz xxyxzxxyyyzyxzyzzz 000zyzzyz正應(yīng)變率剪切應(yīng)變率渦旋運(yùn)動量實(shí)際流體微元的受力分析FmaX方向上：11()2211()2211()22xxxxxxxxxxyxyxyxyxzxzxzxzxFf dxdydzdxdxdydzxxdydydxd

26、zyydzdzdxdyzzxdumadxdydzdtuVu dxdydzt 因此X方向上：yxxxzxxdufdtxyz同理：yxxxzxxyyxyzyyyzxzzzzdufdtxyzdvfdtyxzdwfdtzxyStokes三個假設(shè)：1. 應(yīng)力張量與應(yīng)變張量成線性關(guān)系；2. 這種線性關(guān)系在流體中是各向同性的；3. 當(dāng)流體靜止時，應(yīng)變?yōu)榱?，流體中的應(yīng)力就是靜壓強(qiáng)；公式 1Stokes通過數(shù)學(xué)演繹法得出可壓縮牛頓流體的本構(gòu)方程（直角坐標(biāo)系）：223223223xxyyzzupxvpywpz VVV()()()yxxyyzzyzxxzuvyxvwzyuwzx代入公式1，在x方向上：2222222

27、2223xxyxzxpuxxxxuvuwyyx yzzx z ； V在x方向上，右邊為：22222222222222222222323xxpuuvuwfxxxyx yzx zpuuuuvwfxxyzxx yx zx VV在x方向上，公式1變?yōu)椋簒V2uu13xdupfudtxx V1313yzdvpfvdtyydwpfwdtzz VV在y,Z方向上：課本p29頁公式有誤！3dpdt VfVV可壓縮、粘性牛頓流體的納維-斯托克斯方程（N-S方程）討論1：當(dāng)流體不可壓縮時（大多數(shù)液體） N-S方程為：0Vdpdt VfV討論2：如果流體無粘性時， N-S方程變?yōu)闅W拉方程：0dpdtVf質(zhì)量 乘加速

28、度 等于壓力( )、粘滯力 、質(zhì)量力 之和。ddtVpV f第五節(jié) 理想和實(shí)際流體的伯努利方程答案：歐拉方程在特定條件下的積分-伯努利方 程，注意積分條件的選擇如何針對具體工程應(yīng)用。問題：如何應(yīng)用歐拉方程解決實(shí)際問題？5.1 無粘、不可壓、定常流動的伯努利方程1. 單位質(zhì)量力（fx,fy,fz）定常有勢，其勢函數(shù)W=W（x,y,z）的全微分為：xyzWWWdWf dxf dyf dzdxdydzxyz2. 流體為不可壓縮流體，即：const3. 流動為定常流動，即：0;0uvwtttt 且流線與跡線重合，即對流線有：,dxudt dyvdt dzwdt理想流體動量守恒方程的積分條件：111xy

29、zd upd xf d xd xd txd vpd yf d yd yd tyd wpd zf d zd zd tz1u d uvd vw d wd Wd p2()02Vpd W22VpWC o n st222VuvwV分別乘dx、dy、dz后三式相加注意對于流線上任意兩點(diǎn)1、22211221222VpVpWW特別對于重力場0,xyzfffg 則d Wg d z 因此重力場中無粘不可壓縮流體伯努利方程為：2211221222pVpVzzgg5.2 有粘、不可壓、定常流動的伯努利方程1. 單位質(zhì)量力（fx,fy,fz）定常有勢，其勢函數(shù)W=W（x,y,z）的全微分為：xyzWWWdWf dxf

30、dyf dzdxdydzxyz2. 流體為不可壓縮流體，即：const3. 流動為定常流動，即：0;0uvwtttt 且流線與跡線重合，即對流線有：,dxudt dyvdt dzwdt有粘流體動量守恒方程的積分條件：xxxd upfud txd vpfvd txd wpfwd tx兩邊分別乘dx,dy,dz相加注意2()2Vd()pd W()u d xvd yw d z 2()02Vpd Wu d xvd yw d z Rd Wu d xvd yw d z 切應(yīng)力在流線微元長度上所做粘性應(yīng)力功：22()022RRpVd WWpVWWC對于重力場中流線上任意兩點(diǎn)1、22211221221()22

31、RRpVpVz gz gWW摩擦阻力損失2211221222whpVpVzzggg粘性、不可壓縮穩(wěn)定流的伯努利方程5.3 伯努利方程的幾何意義和物理意義位置水頭、壓力水頭、速度水頭總稱總水頭；位置水頭和壓力水頭總稱靜水頭；壓力頭表示某點(diǎn)的壓力潛能，即將流體壓升到某一高度的能力；速度水頭表示具有一定速度的流體能夠自由沖上的高度；幾何意義物理意義2211221222wpVpVz gz gh比位能比壓能比動能總比能損失1.無粘不可壓縮穩(wěn)定流場中，單位質(zhì)量流體沿流線 總機(jī)械能守恒；2.有粘不可壓縮穩(wěn)定流場中，單位質(zhì)量流體沿流線總機(jī)械能存在由粘性耗散導(dǎo)致的損失。5.4 實(shí)際流體總流的伯努利方程實(shí)際流體總

32、流的伯努利方程適用條件：流道（流管）中流線之間的夾角很小，流線趨于平行且近似于直線2211221222wpVpVz gz gh12221122111222()()22wAAQpVpVz gV dAz gV dAhdQ流束上的質(zhì)量流量1122V d AV d A連續(xù)性方程12221122111222()()22wAAQpVpVz gV dAz gV dAhdQ221122112222WpVpVz gz gh或221122112222WhpVpVzzggg伯努利方程及其應(yīng)用、動量方程應(yīng)用為學(xué)習(xí)重點(diǎn)和考試重點(diǎn)之一！例：畢托管是用來測量流場中一點(diǎn)流速的儀器，其測量原理如圖所示，試求畢托管測速公式？解：

33、2222112221pgzvpgzv流線上兩點(diǎn)不可壓縮均質(zhì)流體22212122pvpv02v01212ppv21pp02212ppvhgppv22201hgpp20作業(yè)：P43.第5、6、7題第七節(jié) 穩(wěn)定流的動量方程及其應(yīng)用iAVdAdVt VV nVF控制體包含有其他物體時inVAdVp dAtFfR包含物對流體的總作用力簡化：1. 定常流動：AdA V V nF2. A1面流入，A2面流出：212211AAdAdA 222111VVnV VnF3. 不可壓縮流體，且A1、A2面上速度按照平均量計(jì)算：A1面的內(nèi)法線方向21mmQQ 21VVF21mmmQQQ()mQ 21VVF7.1 穩(wěn)定流

34、動的動量方程微元流束1-2的過水?dāng)嗝鏋閐A1、dA2,其上壓強(qiáng)為p1,p2,速度為 , 單位時間后，1-2的流體運(yùn)動到1-2，因而其動量發(fā)生變化。2 21 1212122211ddmdmV dAVdA1MMMVVVV流束1-2在單位時間：質(zhì)量流量總流在單位時間：212211AAdV dAVdA21MVV考慮到斷面上速度的不均勻性，對速度取平均值，并定義動量修正系數(shù)：A2V dAV A2 1V2V2121()mdQMVV此處已換為平均速度矢量取21121()mQ FVV此處為質(zhì)量流量，教材為體積流量物理含義：作用在所研究流體上的外力總和等于單位時間內(nèi)流出與流入控制體的動量之差在直角坐標(biāo)系中：21

35、2121()()()xmymzmFQuuFQvvFQww7.2 穩(wěn)定流動的動量方程應(yīng)用例：射流處在大氣壓下且忽略重力1.證明：V2=V3=V12.求射流對固定壁面的沖擊力A1，V1，Q1V2，Q2V3，Q3?R x解：1.利用伯努利方程在一維分流或匯流中的推廣：第四章 層流與湍流本章任務(wù)：針對實(shí)際流體（有粘流體）的不同流動狀態(tài)分析，解決流體流動過程中的能量損失問題。第一節(jié) 流動狀態(tài)及阻力分類雷諾（雷諾（Osborne Reynolds，18421921，英國工程師兼物理學(xué)家，維，英國工程師兼物理學(xué)家，維多利亞大學(xué)（曼徹斯特）教授）最早詳多利亞大學(xué)（曼徹斯特）教授）最早詳細(xì)研究了管道中粘性流體的

36、流動狀態(tài)及細(xì)研究了管道中粘性流體的流動狀態(tài)及其影響因素。其影響因素。加大流速或減小粘性時HC甘油和水的混合液，可變混合比例涇渭分明層流與層流邊界層 層流：流體質(zhì)點(diǎn)在流動方向上分層流動，各層互不干擾和滲混，流線呈平行狀態(tài)的流動 流態(tài)從層流到湍流的過渡稱為流態(tài)從層流到湍流的過渡稱為轉(zhuǎn)捩轉(zhuǎn)捩。 實(shí)驗(yàn)表明流態(tài)的轉(zhuǎn)捩不是單單取決于某一個流動實(shí)驗(yàn)表明流態(tài)的轉(zhuǎn)捩不是單單取決于某一個流動參數(shù)參數(shù)V ,等，而是取決于無量綱的等，而是取決于無量綱的相似相似組合組合參數(shù)參數(shù)雷諾數(shù)雷諾數(shù)，記為，記為：eVdR0.065eldRl 層流邊界層：層流流場中，從壁面處至流體速度達(dá)到均勻流速度0.99倍處的流體層稱為層流邊界

37、層；l 邊界層厚度：流場中速度達(dá)到0.99倍均勻流速處至壁面的距離；l 邊界層厚度隨入口距離變化；l 層流起始段長度為：湍流與湍流邊界層l 流體質(zhì)點(diǎn)速度在各個方向上具有脈動特點(diǎn)，速度具有瞬時性；l 管內(nèi)湍流流動，流體質(zhì)點(diǎn)具有橫向遷移；l 湍流邊界層包括層流底層、湍流邊界層；l 湍流流動速度分布、流動阻力不同于層流；流動狀態(tài)判別準(zhǔn)則 雷諾數(shù)的物理意義雷諾數(shù)的物理意義：雷諾數(shù)代表作用在流體微：雷諾數(shù)代表作用在流體微團(tuán)上的慣性力與粘性力之比。團(tuán)上的慣性力與粘性力之比。 強(qiáng)制管流的層流和紊流：強(qiáng)制管流的層流和紊流：層流層流2320eR （與入口擾動和管壁與入口擾動和管壁光滑程度相關(guān)光滑程度相關(guān)）紊流紊

38、流13000eR 過渡流過渡流232013000eR 雷諾數(shù)計(jì)算中的特征長度雷諾數(shù)計(jì)算中的特征長度：過水?dāng)嗝妫哼^水?dāng)嗝?潤濕長度潤濕長度對于圓管：直徑；對于圓管：直徑；對于平板：板長對于平板：板長對于圓球繞流：直徑對于圓球繞流：直徑運(yùn)動阻力分類l1.沿程阻力，也叫摩擦阻力對于層流：主要由流層之間粘性摩擦；對于紊流：邊界層內(nèi)粘性摩擦、流體質(zhì)點(diǎn)遷移和脈動；l2. 局部阻力：流動過程中局部障礙產(chǎn)生；局部障礙：流道彎曲、截面變化、限流裝置；第二節(jié) 圓管中定常不可壓縮層流流動圓管中充分發(fā)展層流思路：1.寫出總流伯努利方程；2.據(jù)牛頓粘性定律求出速度分布；220()4fhVrrl速度拋物線規(guī)律分布0222

39、000max()24128rffAAVdAhhVrrrdrrlldAV平均速度為最大速度一半管中層流沿程損失的達(dá)西公式0222000max()24128rffAAVdAhhVrrrdrrlldAV208flhVr沿程損失水頭與平均速度成正比變形為速度水頭（ ）形式：22Vg2642fel VhR dg令 為沿程阻力系數(shù)64eR2222fffl Vhdgl Vphd達(dá)西公式 作業(yè)：p44 第9，10題第三節(jié) 平行平板間的不可壓縮穩(wěn)定層流運(yùn)動dpdt VfV0ddtV問題的前提條件：1.不可壓縮、定常流動；2.無限大平板間層流；公式推導(dǎo)思路：從連續(xù)性方程、N-S方程在特殊情況下的形式進(jìn)行推導(dǎo)。0u

40、x220uzpxpypzg 22d updzl 2122puzC zCl 討論：1.剪切流0p上板以速度u0向右移動0(1)2uzuh應(yīng)用實(shí)例：軸承在高速、小負(fù)荷下轉(zhuǎn)動時潤滑油的間隙流動2. 壓差流00,0pu22()2puhzl2. 壓差流平均速度（板寬為B，忽略y方向上邊界層）2max12233hhQphuuBdzuAhBl水頭損失：22224112222fhpuuhRehghg 作業(yè)p63，第1、6、7題第四節(jié) 圓管湍流運(yùn)動 1. 湍流脈動現(xiàn)象湍流脈動現(xiàn)象湍流最主要的特征是脈動，即使在宏觀穩(wěn)定的湍流中，湍流的主要參數(shù)，如速度、壓力、密度、溫度等，也總要產(chǎn)生脈動，從本質(zhì)上這是一種非穩(wěn)定現(xiàn)象

41、。脈動性是一種隨機(jī)現(xiàn)象，即使保持相同的條件重復(fù)做試驗(yàn)，每次得到的速度脈動曲線也是不相同的，但時均速度曲線大致相同：隨機(jī)現(xiàn)象個別試驗(yàn)的結(jié)果可能沒有規(guī)律性，但大量試驗(yàn)結(jié)果的平均值是有一定規(guī)律的。 2. 速度的時均化速度的時均化速度時均原則：在一段時間內(nèi)，某點(diǎn)處平均速度在一定面積上形成的體積流量等于同時間段內(nèi)真實(shí)速度在同一面積上形成的體積流量。01TVVdtTVVV時均速度脈動速度 定常湍流的概念 在湍流場中，任一點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)的時均值不隨時間變化變化時，稱為定常湍流流動。 3. 水力光滑管和水力粗糙管水力光滑管和水力粗糙管湍流的速度結(jié)構(gòu) （1）粘性底層：靠近管壁的薄層區(qū)域，粘性力起主要作用，速度分布

42、呈線性，速度梯度很大（2）湍流核心區(qū)：中心區(qū)域，粘性的影響逐漸減弱，脈動比較劇烈，速度分布較均勻，完全湍流狀態(tài)；（3）過渡區(qū)：粘性底層與湍流核心區(qū)之間，范圍很小，速度分布接近湍流核心區(qū)管壁的粗糙部分低于粘性底層，粗糙度對湍流核心幾乎無影響，管道近似于完全光滑，稱水力光滑管；水力光滑管；管壁粗糙部分高于粘性底層，粘性底層被破壞，產(chǎn)生漩渦，加劇湍流，增大能量損失，粗糙度對湍流產(chǎn)生直接影響，稱水力粗糙管水力粗糙管。 4. 圓管湍流的速度分布圓管湍流的速度分布湍流流動中的附加切應(yīng)力湍流流動中的附加切應(yīng)力- -雷諾應(yīng)力雷諾應(yīng)力dt時間內(nèi)，經(jīng)微元dA，以v脈動速度沿y軸流入b層質(zhì)量為：mv dAdt該流體

43、質(zhì)量進(jìn)入b層后，立即具有b層的運(yùn)動參數(shù)，從而使其在x方向產(chǎn)生脈動，可看做在x方向的脈動u，從而這一質(zhì)量在b層產(chǎn)生動量變化為： ，亦即該質(zhì)量流體受到的脈動切向力，從而a，b兩層脈動切應(yīng)力為：v dAdt u0v u雷諾切應(yīng)力時均值為v u 湍流流動中總切應(yīng)力為：d uu vd y普朗特混合長度理論普朗特混合長度理論d uu vd y湍流流動的難點(diǎn)轉(zhuǎn)至如何求雷諾應(yīng)力基本思想：把湍流脈動與分子運(yùn)動相類比，因而類似于層流牛頓粘性定律，雷諾應(yīng)力表示為：td ud y湍流粘性系數(shù)混合長度理論關(guān)鍵在于建立雷諾應(yīng)力與時均速度之間的關(guān)系How？ Prandtl引進(jìn)長度l(與分子自由行程相當(dāng)) 假設(shè)：在l距離內(nèi)流

44、體質(zhì)點(diǎn)不與其他質(zhì)點(diǎn)碰撞并發(fā)生動量交換推導(dǎo)過程略，有興趣請進(jìn)一步閱讀參考文獻(xiàn)22d uld y對于管內(nèi)湍流：lkyPrandtl提出假設(shè)，Karman測定近壁處距離壁面的距離22d ud uld yd y或 圓管中的湍流速度分布圓管中的湍流速度分布dudy粘性底層：0uy湍流核心區(qū)：22220dudulkydydy1/201dudyky1/201lnuyCk阻力流速01lnmaxfuuyukr 由于脈動造成的動量交換，中心附近速度平均化5. 湍流管流沿程壓力損失湍流管流沿程壓力損失 沿程壓力損失( , , , , , )pf ud l 平均流速管徑、管長管壁粗糙度理論公式無法得出，由量綱分析法得

45、：22lupd Re,d 形式上與層流的達(dá)西公式完全相同，差異在于沿程阻力系數(shù)22fluhdg或第五節(jié) 沿程阻力系數(shù)的確定尼古拉茨實(shí)驗(yàn)層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)光滑光滑-粗糙過渡區(qū)粗糙過渡區(qū)水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū) 層流區(qū)：粗糙度對阻力系數(shù)無影響，根據(jù)達(dá)西公式確定； 過渡區(qū)：按照水力光滑管或經(jīng)驗(yàn)公式處理； 水力光滑管：根據(jù)雷諾數(shù)，分段處理； 光滑-粗糙過渡區(qū)：經(jīng)驗(yàn)公式處理； 水力粗糙管：尼古拉茨粗糙管阻力系數(shù)公式第七章 相似原理與量綱分析l數(shù)學(xué)分析法物理概念數(shù)理方程邊界條件下求解物理過程研究物理過程研究缺點(diǎn)：復(fù)雜過程很難求解l實(shí)驗(yàn)法物理量直接測量總結(jié)結(jié)果得出規(guī)律缺點(diǎn)：實(shí)際

46、局限很大，精度和手段難以保證 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用模型實(shí)驗(yàn) 問題： 1. 如何設(shè)計(jì)模型及保證模型實(shí)驗(yàn)的條件？ 2. 模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何換算至實(shí)物中去？第一節(jié) 相似概念 相似概念：來源于幾何學(xué)，主要表征空間意義上的相似，即邊界形狀和一切對應(yīng)線性尺寸成比例。llCConstl2lACConstA3lVCConstV 物理現(xiàn)象相似概念：空間相對應(yīng)的點(diǎn)與時間相對應(yīng)的瞬間，表征該現(xiàn)象特征的所有物理量必然各自保持一定的比例關(guān)系：物理相似轉(zhuǎn)化為幾何相似ixiixCx 相似變換 運(yùn)動相似A、B兩質(zhì)點(diǎn)沿幾何相似的路徑做勻速運(yùn)動，速度為： Vl t Vl t系統(tǒng)一： Vl t系統(tǒng)二：相似常數(shù)：VVCVllCllt

47、Ct相似指標(biāo)：VtlC CCC 為了保證物理現(xiàn)象相似，其相似指標(biāo)等于1：1VtlC CCC 在相似系統(tǒng)的對應(yīng)點(diǎn)上，不同物理量組成的量綱為1的綜合數(shù)群的數(shù)值必須相等，該量綱為1的量稱為無量綱量，綜合數(shù)群稱相似準(zhǔn)數(shù)。 除了運(yùn)動相似外，還存在動力相似、時間相似、溫度相似等，均有相應(yīng)的相似常數(shù)存在。第二節(jié) 流動過程中的相似準(zhǔn)數(shù)1. 不可壓縮流動相似準(zhǔn)數(shù)的導(dǎo)出不可壓縮流動相似準(zhǔn)數(shù)的導(dǎo)出 不可壓縮流動中需要滿足的控制方程為連續(xù)性方程與N-S方程，可用來導(dǎo)出不可壓縮流動中的相似準(zhǔn)數(shù)0uvwxyz222222uuuuuuupuvwgtxyzxyzx 系統(tǒng)一：系統(tǒng)二：0uvwxyz222222 uuuuuuup

48、uvwgtxyzxyzxlCllzzyyxx vuvwCuvwtCtC gCgg C pCpp 0uvwxyzvlCC根據(jù)系統(tǒng)一、二的相似變換：系統(tǒng)二的連續(xù)方程變換為：系統(tǒng)二的N-S方程變換為：22222222vrvtlpvgllC CC CCCCC CuuuuuC CvwtxyzuuupxyCzCgx 系統(tǒng)二的控制方程必須與系統(tǒng)一成比例，因此：glplvlvvCCCCCCCCCCCCC22任意數(shù)lvCC且相似指標(biāo)1lvCCC1CCCClv12vpCCC12vlgCCCHolvlvlv Re vllvlvEuvpvpvp 222Frvglvlgvlg 222均時性數(shù)弗勞德數(shù)歐拉數(shù)雷諾數(shù)從一個方

49、程中所能導(dǎo)出的獨(dú)立相似準(zhǔn)數(shù)的個數(shù)等于方從一個方程中所能導(dǎo)出的獨(dú)立相似準(zhǔn)數(shù)的個數(shù)等于方程中不同結(jié)構(gòu)的項(xiàng)數(shù)減程中不同結(jié)構(gòu)的項(xiàng)數(shù)減1.1.vllvHolvvvl2Re2vpEu22vglvglFr整個系統(tǒng)流動過程進(jìn)行時間與流體質(zhì)點(diǎn)通過系統(tǒng)中某一定性尺寸距離所需要的時間的比值重力位能與動能的比值或重力與慣性力的比值流體壓力與慣性力的比值流體慣性力與粘性力的比值2. 相似準(zhǔn)數(shù)的物理意義：相似準(zhǔn)數(shù)的物理意義：第三節(jié) 相似三定律第一定律彼此相似的現(xiàn)象必具有數(shù)值相同的同名相似準(zhǔn)數(shù)定解問題相似l必為同類現(xiàn)象，必須服從自然界中同一基本規(guī)律l必須發(fā)生在幾何相似的空間，并且具有相似的初、邊值條件l描述物性的參量必須具有相似的變化規(guī)律相似定律作用：判定現(xiàn)象是否相似、解決相似現(xiàn)象