工程流體力學(xué)考試重點(diǎn)-科大

質(zhì)量力：質(zhì)量力是作用于每一流體質(zhì)點(diǎn)〔或微團(tuán)〕上的力，與體積或質(zhì)量成正比。外表力：外表力是作用在所考慮的流體外表上的力，且與流體的外表積大小成正比。外界通過接觸傳遞，與外表積成正比的力。當(dāng)不計(jì)溫度效應(yīng)，壓強(qiáng)的變化引起流體體積和密度的變化，稱為流體的壓縮性。當(dāng)流體受熱時(shí)，體積膨脹，密度減小的性質(zhì)，稱為流體的熱脹性。單位壓強(qiáng)所引起的體積變化率〔壓縮系數(shù)〕。越容易壓縮。。單位溫度所引起的體積變化率〔體積熱脹系數(shù)〕。黏性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。當(dāng)流體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)間或流層間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生切向阻力〔摩擦力〕抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性，稱作流體的黏性。流體的黏性是流體產(chǎn)生流動(dòng)阻力的根源。其中——內(nèi)摩擦力，N；——法向速度梯度，即在與流體方向相互垂直的y方向流體速度的變化率，1/s；——比例系數(shù)，稱為流體的黏度或動(dòng)力黏度，。說明流體層間的內(nèi)摩擦力或切應(yīng)力與法向速度梯度成正比。液體的黏度隨溫度升高而減小，氣體的黏度那么隨溫度升高而增大。液體主要是內(nèi)聚力，氣體主要是熱運(yùn)動(dòng)。溫度：液體的分子間距內(nèi)聚力；氣體的分子熱運(yùn)動(dòng)分子間距內(nèi)聚力。三大模型：1〕連續(xù)介質(zhì)模型；2〕不可壓縮流體模型；3〕理想流體模型。當(dāng)把流體看作是連續(xù)介質(zhì)后，表征流體性質(zhì)的密度、速度、壓強(qiáng)和溫度等物理量在流體中也應(yīng)該是連續(xù)分布的。優(yōu)點(diǎn)：可將流體的各物理量看作是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，從而可以引用連續(xù)函數(shù)的解析方法等數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。流體靜壓強(qiáng)的特性：1〕流體靜壓強(qiáng)的方向垂直指向受壓面或沿作用面的內(nèi)法線方向；2〕平衡流體中任意一點(diǎn)流體靜壓強(qiáng)的大小與作用面的方位無(wú)關(guān)，只與點(diǎn)的空間位置有關(guān)。。全微分方程。在平衡流體中，壓強(qiáng)相等的各點(diǎn)所組成的面稱為等壓面。特性：1〕在平衡流體中，通過任意一點(diǎn)的等壓面，必與該點(diǎn)所受的質(zhì)量力相互垂直。當(dāng)流體處于絕對(duì)靜止時(shí)，等壓面是水平面。2〕當(dāng)兩種互不相溶的液體處于平衡狀態(tài)時(shí)，分界面必定是等壓面。對(duì)于不可壓縮流體，密度是常數(shù)，：不可壓縮流體靜壓強(qiáng)根本議程式的物理意義是：z是單位重量流體對(duì)基準(zhǔn)平面的位能，是單位重量的流體具有的壓力能，單位重量靜止流體的壓力能和位能z之和為一常數(shù)。這是能量守恒定律在靜止流體能量特性的表現(xiàn)。壓強(qiáng)的計(jì)量基準(zhǔn)：以完全真空〔〕為基準(zhǔn)起算的壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓強(qiáng)，用表示。以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)來計(jì)量的壓強(qiáng)稱為相對(duì)壓強(qiáng)，用p表示。絕對(duì)壓強(qiáng)總是正值，而相對(duì)壓強(qiáng)p那么可正可負(fù)。，絕對(duì)壓強(qiáng)和相對(duì)壓強(qiáng)之差是一個(gè)當(dāng)?shù)卮髿鈮?。壓?qiáng)的三種度量單位：1〕用單位面積上的力來表示，即應(yīng)力單位。以壓強(qiáng)的根本定義出發(fā)：Pa〔N/m〕；2〕以大氣壓的倍數(shù)表示。以大氣壓來表示：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm溫度為0℃，海平面上的壓強(qiáng)，即101.325kPa。工程大氣壓at海拔200米處的正常大氣壓1at=1kgf/cm2，1kgf=9.8N；3〕以液柱高度表示壓強(qiáng)。以液柱表示：mH2O,mmH2O或mmHg。液體作用在柱面上水靜壓力的水平分力，其大小等于作用在該柱面在鉛垂平面的投影面上的水靜壓力。水平分力的作用線通過投影面積的壓強(qiáng)中心，方向指向柱面。為平面形心C處的淹沒深度。液體作用在柱面上水靜壓力的鉛直分力等于壓力體內(nèi)液體的重量。合力P的作用線與水平線的夾角為：壓力體：實(shí)壓力體：壓力體abc包含液體體積，垂直分力方向垂直向下。虛壓力體：壓力體abc不包含液體體積，垂直分力方向垂直向上。描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法：1〕拉格朗日法：是以流場(chǎng)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)為根底，通過綜合足夠多的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)而獲得整個(gè)流動(dòng)規(guī)律。2〕歐拉法；是以流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場(chǎng)中各空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即以流場(chǎng)作為描述對(duì)象研究流動(dòng)的方法。歐拉法加速度表達(dá)式：，加速度由兩局部組成：第一局部是由于某一空間點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)的速度隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生的，稱為當(dāng)?shù)丶铀俣?，又稱為時(shí)變加速度，；第二局部是某一瞬時(shí)由于流體質(zhì)點(diǎn)的速度隨空間點(diǎn)的變化而引起的，稱為遷移加速度，又稱為位變加速度，，當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度之和稱為總加速度。恒定流：又稱定常流，是指流場(chǎng)中的流體流動(dòng)時(shí)空間點(diǎn)上各運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。非恒定流：又稱非定常流，是指流場(chǎng)中的流體流動(dòng)空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間的變化而變化的流動(dòng)。流線：是某一瞬時(shí)在流場(chǎng)中所作的一條曲線，在這條曲線上的各流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向都與該曲線相切，因此流線是同一時(shí)刻，不同流體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線?！?〕同一時(shí)刻的不同流線，不能相交；〔2〕流線不能是折線，而是一條光滑的曲線；〔3〕流線簇的疏密反映了速度的大小。均勻流：是指流場(chǎng)中同一條流線各空間點(diǎn)上的流速相同的流動(dòng)，否那么，那么為非均勻流。非均勻流：非均勻流流場(chǎng)中相應(yīng)點(diǎn)的流速大小或方向同時(shí)沿程改變，即沿流程方向速度分布不均勻。漸變流是流速的大小和方向沿流線逐漸改變的非均勻流。兩個(gè)重要性質(zhì)：1〕漸變流過流斷面近似為平面；2〕漸變流過流斷面上的壓強(qiáng)近似按靜壓分布即，C為常數(shù)。急變流是流速的大小和方向沿程急劇改變的流動(dòng)，其特征是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，過水?dāng)嗝娌皇且粋€(gè)平面。根據(jù)流場(chǎng)中各運(yùn)動(dòng)要素與空間坐標(biāo)的關(guān)系，流體運(yùn)動(dòng)又分為一維流動(dòng)、二維流動(dòng)和三維流動(dòng)。假設(shè)流體的運(yùn)動(dòng)要素是三個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間t的函數(shù)，這種流動(dòng)稱為三維流動(dòng)。假設(shè)只是兩個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間t的函數(shù)，就稱為二維流動(dòng)。假設(shè)僅是一個(gè)空間坐標(biāo)和時(shí)間t的函數(shù)，那么稱為一維流動(dòng)。流束：過流體中任一過流斷面上各點(diǎn)作流線，那么得到充滿流管的一束流線簇，稱為流束。在流束中與各流線相鋁直的橫截面稱為過流斷面。〔1〕有壓流動(dòng)：總流的全部邊界受固體邊界的約束，即流體完全充滿流道的流動(dòng)；〔2〕無(wú)壓流動(dòng)：總流邊界的一局部受固體邊界約束，另一局部與氣體或空氣接觸，流體有自由液面的流動(dòng)；〔3〕射流：總流邊界不受固體邊界約束，液流完全與氣體或空氣接觸，形成自由液面的流動(dòng)。流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過渠道、管道等某一過流斷面的通量。體積流量：〔〕；質(zhì)量流量：〔〕。斷面平均流速恒定總流的連續(xù)性方程：。對(duì)于不可壓縮均質(zhì)流體，由于，那么。分流：，匯流：，恒定總流的能量方程：1〕理想流體恒定元流的能量方程：。單位重量理想元流的能量方程式一般表達(dá)式為：。物理意義：z表示單位重量流體所具有的位置勢(shì)能〔簡(jiǎn)稱位能〕，表示單位重量流體所具有的壓強(qiáng)勢(shì)能〔簡(jiǎn)稱壓能〕，表示單位重量流體所具有的總勢(shì)能，表示單位重量流體所具有的動(dòng)能，表示單位重量流體所具有的總機(jī)械能。幾何意義：z表示位置水頭，表示壓強(qiáng)水頭，表示測(cè)壓管水頭〔又稱為靜壓〕，表示速度水頭，表示總水頭〔又稱為全壓〕。理想不可壓縮的元流能量方程的幾何意義說明理想不可壓縮流體在重力作用下作恒定流動(dòng)時(shí)，沿同一流線〔或微元流束〕上各點(diǎn)的單位重量流體所具有的位置水頭、壓強(qiáng)水頭和速度水頭之和保持不變，即總水頭是一常數(shù)。黏性流體恒定總流的能量方程〔伯努利方程〕適用條件：1〕流體是不可壓縮的，流動(dòng)為恒定流；2〕質(zhì)量力只有重力；3〕過流斷面為均勻流或漸變流斷面；4〕兩過流斷面間沒有能量的輸入或輸出，否那么應(yīng)進(jìn)行修正，修正如下：式中，H為單位重量流體流過水泵或風(fēng)機(jī)所獲得的能量〔取“正號(hào)〞〕或流進(jìn)水輪機(jī)失去的能量〔取“負(fù)號(hào)〞〕；5〕假設(shè)流動(dòng)過程中有分流或匯流時(shí)，分別列出斷面1、2及斷面1、3之間的伯努利方程對(duì)于有分流情況：，；對(duì)于有匯流情況：，。注意的問題：1〕弄清題意；2〕選擇適宜的過流斷面；3〕選好基準(zhǔn)面；4〕求解流量時(shí)，一般要結(jié)合一維流動(dòng)的連續(xù)性方程聯(lián)立求解；5〕能量方程的和應(yīng)為同一度量單位，或同為絕對(duì)壓強(qiáng)或同為相對(duì)壓強(qiáng)；6〕過流斷面上的參數(shù)，如速度、壓強(qiáng)和位置高度，應(yīng)為同一點(diǎn)的參數(shù)。靜壓強(qiáng)的兩個(gè)重要特性：1．靜壓強(qiáng)的方向與受壓面垂直并指向受壓面。2．任一點(diǎn)靜壓強(qiáng)的大小和受壓面方向無(wú)關(guān)，或者說作用于同一點(diǎn)上各方向的靜壓強(qiáng)大小相等。等壓面特性：1．在平衡液體中，通過任意一點(diǎn)的等壓面，必與該點(diǎn)所受質(zhì)量力垂直。2．當(dāng)兩種互不相溶的液體處于平衡狀態(tài)時(shí)，分界面必定是等壓面。重力作用下靜壓強(qiáng)根本方程的物理意義：在重力作用下的連續(xù)均質(zhì)不可壓所靜止流體中，各點(diǎn)的單位重力流體的總勢(shì)能保持不變。幾何意義：在重力作用下的連續(xù)均質(zhì)不可壓靜止流體中，測(cè)壓管水頭線為水平線。絕對(duì)壓強(qiáng)：以完全真空為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)。相對(duì)壓強(qiáng)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)。描述液體運(yùn)動(dòng)的兩種方法：拉格朗日法:〔質(zhì)點(diǎn)法〕著眼于流體質(zhì)點(diǎn)歐拉法：〔流場(chǎng)法〕著眼于空間點(diǎn)按各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要素〔速度、壓強(qiáng)〕是否隨時(shí)間而變化，可將流體運(yùn)動(dòng)分為恒定流和非恒定流。恒定流：流動(dòng)參數(shù)均不隨時(shí)間變化的流動(dòng)。特點(diǎn)：流場(chǎng)內(nèi)的速度、壓強(qiáng)、密度等參量只是坐標(biāo)的函數(shù),而與時(shí)間無(wú)關(guān)。當(dāng)?shù)丶铀俣葹榱?。非恒定流：空間各點(diǎn)只要有一個(gè)流動(dòng)參數(shù)量隨時(shí)間變化的流動(dòng)。流線——是指某一瞬時(shí)，在流場(chǎng)中繪出的一條光滑的矢量曲線，其上所有各點(diǎn)的速度向量都與該曲線相切。流線的性質(zhì)：1、流線不能相交，也不能轉(zhuǎn)折，通過流場(chǎng)中的任一點(diǎn)只能畫一條流線2、流線的形狀和疏密反映了某瞬時(shí)流場(chǎng)內(nèi)液體的流速大小和方向，流線密的地方表示流速大，流線疏處表示流速小。流體的流動(dòng)按照它在同一流線上各質(zhì)點(diǎn)的流速矢量是否沿流程變化，可分為均勻流和非均勻流。流場(chǎng)中所有流線是平行直線的流動(dòng)，稱為均勻流，反之稱為非均勻流。按流體的均勻程度的不同又將非均勻流動(dòng)分為漸變流和急變流。凡流線間夾角很小接近于平行線流動(dòng)稱為漸變流，反之稱為急變流。均勻流是流線為彼此平行的直線，應(yīng)具有以下特性：1、過流斷面為平面，且過流斷面的形狀和尺寸沿程不變；2、同一流線上不同點(diǎn)的流速應(yīng)相等，從而各過流斷面上的流速分布相同，斷面平均流速相等；理想不可壓縮的恒定元流能量方程的物理意義沿同一流線〔或微元流束〕上各點(diǎn)的單位重量流體所具有的位勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之和保持不變，即機(jī)械能是一常數(shù)，但位勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能三種能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，幾何意義沿同一流線(或微元流束)上各點(diǎn)的單位重量流體所具有的位置水頭、壓強(qiáng)水頭和速度水頭之和保持不變，即總水頭是一常數(shù)實(shí)際液體總流的總水頭線必定是一條逐漸下降的線，而測(cè)壓管水頭線那么可能是下降的線也可能是上升的線甚至可能是一條水平線。應(yīng)用能量方程式的條件1〕恒定流；〔2〕質(zhì)量力只有重力；(3)不可壓縮流體；〔4〕在所選取的兩個(gè)過水?dāng)嗝嫔?，水流?yīng)符合漸變流的條件，但所取的兩個(gè)斷面之間，水流可以不是漸變流；〔5〕在所取的兩個(gè)過水?dāng)嗝嬷g，流量保持不變，其間沒有流量參加或分出。假設(shè)有分支，那么應(yīng)對(duì)第一支水流建立能量方程式，例如圖示有支流的情況下,能量方程為：〔6〕流程中途沒有能量H輸入或輸出。假設(shè)有，那么能量方程式應(yīng)為：孔口分類：大孔口d/H＞0.1小孔口H/d≤0.1流動(dòng)分類：恒定和非恒定出流出流分類：自由出流和淹沒出流按照底坡進(jìn)行分類順坡：i>0，明槽槽底沿程降低者稱為正坡或順坡。平坡：i=0，明槽槽底高程沿程不變者稱為平坡。逆坡：i<0，明槽槽底沿程增高者稱為反坡或逆坡明渠均勻流的水力特性：1.均勻流過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸沿流程不變?.過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植己蛿嗝嫫骄魉傺亓鞒滩蛔儭?.總水頭線坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，即水流的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。明渠均勻流的形成條件均勻流在水流方向上的重力分量與渠道邊界的摩擦阻力相等，因此只能在正坡渠道才可能形成均勻流1．水流必須是恒定流。2