流體力學重點概念總結

第一章緒論外表力：又稱面積力，是毗鄰流體或其它物體，作用在隔離體外表上的直接施加的接觸力。它的大小與作用面積成比例。剪力、拉力、壓力質量力：是指作用于隔離體內每一流體質點上的力，它的大小與質量成正比。重力、慣性力流體的平衡或機械運動取決于：1.流體本身的物理性質〔內因〕2.作用在流體上的力〔外因〕流體的主要物理性質：密度：是指單位體積流體的質量。單位：kg/m3。重度：指單位體積流體的重量。單位：N/m3。流體的密度、重度均隨壓力和溫度而變化。流體的流動性：流體具有易流動性，不能維持自身的形狀，即流體的形狀就是容器的形狀。靜止流體幾乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，僅能抵抗壓力。流體的粘滯性：即在運動的狀態(tài)下，流體所產生的阻抗剪切變形的能力。流體的流動性是受粘滯性制約的，流體的粘滯性越強，易流動性就越差。任何一種流體都具有粘滯性。牛頓通過著名的平板實驗，說明了流體的粘滯性，提出了牛頓內摩擦定律。τ=μ(du/dy)τ只與流體的性質有關，與接觸面上的壓力無關。動力粘度：反映流體粘滯性大小的系數，單位：N?s/m2運動粘度：ν=μ/ρ第二章流體靜力學流體靜壓強具有特性1.流體靜壓強既然是一個壓應力，它的方向必然總是沿著作用面的內法線方向，即垂直于作用面，并指向作用面。2.靜止流體中任一點上流體靜壓強的大小與其作用面的方位無關，即同一點上各方向的靜壓強大小均相等。靜力學根本方程:P=Po+pgh等壓面：壓強相等的空間點構成的面絕對壓強：以無氣體分子存在的完全真空為基準起算的壓強Pabs相對壓強：以當地大氣壓為基準起算的壓強PP=Pabs—Pa〔當地大氣壓〕真空度：絕對壓強缺乏當地大氣壓的差值，即相對壓強的負值PvPv=Pa-Pabs=-P測壓管水頭：是單位重量液體具有的總勢能根本問題：1、求流體內某點的壓強值：p=p0+γh；2、求壓強差：p–p0=γh；3、求液位高：h=〔p-p0〕/γ平面上的凈水總壓力：潛沒于液體中的任意形狀平面的總靜水壓力P，大 小等于受壓面面積A與其形心點的靜壓強pc之積。注意：只要平面面積與形心深度不變:1．面積上的總壓力就與平面傾角無關；2．壓心的位置與受壓面傾角無直接關系，是通過yc表現的；3．壓心總是在形心之下，在受壓面位置為水平放置時，壓心與形心重合。作用在曲面壁上的總壓力—水平分力作用于曲面上的靜水總壓力P的水平分力Px等于作用于該曲 面的在鉛直投影面上的的投影〔矩形平面〕上的靜水總壓力，方向水平指向受力面，作用線通過面積Az的壓強分布圖體積的形心。作用在曲面壁上的總壓力—垂直分力作用于曲面上的靜水總壓力P的鉛垂分力Pz等于該曲面上的 壓力體所包含的液體重，其作用線通過壓力體的重心，方向 鉛垂指向受力面。壓力體壓力體體積的組成：〔1〕受壓曲面本身；〔2〕通過曲面周圍邊緣所作的鉛垂面；〔3〕自由液面或自由液面的延伸。壓力體的種類：實壓力體和虛壓力體。實壓力體Pz方向向下；虛壓力體Pz方向向上。帕斯卡原理：靜止不可壓縮流體內任意一點的壓強變化等值傳遞到流體內的其他各點；重力場中靜止流體等壓面的特點〔1〕靜止、同一水平面；〔2〕質量力僅有重力；〔3〕連通；〔4〕連通的介質為同一均質流；第三章流體運動學拉格朗日方法：是以流場中每一流體質點作為描述對象的方法，它以流體個別質點隨時間的運動為根底，通過綜合足夠多的質點〔即質點系〕運動來確定整個流體的流動。----質點系法歐拉法：是以流體質點流經流場中各空間點的運動即以流場作為描述對象研究流動的方法——流場法。流線流線的定義：是表示某一瞬時流體各點流動趨勢的曲線，曲線上任一點的切線方向與該點的流速方向重合。流線的性質：a、同一時刻的不同流線，不能相交。b、流線不能是折線，而是一條光滑的曲線。c、流線簇的疏密反映了速度的大小跡線跡線的定義：是指某一質點在某一時段內的運動軌跡線。層流與紊流層流：亦稱片流，是指流體質點不互相混雜，流體質點作有條不紊的有序的直線運動。層流特點〔1〕有序性。〔2〕水頭損失與流速的一次方成正比Hf=kv。〔3〕在流速較小且雷諾數Re較小時發(fā)生?！?〕層流遵循牛頓內摩擦定律，粘性抑制或約束質點作橫向運動。紊流：是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，質點相互混摻，流體質點沿很不規(guī)那么無序的路徑運動。紊流特點：①無序性、隨機性、有旋性、混合性。②在圓管流中水頭損失與流速的1.75~2次方成正比。Hf=kv1.75~2③在流速較大〔雷諾數較大〕時發(fā)生。4紊流發(fā)生是受粘性和紊動共同作用的結果有壓流與無壓流〔1〕有壓流：流體充滿整個流動空間，在壓力作用下的流動?！?〕無壓流：流體具有與大氣相接觸的自由外表〔未充滿整個流動空間〕，在重力作用下的流動?！?〕滿流：流體充滿整個流動空間?！?〕非滿流：流體為充滿整個流動空間。有旋流和無旋流有旋流：亦稱“渦流”。流體質點〔微團〕在運動中不僅發(fā)生平動〔或形變〕，而且繞著自身的瞬時軸線作旋轉運動。無旋流：亦稱“勢流”、“有勢流”。流體在運動中，它的微小單元只有平動或變形，但不發(fā)生旋轉運動，即流體質點不繞其自身任意軸轉動。恒定流與非恒定流恒定流：是指流場中的流體流動，空間點上各水力運動要素均不隨時間而變化。嚴格的恒定流只可能發(fā)生在層流，在紊流中，由于流動的無序，其實流速或壓強總有脈動，但假設取時間平均流速〔時均流速〕非恒定流：是指流場中的流體流動，空間點上各水力運動要素均隨時間的變化而變化。在非恒定流情況下，流線的位置隨時間而變；流線與跡線不重合。在恒定流情況下，流線的位置不隨時間而變，且與跡線重合。均勻流與非均勻流均勻流——遷移加速度為0均勻流中各過水斷面上的流速分布圖沿程不變，過水斷面是平面，沿程各過水斷面的形狀和大小都保持一樣。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。非均勻流——遷移加速度不等于0的流動非均勻流中流場中相應點的流速大小或方向或同時二者沿程改變，即沿流程方向速度分布不均?！卜蔷鶆蛄饔挚煞譃榧弊兞骱蜐u變流〕。漸變流與急變流漸變流：沿程逐漸改變的流動。特征：1〕流線之間的夾角很小即流線幾乎是平行的〕，同時流線的曲率半徑又很大〔即流線幾乎是直線〕，其極限是均勻流； 2〕過水斷面可看作是平面； 3〕漸變流的加速度很小，所以慣性力很小，可以忽略不計，質量力只考慮重力作用。急變流：沿程急劇改變的流動。特征：1〕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。 2〕急變流的加速度較大，因而慣性力不可忽略。第四章流體動力學根底元流的伯努利方程元流伯努利方程的物理意義與幾何意義z:是元流過流斷面上單位重量流體從某一基準面算起所具有的位能，稱單位位能。p/ρg:是元流過流斷面上單位重量流體所具有的壓能，稱單位壓能。z+p/ρg:是元流過流斷面上單位重量流體從某一基準面算起所具有勢能，稱單位勢能。u2/2g:是元流過流斷面上單位重量流體所具有的動能〔kineticenergy〔1〕物理意義：1〕元流各過流斷面上單位重量流體所具有的機械能〔位能、壓能、動能之和〕沿流程保持不變；2〕也表示了元流在不同過流斷面上單位重量流體所具有的位能、壓能、動能之間可以相互轉化的關系。z是位置水頭；p/ρg是壓強水頭；z+p/ρg是測壓管水頭；u2/2g〔2〕幾何意義：1〕元流各過流斷面上總水頭H(位置水頭、壓強水頭、速度水頭之和)沿流程保持不變。2〕也表示了元流在不同過流斷面上位置水頭、壓強水頭、速度水頭之間可以相互轉化的關系。皮托管測流速常見的皮托管是由裝有一半圓球探頭的雙層套管組成，并在兩管末端聯接上壓差計。探頭端點A處開一小孔與內套管相連，直通壓差計的一肢；外套管側外表沿圓周均勻地開一排與外管壁相垂直的小孔(靜壓孔)，直通壓差計的另一肢。測速時，將皮托管放置在欲測速度的恒定流中某點A，探頭對著來流，使管軸與流體運動的方向相一致。流體的速度接近探頭時逐漸減低，流至探頭端點處速度為零。恒定總流的伯努利方程〔1〕物理意義位〔置勢〕能Z：表示過流斷面上單位重量流體所具有的重力勢能；壓〔力勢〕能p/ρg：表示過流斷面上單位重量的流體所具有的壓力勢能；動能αv2/2g：表示過流斷面上單位重量的流體所具有的平均動能；〔2〕幾何意義 z：稱為斷面位置水頭； p/ρg：稱為斷面壓強水頭；αv2/2g：稱為斷面速度水頭； z+p/ρg：稱為斷面測壓管水頭； z+p/ρg+u2/2g=H：稱為斷面總水頭。這些量都具有長度的量綱[L]，將這些具有水位高度的量稱為水頭。總水頭線：沿流管各總水頭值的連線，是流管坐標的函數。水頭線：沿流管各測壓管水頭值的連線，是流管坐標的函數。水力坡度：單位長度上的水頭損失。測壓管水頭線坡度：單位長度上測壓管水頭的降低或升高。對均勻流動，那么總水頭線與測壓管水頭線平行，即J=JP能量方程〔伯努力方程〕適用條件1〕恒定流動；2〕流體不可壓縮；3〕質量力只有重力作用；4〕兩過水斷面處為均勻流或漸變流；5〕流量沿程不變；6〕兩過水斷面間無能量輸入輸出。第六章流動阻力和水頭損失產生流動阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動。ｈｗ：單位重量流體的平均能量損失稱為水頭損失。沿程阻力和沿程水頭損失：沿程阻力：當限制流動的固體邊界使流體作均勻流動時，流動阻力只有沿程不變的切應力形成的阻力。沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起的水頭損失。沿程水頭損失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，隨流程的增加而增加。局部阻力和局部水頭損失局部阻力：液流因固體邊界急劇改變而引起速度分布的變化，從而產生的阻力稱為局部阻力。局部水頭損失：由局部阻力作功而引起的水頭損失稱為局部水頭損失。局部阻力水頭損失hj：主要是因為固體邊界形狀突然改變，從而引起水流內部結構遭受破壞，產生漩渦，以及在局部阻力之后，水流還要重新調整結構以適應新的均勻流條件所造成的。水頭線圖的繪制方法：1、繪制總水頭線。總水頭線總是沿程下降。在有局部水頭損失的地段，有較集中的下降；在有沿程水頭損失的地段，那么逐漸的下降。在有外加能量的地點，那么有一個集中的上升。2、繪制測壓管水頭線。測壓管水頭線比總水頭線處處低一個流速水頭值。測壓管水頭線可能沿程下降，也可能會升高。3、利用邊界條件作為水頭線的起點和終點。注意：1、理想流動流體的總水頭線為水平線；2、實際流動流體的總水頭線恒為下降曲線；3、測壓管水頭線可升、可降、可水平。4、假設是均勻流，那么總水頭線平行于測壓管水頭線，即J=JP。3、流態(tài)的判別準那么——臨界雷諾數Rec雷諾實驗揭示了水流的兩種流動狀態(tài)：層流和紊流;并測定了流動損失及水流速度與流態(tài)之間的關系?！?〕臨界流速判別：因不同的管徑大小、流體種類和流體溫度，得到的臨界流速不同。〔2〕臨界雷諾數判別：臨界流速v與過流斷面的特性幾何尺寸(管徑)d、流體的動力粘度μ和密度ρ有關，這四個量可以組成一個特征數(量綱一的量或無量綱數)稱雷諾數Re雷諾數的物理意義：雷諾數是以宏觀特征量表征的流體質點所受慣性力與粘性力之比。粘性底層：圓管作湍流運動時，靠近管壁處存在著一薄層，該層內流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流附加切應力可以忽略，速度近似呈線性分布，這一薄層就稱為粘性底層?！搽S雷諾數增大而減小〕紊流核心：粘性底層之外的液流統稱為紊流核心。絕對粗糙度(Δ):粗糙突出管壁的平均高度。相對粗糙度:管壁的絕對粗糙度Δ與管徑ｄ的比值.尼古拉茲實驗1.實驗目的：研究沿程阻力系數λ與雷諾數Re和管壁相對粗糙度Ks/d之間的關系，揭示λ的變化規(guī)律。第1區(qū)——層流區(qū)，=f(Re)。=64/Re，沿程損失與流速的一次方程正比。第2區(qū)——層流轉變?yōu)槲闪鞯倪^渡區(qū)。=f(Re)，范圍較小，一般按水力光滑區(qū)處理。第3區(qū)——水力光滑管區(qū)。紊流狀態(tài)，Re>3000,=f(Re)，水頭損失與流速的1.75次方成比例。第4區(qū)——由“光滑管區(qū)”轉向“粗糙管區(qū)”的紊流過渡區(qū)，=f(Re,/d)。第5區(qū)——水力粗糙管區(qū)或阻力平方區(qū)。=f〔/d〕，水流處于開展完全的紊流狀態(tài)，水流阻力與流速的平方成正比，故又稱阻力平方區(qū)。當量粗糙度把直徑相同、紊流粗糙區(qū)λ值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks定義為該管材工業(yè)管道的當量粗糙。附面層〔邊界層〕：粘度小的流體〔如水和空氣〕繞過物體運動時，摩擦阻力主要發(fā)生在緊靠物體外表的一個流速梯度很大的流體薄層內，粘性影響起主要作用。形狀阻力：指流體繞曲面體或具有銳緣棱角的物體流動時，附面層要發(fā)生別離，從而產生旋渦所造成的阻力。這種阻力與物體形狀有關，故稱為形狀阻力?？ㄩT渦街當Re≈40時黏性流體繞過圓柱體，發(fā)生邊界層別離，在圓柱體后面產生一對旋轉方向相反的對稱旋渦；Re＝40－70對稱旋渦位置已不穩(wěn)定，尾流有周期性振蕩；Re≈90時，旋渦從柱體后部交替釋放出來，形成有規(guī)那么的交錯排列的旋渦組合，這種旋渦具有一定的脫落頻率，稱為卡門渦街.繞流阻力細長流線型物體，以平板為例，繞流阻力主要由摩擦阻力來決定，阻力系數與雷諾數有關;鈍頭曲面物體，以圓柱和圓球為例，繞流阻力既與摩擦阻力有關，又與壓差〔形狀〕阻力有關。在低雷諾數時，主要為摩擦阻力，阻力系數與雷諾數有關。在高雷諾數時，主要為壓差〔形狀〕阻力。第七章孔口、管嘴出流和有壓管流有壓管流：管道中流體在壓力差作用下的流動。有壓管道：輸送有壓液流的管道。有壓恒定管流：當管流的所有運動要素均不隨時間變化的管流。有壓非恒定管流：管流的運動要素隨時間變化的管流?？卓诔隽鳎涸谌萜鞅谏祥_孔，水經孔口流出的水力現象就稱為孔口出流。孔口的分類：根據d/H的比值大小分：大孔口、小孔口大孔口：當孔口直徑d〔或高度e〕與孔口形心以上的水頭高H的比值大于0.1，即d/H>0.1時，需考慮在孔口射流斷面上各點的水頭、壓強、速度沿孔口高度的變化，這時的孔口稱為大孔口。小孔口：當孔口直徑d〔或高度e〕與孔口形心以上的水頭高度H的比值小于0.1，即d/H<0.1時，可認為孔口射流斷面上的各點流速相等，且各點水頭亦相等，這時的孔口稱為小孔口。根據出流條件分：自由出流、淹沒出流自由出流：假設經孔口流出的水流直接進入空氣中，此時收縮斷面的壓強可認為是大氣壓強，即pc=pa，那么該孔口出流稱為孔口自由出流。淹沒出流：假設經孔口流出的水流不是進入空氣，而是流入下游水體中，致使孔口淹沒在下游水面之下，這種情況稱為淹沒出流。根據孔口壁是否對水流運動有影響分為——薄壁孔口與厚壁孔口薄壁孔口：當孔口具有銳緣時，孔壁與水流僅在一條周線上接觸，即孔口的壁厚對出流并不發(fā)生影響，這種孔口稱為薄壁孔口。厚壁孔口：當孔口孔壁與水流接觸具有一定長度，即孔口的壁厚對出流有一定影響時，稱這種孔口為厚壁孔口。根據孔口水頭變化情況分：恒定出流、非恒定出流恒定出流：當孔口出流時，水箱中水量如能得到源源不斷的補充，從而使孔口的水頭不變，此時的出流稱為恒定出流。非恒定出流：當孔口出流時，水箱中水量得不到補充，那么孔口的水頭不斷變化，此時的出流稱為非恒定出流。管嘴出流：在孔口上對接長度為3～4倍孔徑的短管，經此短管并在出口斷面滿流流出的水力現象稱為管嘴出流。按管嘴的形狀可分為：1〕流線形外管嘴：無收縮擴大，阻力系數最小。2〕圓柱形外管嘴：先收縮后擴大到整滿管。3〕圓錐形收縮管嘴：較大出口流速。如：消防用噴嘴。4〕圓錐形擴張管嘴：較大過流能力，較低出口流速。管嘴出流的正常工作條件：1.作用水頭Ho小于等于9m。Ho過大，真空高度過大，空氣從管嘴吸入，不能正常出流。2.管嘴長度l=(3-4)d。l過短，有空氣進入，不能形成真空；l過長，沿程水頭損失不能忽略。在相同水頭H0的作用下，同樣斷面面積的管嘴的過流能力是孔口的1.32倍。結論：圓柱形管嘴收縮斷面處真空度可達作用水頭的0.75倍。這就相當于把管嘴的作用水頭增大了75%，這就是為什么相同直徑、相同作用水頭下的圓柱向外管嘴的流量比孔口大的原因。短管的水力計算有壓管流與無壓流：有壓管流：管道中流體在壓強差作用下的流動稱為有壓管流。有壓管道：輸送有壓液流的管道。有壓恒定管流：當管流的所有運動要素均不隨時間變化的管流。有壓非恒定管流：管流的運動要素隨時間變化的管流。無壓流：流體在重力作用下發(fā)生運動，具有自由外表，也稱明渠流；長管：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，可以忽略的管道。短管：沿程水頭損失和局部水頭損失比例相當，計算時都不可忽略的管道有壓管中的水擊1、水擊現象：在管道系統中，當某種外界因素〔閘閥急速開啟或關閉，水泵的開停機〕使管道流速發(fā)生變化時，從而引起管道中壓強交替升降，壓力波在管道中的傳播，產生水力沖擊的現象。直接水擊：當關閉閥門時間小于或等于一個相長時，最早由閥門處產生的向上傳播而后又反射回來的減壓順行波，在閥門全部關閉時還未到達閥門斷面，在閥門斷面處產生的可能最大水擊壓強將不受其影響，這種水擊稱直接水擊。間接水擊：當關閉閥門時間大于一個相長時，從上游反射回來的減壓波會局部抵消水擊增壓，使閥門斷面處不致到達最大的水擊壓強，這種水擊稱為間接水擊。正水擊：當管道閥門迅速關閉時，管中流速迅速減小，壓強顯著增大，這種水擊稱為正水擊。負水擊：當管道閥門迅速開啟時，管中流速迅速增大，壓強顯著減小，這種水擊稱為負水擊。2、水擊產生的因素：水流慣性，水體壓縮性，管壁彈性是引起水擊現象的力學因素。3、水擊破壞：水擊產生的高壓會導致輸送管道破裂，閘門等管道裝置損壞；水泵與電機的損壞；水擊引起的低壓，產生真空，使薄壁鋼管由失穩(wěn)而扭曲，管中水體汽化發(fā)生斷流，引起彌合水擊水擊危害的預防1、設置空氣室，或安裝具有平安閥性質的水擊消除閥；2、設置調壓塔：減小水擊壓強及縮小水擊的影響范圍；3、延長閥門關閉時間；〔緩