流體力學(xué) 章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容

第一章小結(jié)主要內(nèi)容：（1）流體的力學(xué)定義：受任何微小剪切力都能連續(xù)變形的物質(zhì)（2）流體的連續(xù)介質(zhì)模型、不可壓縮模型、理想流體模型連續(xù)介質(zhì)模型：①把流體視為沒(méi)有間隙地充滿所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，物理量：f=f(t,x,y,z)。②流體微團(tuán)（流體質(zhì)點(diǎn)）作為最小研究對(duì)象：1）宏觀上無(wú)限?。?）微觀上足夠大3）有確定物理量；不可壓縮模型：通常情況下液體、流速不高、壓強(qiáng)變化小氣體，如空氣流速小于102m/s，煙道 （常數(shù)）理想流體：（3）流體的壓縮性、膨脹性、粘性流體的壓縮性：①壓強(qiáng)增加體積縮小的性質(zhì)；②壓縮系數(shù)k：?jiǎn)挝粔簭?qiáng)增大體積的相對(duì)減小值

③體積模量K：和流體種類、t、p有關(guān)，工程中水近似取K=2.0GPa 流體的膨脹性：①溫度升高體積增大的性質(zhì)；②體脹系數(shù)： 流體的粘性（黏性）：在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì) 動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度。與流體的種類、t和p有關(guān)。單位為Pa·s，衡量粘性大?。?）作用在流體上的力：表面力、質(zhì)量力1）表面力：作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。按作用方向可分為：法向力（垂直于作用面ΔP），切向力（平行于作用面ΔT）應(yīng)力：?jiǎn)挝槐砻娣e上的表面力， 或Pa法向應(yīng)力，壓強(qiáng)p: 切向應(yīng)力t：2）質(zhì)量力：作用于每一流體質(zhì)點(diǎn)上與質(zhì)量成正比的力，均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力。單位為N。單位質(zhì)量力：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力，單位：m/s2，與加速度單位一致直角坐標(biāo)系最常見(jiàn)的質(zhì)量力有：重力、慣性力第二章小結(jié)重點(diǎn)掌握以下內(nèi)容：（1）流體靜壓強(qiáng)特性：①方向沿作用面的內(nèi)法線方向；②大小與作用面的方位無(wú)關(guān)，即任一點(diǎn)上各方向上的流體靜壓強(qiáng)都相同。即px=py=pz=p（2）流體靜力學(xué)基本方程及其物理和幾何意義，靜壓強(qiáng)的分布基本方程式 可得：1）靜止流體中，p隨h線性變化；2）任一點(diǎn)壓強(qiáng)由兩部分組成：一部分是p0；另一部分是ρgh，氣體，高差不大時(shí)，可忽略；3）Pascal原理:p0任何變化，將以同一數(shù)值沿各個(gè)方向傳遞到流體中每一點(diǎn)。物理意義：z單位重量流體的位置勢(shì)能，單位(J/N,m)；p/rg----壓強(qiáng)勢(shì)能，單位(J/N,m)，連續(xù)均質(zhì)不可壓縮靜止流體中，各點(diǎn)的總勢(shì)能是相等的幾何意義：?jiǎn)挝恢亓苛黧w的能量用液柱高度表示，水頭；z單位重量流體的位置高度、位置水頭(m)；p/rg-------壓強(qiáng)水頭；二者之和為靜水頭、測(cè)壓管水頭（3）靜止液體作用在平板上總壓力大小靜止液體中不存在切向應(yīng)力，則總壓力垂直于作用平面總壓力大小 （yc為形心c到x軸的距離，hc:形心淹深，pce為形心c的計(jì)示壓強(qiáng)）即總壓力相當(dāng)于以平面面積為底，平面形心淹深為高的柱體的液重（4）靜止液體作用在曲面上總壓力，壓力體總壓力大小和方向 方向，總壓力與垂線間的夾角為1）水平分力 2）垂直分力 （Vp稱為壓力體）靜止液體作用在曲面上垂直分力為壓力體液體重量壓力體的概念：壓力體是所在曲面和自由液面所包圍的空間體積，是一個(gè)純數(shù)學(xué)體積計(jì)算式，與壓力體內(nèi)是否充滿液體無(wú)關(guān)。第三章小結(jié)重點(diǎn)掌握以下內(nèi)容：歐拉法 又稱局部法，站崗法，從每一空間點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)著手，來(lái)研究整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。流體質(zhì)點(diǎn)的物理量是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，如流線：表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流動(dòng)趨勢(shì)的曲線，曲線上的每一點(diǎn)速度總是在該點(diǎn)與此曲線相切；歐拉法研究重要概念。流線的性質(zhì)：1）同一時(shí)刻的不同流線，不能相交，奇點(diǎn)和駐點(diǎn)除外；2）流線不能突然轉(zhuǎn)折，是一條光滑的曲線；3）流線簇的疏密反映了速度的大??；4）定常流動(dòng)中，跡線和流線重合。跡線：某一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡，拉格朗日法研究的內(nèi)容定常流動(dòng)，非定常流動(dòng)（按流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系劃分）一維流動(dòng)，二維流動(dòng)，三維流動(dòng)（按流動(dòng)空間坐標(biāo)變量劃分）有效截面：處處與流線相垂直的流束的截面稱為流束的有效截面流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一規(guī)定表面的流體量稱為該表面的流量，分為體積流量(m3/s)和質(zhì)量流量(kg/s)體積流量 質(zhì)量流量 緩變流：流線間的交角很小、流線曲率半徑很大的近乎平行直線的流動(dòng)急變流：流線間的交角較大、流線曲率半徑較小的非平行直線的流動(dòng)平均流速 A為有效截面積濕周：總流的有效截面上，流體同固體邊界接觸部分的周長(zhǎng)，用c(xi)表示水力半徑：總流的有效截面積與濕周之比,用Rh表示 水力半徑與一般圓截面的半徑是完全不同的概念，不能混淆。當(dāng)量直徑：4倍水力半徑為當(dāng)量直徑 一維管內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)性方程定常流動(dòng)截面上密度視為常量，得不可壓縮流體 通常寫(xiě)為分叉流動(dòng)：理想流體伯努利方程的每一項(xiàng)的物理和幾何意義及方程的應(yīng)用理想流體沿流線的伯努利方程前提：理想流體，不可壓縮，定常流動(dòng)，沿同一流線，質(zhì)量力只有重力 或 理想流體沿流線的伯努利方程。對(duì)不同流線有不同的常數(shù)。1）物理意義z代表單位重量流體的位置勢(shì)能，p/rg----壓強(qiáng)勢(shì)能，v2/2g----動(dòng)能，單位均為(J/N,m)理想不可壓縮流體在重力作用下做定常流動(dòng)時(shí)，沿流線上各點(diǎn)的單位重量流體所具有的位置勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之和是常數(shù)。即機(jī)械能是一常數(shù)，但三種能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的一種特殊表現(xiàn)形式。2）幾何意義z代表單位重力流體的位置高度、或位置水頭(m)，p/rg--壓強(qiáng)水頭，v2/2g--速度水頭理想不可壓縮流體在重力作用下做定常流動(dòng)時(shí)，沿同一流線上各點(diǎn)的單位重力流體所具有的位置水頭、壓強(qiáng)水頭和速度水頭之和是常數(shù)。即總水頭保持不變。定常一維管內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)量方程及應(yīng)用動(dòng)量定理：流體系統(tǒng)動(dòng)量的時(shí)間變化率等于作用在系統(tǒng)上的外力的矢量和。適用范圍：1）理想流體、實(shí)際流體的定常流；2）緩變流截面，而過(guò)程可以不是緩變流；3）質(zhì)量力只有重力；4）沿程流量不發(fā)生變化；若變化，則用下式解題步驟：1）選控制體；2）選坐標(biāo)系；3）作計(jì)算簡(jiǎn)圖；4）列動(dòng)量方程解題注意：1）應(yīng)是輸出的動(dòng)量減去輸入的動(dòng)量；2）計(jì)算壓力時(shí)，壓強(qiáng)采用相對(duì)壓強(qiáng)計(jì)算；3）與能量方程及連續(xù)性方程的聯(lián)合使用第五章小結(jié)重點(diǎn)掌握以下內(nèi)容：粘性流體總流伯努利方程的物理意義及應(yīng)用條件總水頭線沿流動(dòng)方向逐漸減少適用范圍：重力作用下不可壓縮粘性流體定常流動(dòng)任意二緩變流的有效截面。取a=1.0，一般寫(xiě)為層流和紊流，Re數(shù)的物理意義及應(yīng)用雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，粘滯力作用強(qiáng)，流體層流；大時(shí)，慣性力占主導(dǎo)，紊流工程取Recr=2000為判別圓管流態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)，即： 是層流， 是紊流非圓形截面管道能量損失的兩種類型：1）沿程損失：發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中，由于流體的粘滯力造成的損失 （達(dá)西公式，l-沿程損失系數(shù)） 2）局部損失：發(fā)生在閥門(mén)、彎管等急變流區(qū)段，由于流體微團(tuán)的碰撞、產(chǎn)生旋渦等造成的損失。 （z-局部損失系數(shù)）水力光滑管和水力粗糙管絕對(duì)粗糙度e：管壁的粗糙凸出部分的平均高度 相對(duì)粗糙度e/d：絕對(duì)粗糙度與管徑d的比值“水力光滑”和“光滑管”： “水力粗糙”和“粗糙管”:局部損失的計(jì)算1、損失原因分析：產(chǎn)生旋渦，流體碰撞管道與大面積的水池相連時(shí)大面積的水池與管道相連時(shí)彎管損失原因：1）切向力造成沿程損失；2）旋渦；3）由二次流形成的雙螺旋流動(dòng)局部損失換算：換算成等值長(zhǎng)度的沿程損失，le表示等值長(zhǎng)度串聯(lián)管道和并聯(lián)管道的水力計(jì)算管道分類簡(jiǎn)單管道：是指管徑、絕對(duì)粗糙度、流速、流量沿程不變，且無(wú)分支的單線管道復(fù)雜管道：是指由兩根以上管道所組成的管路系統(tǒng)長(zhǎng)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于（5%-10%）的沿程水頭損失，因此可予以忽略的管道的局部損失；短管：局部水頭損失和流速水頭不能忽略的管道串聯(lián)管道：由不同直徑或粗糙度的數(shù)段管子連接在一起的管道流量特點(diǎn)： 常數(shù)水頭損失特點(diǎn)：對(duì)A，B列伯努利方程已知qV求H：先求流速，Re再求損失系數(shù)，然后的得H并聯(lián)管道：在某處分成幾路、在下游某處又匯合成一路的管道流量特點(diǎn)： 水頭損失特點(diǎn)：水擊及減弱水擊現(xiàn)象：管道中流動(dòng)一定壓強(qiáng)的液體,閥門(mén)迅速關(guān)閉時(shí),流速突然變小,局部壓強(qiáng)突然升高，產(chǎn)生水擊波，從閥門(mén)處迅速向上游傳播，并在一定條件下反射回來(lái)，形成往復(fù)波動(dòng)，水擊波循環(huán)往復(fù)傳播會(huì)引起管道振動(dòng)。影響粘度的因素：1）流體種類。一般，相同條件下，液體大于氣體；2）溫度。是影響粘度的主要因素。t升高，液體減小，氣體增加原因：a.液體：分子間吸引力是產(chǎn)生的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，所以值減小。b.氣體：氣體分子間距離大，主要是由氣體分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)量交換頻繁，所以值增加。（3）運(yùn)動(dòng)粘度n如何避免或減弱水擊？1）避免直接水擊，間接水擊時(shí)ts盡量大2）采取過(guò)載保護(hù)，設(shè)蓄能器、調(diào)壓塔或安全閥等緩沖3）減低管內(nèi)流速，縮短管長(zhǎng)，使用彈性好的管道等邊界層：在緊靠物體表面的薄層內(nèi)，流速將由零值迅速增加到與來(lái)流速度同數(shù)量級(jí)的大小，這種在大雷諾數(shù)下緊靠物體表面的薄層稱為邊界層。分為兩個(gè)區(qū)：在邊界層和尾渦區(qū)域內(nèi)，必須考慮流體的粘滯力，是粘性流體的有旋流動(dòng)；在邊界層和尾渦區(qū)以外的區(qū)域內(nèi)，粘滯力很小，是理想流體的無(wú)旋流動(dòng)從固體壁面沿外法線到速度達(dá)到勢(shì)流速度的99%處距離為邊界層的厚度，用d表示邊界層的基本特征：厚度很??；速度梯度很大；沿流動(dòng)方向逐漸加厚；邊界層中壓強(qiáng)等于外邊界上的壓強(qiáng)；粘滯力和慣性力同數(shù)量級(jí)；有層流和紊流；邊界層分離條件：1）主流速度足夠大；2）繞流曲面物體；3）增壓減速區(qū)；卡門(mén)渦街：Re數(shù)到60時(shí)，形成幾乎穩(wěn)定的、非對(duì)稱性的、多少有些規(guī)則的、旋轉(zhuǎn)方向相反的交替漩渦，稱為卡門(mén)渦街。減小阻力的措施:減摩擦阻力：使層流附面層盡可能長(zhǎng)，“層流型”，使翼型的最大速度點(diǎn)盡可能后移；減壓差阻力：使附面層分離點(diǎn)盡可能后移，“流線型”，使壓強(qiáng)升高區(qū)盡可能后移。管道水力計(jì)算主要任務(wù)：由流量和允許的壓強(qiáng)損失確定管道直徑和布置由管道直徑、管道布置和流量來(lái)驗(yàn)算壓強(qiáng)損失由管道直徑、管道布置和允許壓強(qiáng)損失，校核流量流線的性質(zhì)：同一時(shí)刻的不同流線，不能相交，奇點(diǎn)和駐點(diǎn)除外；流線不能突然轉(zhuǎn)折，是一條光滑的曲線；流線簇的疏密反映了速度的大小。氣體一維流動(dòng)的前提條件：1）定常流動(dòng)；2）理想氣體；3）完全氣體；4）質(zhì)量力忽略；