流體力學(xué)第二章

流體力學(xué)第二章第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日流體質(zhì)點(diǎn)：是從作為連續(xù)介質(zhì)的流體中取出的宏觀尺度非常小而微觀尺度又足夠大的任意一個物理實(shí)體。它具有5層含義：宏觀尺度非常?。簬缀纬叽缈刹挥?jì)，視為一幾何點(diǎn);微觀尺度足夠大：>>分子的平均自由行程;包含足夠多分子的物理實(shí)體，也稱“微團(tuán)”或“控制體”;形狀可任意劃分；具有一定的物理量，如速度、加速度、壓力和密度等.空間點(diǎn):是一個幾何點(diǎn)，表示空間位置。特點(diǎn)一：空間點(diǎn)是固定不動的，僅僅是一個幾何位置;特點(diǎn)二：同一空間點(diǎn)，不同時刻被不同的流體質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)或經(jīng)過。第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日1．拉格朗日(Lagrange)法2-1描述流體運(yùn)動的方法

拉格朗日法從流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動著手,描述每一個流體質(zhì)點(diǎn)自始至終的運(yùn)動過程.如果知道了所有流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律,那么整個流體的運(yùn)動規(guī)律也就清楚了.是質(zhì)點(diǎn)--時間描述法。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡a,b,c

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t=t0

時刻質(zhì)點(diǎn)所在的空間位置坐標(biāo)，

稱為拉格朗日變量，用來指定質(zhì)點(diǎn)。t

---時間變量。第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日速度:加速度:質(zhì)點(diǎn)位置是t的函數(shù)，對t求導(dǎo)可得速度和加速度：

由于流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡非常復(fù)雜，而實(shí)用上也無須知道個別質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況，所以除了少數(shù)情況外，在工程流體力學(xué)中很少采用拉格朗日法。第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日x,y,z,t--歐拉變量，其中x，y，z與時間t有關(guān)。歐拉法是常用的方法。2．歐拉(Euler)法

歐拉法以考察不同流體質(zhì)點(diǎn)通過固定空間點(diǎn)的運(yùn)動情況來了解整個流動空間內(nèi)的流動情況,即著眼于各種運(yùn)動要素的場分布.流場法,是空間--時間描述法。第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日歐拉法中的加速度--質(zhì)點(diǎn)速度矢量對時間的變化率。三個分量。第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日加速度是流速場的全導(dǎo)數(shù)。全加速度,隨體導(dǎo)數(shù),質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)質(zhì)點(diǎn)的加速度包括兩個部分：（1）當(dāng)?shù)丶铀俣龋〞r變加速度,局地加速度）

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特定空間點(diǎn)處速度對時間的變化率；（2）遷移加速度（位變加速度,對流加速度）

—對應(yīng)于質(zhì)點(diǎn)空間位置改變所產(chǎn)生的速度變化。當(dāng)?shù)丶铀俣冗w移加速度第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日2-2描述流體運(yùn)動的一些基本概念一．恒定流與非恒定流(定常流與非定常流)流場中所有的運(yùn)動要素不隨時間變化流場中有運(yùn)動要素隨時間變化第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、跡線(pathline)跡線：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡線Lagrange法：跡線方程

初始時刻時質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)，積分得該質(zhì)點(diǎn)的跡線方程。第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、流線(streamline)流線：某一時刻處處與速度矢量相切的空間曲線-瞬時性。任一時刻t，曲線上每一點(diǎn)處的切向量都與該點(diǎn)的速度向量相切。流線微分方程：v2v1v3v4第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日跡線與流線的區(qū)別流線的性質(zhì)：對于非定常流場，不同時刻通過同一空間點(diǎn)的流線一般不重合；對于定常流場，流線與跡線重合。流線不能相交（駐點(diǎn)和速度無限大的奇點(diǎn)除外）。流線的走向反映了流速方向，疏密程度反映了流速的大小分布。跡線和流線的區(qū)別：跡線是同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時刻的位移曲線，與Lagrange觀點(diǎn)對應(yīng)；流線是同一時刻、不同流體質(zhì)點(diǎn)速度向量的包絡(luò)線，與Euler觀點(diǎn)對應(yīng)。

第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日例已知平面流動求t=0時，過點(diǎn)M(-1，-1)的流線。解由式得將t=0，x=-1，y=-1代入，得瞬時流線

xy=1,流線是雙曲線。積分后得到：xy第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日2.求跡線將已知速度分布代入式(2.2.1)可得，，上式是一階線性常微分方程，其解為，將給定的初值代入上式，定入積分常數(shù)：，，因此，所求的跡線方程為，，上式消去t得比較式（1）和式（2）可知，非定常流動中跡線和流線是不同的。第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日三．流管,流束、流量和平均流速流管---由流線組成的管狀曲面。流束---流管內(nèi)的流體。例管道內(nèi)、渠道內(nèi)的流動流體可以被當(dāng)成是一個總流。總流------多個流束的集合。過水?dāng)嗝?流量,斷面平均流速過水?dāng)嗝?--與流束或總流流線成正交的斷面。流量---單位時間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴牧黧w體積稱為流量。斷面平均流速第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日四、均勻流與非均勻流

均勻流：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。流線為直線，互相平行，過流斷面面積和流速分布沿流程不變。非均勻流：錄像（均勻流）錄像（非均勻流）問題：何謂均勻流及非均勻流？以上分類與過流斷面上流速分布是否均勻有無關(guān)系？答案：均勻流是指流線是平行直線的流動。

非均勻流是流線不是平行直線的流動。

這個分類與過流斷面上流速分布是否均勻沒有關(guān)系。第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日問題：恒定流、均勻流等各有什么特點(diǎn)？答案：恒定流是指各運(yùn)動要素不隨時間變化而變化，

恒定流時流線跡線重合，且時變加速度等于0。

均勻流是指各運(yùn)動要素不隨空間變化而變化，均勻流的位變加速度等于0。第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日五．一元流,二元流,三元流一元流動

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流動參數(shù)只與一個坐標(biāo)變量有關(guān)。x例二元流動-

流動參數(shù)與兩個坐標(biāo)變量有關(guān)。三元流動(空間流動)--

流動參數(shù)與三個坐標(biāo)變量有關(guān)。第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日2-3連續(xù)性方程一微分形式的連續(xù)方程流入的流體-流出的流體=微元體內(nèi)流體的增加zxyy方向流入的流體-流出的流體x方向流入的流體-流出的流體z方向流入的流體-流出的流體微元體內(nèi)流體的增加連續(xù)性方程第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日連續(xù)性方程對于三維定常流動，對于不可壓縮流體的三維流動(=const.)，對于不可壓縮流體的二維流動(=const.)，矢量表示式物理意義：不可壓縮流體單位時間內(nèi)流入單位空間的流體體積（質(zhì)量），與流出的流體體積（質(zhì)量）之差等于零。適用范圍：理想流體和實(shí)際流體第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日例：第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日例不可壓縮流體平面流動的速度分布為求a,b的值。解由不可壓縮流體二維流動的連續(xù)性方程知道由此得到。第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二積分形式的連續(xù)方程對于任意一個流體系統(tǒng)，質(zhì)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為圖2.3.2微元體積第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日圖2.3.2微元體積第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日關(guān)系式可推廣到任意物理量根據(jù)流體系統(tǒng)的質(zhì)量守恒定律，式（2.3.7）可寫成這就是