流體力學教學課件

流體力學REPORTING目錄流體力學基本概念與原理流體靜力學流體動力學基礎黏性不可壓縮流體動力學可壓縮流體動力學基礎非牛頓流體動力學簡介PART01流體力學基本概念與原理REPORTING流體力學定義及研究對象流體力學定義流體力學是研究流體（液體和氣體）靜止和運動狀態(tài)下力學規(guī)律的學科。研究對象包括各種流體介質，如空氣、水、油等，以及流體與固體邊界的相互作用。流體具有易流動性、無固定形狀、連續(xù)介質等特性。流體性質根據流體的不同性質，可分為牛頓流體和非牛頓流體、可壓縮流體和不可壓縮流體等。流體分類流體性質與分類03能量方程描述流體運動中能量守恒的定律，即單位時間內流入和流出控制體的能量差等于控制體內能量的增量。01連續(xù)性方程描述流體運動中質量守恒的定律，即單位時間內流入和流出控制體的質量差等于控制體內質量的增量。02動量方程描述流體運動中動量守恒的定律，即流體微元所受外力之和等于其動量變化率。連續(xù)性方程、動量方程和能量方程描述流體內部相鄰兩層之間因速度梯度而產生的內摩擦力與速度梯度成正比的定律。指流體內部因分子間相互作用而產生的內摩擦力，使流體在流動過程中產生能量損失的現(xiàn)象。牛頓內摩擦定律與黏性現(xiàn)象黏性現(xiàn)象牛頓內摩擦定律PART02流體靜力學REPORTING同一水平面上各點壓強相等同一豎直線上不同高度點壓強與高度成反比不同液體中同一深度處壓強與液體密度成正比靜止流體中壓強分布規(guī)律液體平衡時，作用在液體上的重力、浮力和表面張力等外力必須平衡液體平衡時，液體內部壓強分布滿足靜壓強分布規(guī)律液體平衡時，其自由表面必為水平面重力作用下液體平衡問題計算液體對固體壁面的總壓力時，應先確定壓力體的范圍和形狀，再計算壓力體上各點的壓強，最后對壓強進行積分求和計算液體對固體壁面的平均壓強時，應將總壓力除以作用面積計算液體對固體壁面的壓力中心位置時，可利用力矩平衡原理求解液體對固體壁面作用力計算PART03流體動力學基礎REPORTING一維流動是指流體在管道或通道內沿一個主要方向的運動，忽略其他方向的流動效應。一維流動的基本概念伯努利方程描述了在不可壓縮、無粘性的流體中，速度、壓力和高度之間的關系。它表明在流體流動過程中，速度增加時壓力降低，反之亦然。伯努利方程的物理意義伯努利方程在流體力學中有廣泛的應用，如計算管道中的流量、分析飛行器的升力和阻力、解釋文丘里管的工作原理等。伯努利方程的應用一維流動與伯努利方程應用二維無旋流動的定義二維無旋流動是指流體在二維平面內運動，且其旋度為零，即流體微團不繞自身軸線旋轉。斯托克斯定理的物理意義斯托克斯定理描述了二維無旋流動中流函數(shù)和勢函數(shù)之間的關系。它表明在二維無旋流動中，流函數(shù)和勢函數(shù)滿足拉普拉斯方程，因此可以通過求解拉普拉斯方程得到流場的解。斯托克斯定理的應用斯托克斯定理在二維無旋流動的求解和分析中有重要應用，如計算流體的速度分布、分析流場的穩(wěn)定性和渦旋結構等。二維無旋流動與斯托克斯定理三維勢流的基本概念三維勢流是指流體在三維空間中運動，且其流動可以用勢函數(shù)來描述。在三維勢流中，流體的速度和壓力分布可以通過求解勢函數(shù)的偏微分方程得到。三維勢流理論的物理意義三維勢流理論是描述流體在三維空間中運動的基本理論之一。它基于無粘性、不可壓縮流體的假設，通過求解勢函數(shù)的偏微分方程來得到流場的解，從而可以分析流體的速度、壓力和渦旋等特性。三維勢流理論的應用三維勢流理論在航空航天、船舶工程、水利工程等領域有廣泛的應用。例如，它可以用于分析飛行器的氣動性能、計算船舶的興波阻力、預測水壩的泄流能力等。三維勢流理論簡介PART04黏性不可壓縮流體動力學REPORTING123N-S方程是描述黏性不可壓縮流體運動的基本方程，由動量守恒方程和連續(xù)性方程組成。動量守恒方程表達了流體微元上受到的力與其動量變化率之間的關系，反映了黏性力、壓力和慣性力之間的平衡。連續(xù)性方程表達了質量守恒原理，即流體微元內質量的增加率等于流入該微元的質量流率與流出該微元的質量流率之差。黏性不可壓縮流體運動方程（N-S方程）層流和湍流是黏性流體運動的兩種基本形態(tài)，層流表現(xiàn)為規(guī)則的流動結構，而湍流則表現(xiàn)為不規(guī)則的、混沌的流動結構。判別層流和湍流的方法主要有雷諾數(shù)判別法、流動顯示法和測量法等。其中，雷諾數(shù)判別法是最常用的方法，通過計算雷諾數(shù)的大小來判斷流動狀態(tài)。在工程應用中，層流和湍流的判別對于流動阻力、傳熱傳質等問題的解決具有重要意義。層流與湍流現(xiàn)象及其判別方法邊界層在工程應用中具有重要意義，如飛行器設計中的氣動性能、船舶設計中的阻力問題、管道輸送中的流動阻力等都與邊界層密切相關。通過研究邊界層的性質和行為，可以采取相應的措施來優(yōu)化工程設計，如采用邊界層控制技術來減小流動阻力、提高傳熱效率等。邊界層是指在黏性流體中，緊貼固體壁面的一層很薄的流動區(qū)域，其中流體的速度由壁面上的零值迅速增加到與主流區(qū)速度相同的數(shù)量級。邊界層概念及其在工程中的應用PART05可壓縮流體動力學基礎REPORTING馬赫數(shù)概念及物理意義馬赫數(shù)是流場中某點的速度與當?shù)芈曀俚谋戎?，用于描述流體壓縮性的強弱。臨界現(xiàn)象與臨界馬赫數(shù)當馬赫數(shù)達到一定值時，流場會出現(xiàn)臨界現(xiàn)象，如激波的產生和流動分離等，此時的馬赫數(shù)稱為臨界馬赫數(shù)。聲速定義及影響因素聲速是聲波在介質中傳播的速度，受到介質的密度、溫度等因素的影響。聲速、馬赫數(shù)及臨界現(xiàn)象噴管設計原理及分類噴管設計需考慮流體的可壓縮性和流動狀態(tài)，根據需求可分為亞聲速噴管、超聲速噴管和跨聲速噴管等。噴管性能參數(shù)及優(yōu)化方法噴管性能參數(shù)包括推力、比沖和效率等，優(yōu)化方法包括改變噴管形狀、調整喉道面積和采用先進的流動控制技術等。一維等熵流動基本方程一維等熵流動遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，同時滿足等熵條件。一維等熵流動與噴管設計原理二維超聲速流動基本特征01二維超聲速流動具有強壓縮性、高動壓和低靜壓等特點，流動中可能出現(xiàn)激波、膨脹波和邊界層分離等現(xiàn)象。超聲速流動的數(shù)值模擬方法02數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限元法和譜方法等，可用于分析和預測超聲速流動的復雜現(xiàn)象。超聲速流動的實驗研究手段03實驗研究手段包括風洞實驗、激波管和膨脹管實驗等，可用于驗證理論分析和數(shù)值模擬結果的準確性。二維超聲速流動簡介PART06非牛頓流體動力學簡介REPORTING本構關系描述非牛頓流體應力與應變之間關系的方程，不同于牛頓流體的線性關系，非牛頓流體呈現(xiàn)非線性特性。分類根據應力與應變關系的不同，非牛頓流體可分為時變性非牛頓流體和率變性非牛頓流體兩大類。非牛頓流體本構關系及分類聚合物溶液具有粘彈性，流動時表現(xiàn)出剪切稀化或剪切稠化現(xiàn)象，粘度隨剪切速率變化。血液一種復雜的非牛頓流體，具有粘彈性和觸變性，其流動行為受紅細胞變形、聚集和血漿粘度等因素影響。典型非牛頓流體（如聚合物溶液、血液等）特性分析在鉆井、完井和油氣開采過程中，非牛