一、问答题
1. 什么是流体？什么是流体微团
答：流体：在任何微小剪切力持续作用下连续变形的物质叫做流体（易流动性是命名的由来）。
流体微团(流体质点)：流体微团(流体质点)：在研究流体的机械运动中所取的最小流体单元，它的体积无穷小却又包含无数多个流体分子。
2. 什么是连续介质模型，该模型的引入对流体的研究有何意义？
答：连续介质模型：认为流体是由无数质点（流体微团）组成、质点之间没有空隙、连续地
充满其所占据空间的连续体。
物理意义：将流体看成是连续介质，描述流体运动的各物理要素可用连续函数来表征，
从而利用微积分的方法研究流体的受力和运动规律。
3. 作用在流体上的力分为哪些、表达式，各有何特点？
答：根据力的作用方式不同，作用在流体上的力分为质量力(体积力)和表面力（面积力）。
质量力：是作用在流体每一个质点（或微团）上与受作用流体的质量成正比的力，常采
用单位质量力的坐标分量来表示，
Zk
Yj Xi f ++=
4. 表面力：是作用在所考察的流体（或称分离体）表面上与受作用流体的表面积成正比的
力，常用单位面积上表面力，分为切向力τ（内摩擦力）和法向力p （压强）来表示。
5. 什么是流体的粘性,粘性有何特征？
答：流体的粘性：流体内部相邻质点间或流层间存在相对运动时，在其接触面上会产生内摩
擦力（内力）以反抗（阻碍）其相对运动的性质。
粘性的特征：粘性是流体的固有属性，粘性阻碍或延缓液体相对运动的过程而不能消除，
静止流体的粘性无法表现表现。
6. 牛顿内摩擦定律及其各项含义是什么？描述流体粘性的物理参数及其关系
是什么？
答：牛顿内摩擦定律：dy du /μτ= τ ：单位面积上的内摩擦力；
dy du ：速度梯度，表示速度大小沿垂直于速度方向y 的变化率，单位为s -1； μ ：动力粘度（动力粘滞系数）。单位N /（m 2·s ）或Pa ·s ，表征单位速度梯度时的切应力；
ν ：运动粘度（运动粘滞系数），单位s m 2
，ν =
μ/ρ。
7. 流体力学中所定义的流体力学模型有哪些，各模型的概念、物理意义是什
么？
答：流体力学模型：（1）连续介质模型：将流体认为是充满其所占据空间无任何间隙的质点
所组成的连续体。连续介质模型是对物质结构的简化，使我们不再考虑复杂的
微观分子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动，并且在流体的研究中可以运用连续函数的数学分析工具。
（2）无粘性流体（理想流体）模型：不考虑流体的粘性。无粘性流体（理想
流体）模型是对流体物理性质的简化。
（3）不可压缩流体模型：不考虑流体的压缩性和热涨性，认为其密度为常熟
的流体。不可压缩流体模型是对流体物理性质的简化。
（4）一元流动模型：流场中流体的运动参数仅是空间坐标一个坐标分量的函
数，如元流。
8. 静水压强的定义及其特性，静水压强函数的的表达式及其含义是什么？
答：静水压强定义：作用在静止液体微元面积ΔA 上的静压力ΔP ，与作用面积ΔA 的比值
A
P p ??=
，为平 均静水压强；当面积ΔA 无限缩小到a 点时，其比值的极限值为
a 点的静压强。 特性：（1）静水压强的方向为垂直并指向受作用面（与受作用面的内法线方向一致）；
（2）某点静水压强的大小和受压面方位无关（作用于某点上的静水压强沿各方
向大小都相等）。 静水压强的基本方程：gh P P ρ+=0； P ——液体内某点的压强 ； 0P __自由液面气体压强；
ρ——液体的密度，m
kg
3
；
h ——某点在液面下的深度，m ，
含义：静止液体中任意一点的压强是由液面气体压强和该点在液面下的深度与液体容重乘积两部分之 和所组成。 另一种形式：C g
p
Z =+
ρ（常数） Z ——单位重量流体所具有的位能；
g
p
ρ——单位重量流体所具有的压能； g
p
Z ρ+
——单位重量流体具有的总势能； 含义：同种、连续、静止的均质流体中各点的测压管水头都相等；即单位重量流
体具有的总势能相等。
9. 研究流体运动有哪两种方法？分别论述他们的概念与区别？
答：描述流体运动的方法一般有拉格朗日法和欧拉法两种。
拉格朗日法：研究每个流体质点的运动情况，并通过综合各个流体质点的运动情况获得一定空间内整 个流体的运动规律；实质是利用理论力学中研究质点系运动的方法，又称质点系法（质点追踪法），适用 于云团、台风、波浪等的运动。
欧拉法：研究流场内固定空间点上液体质点的运动情况，又称定点观测法，适用于流
体的一般运动。
10.什么是恒定流，非恒定流？
答：恒定流：流场中各空间点上流体质点的所有运动要素均不随时间变化的流动；
非恒定流：流场中各空间点上流体质点的运动要素随时间变化的流动；
11.什么是流线和迹线，各自有何特点，相互关系如何？
答：流线：是表示某一瞬间液体运动的流速场内流动方向的曲线；
迹线：是某一液体质点运动的轨迹线；
流线特征：1. 流线和迹线相重合。2. 流线不能相交和分支。3. 流线不能突然折转，是一条光滑的连续曲线。4. 流线密集的地方，表示流场中该处的流速较大，稀疏的地方，表示该处的流速较小。
12.什么是随体导数、时变加速度和位变加速度？
随体导数：表示流体质点在欧拉场内（见流体运动学）运动时所具有的物理量对时间的全导数。
位变加速度：同一时刻，不同空间点上流速不同，而产生的加速度。
时变加速度：同一空间点，不同时刻上因流速不同，而产生的加速度。13.分别描述层流与湍流的性质与特点？
层流：流体质点互不掺混，作有条不紊的有序的线性运动。○1有序性：水流呈层状流动，各层的质点互不掺混，质点作有序的线性运动。○2粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。○3在流速较小且雷诺数Re较小时发生水头损失。○4与流速的一次方成正比。
湍流：流体质点相互掺混，局部速度、压力等流动参数在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。○1无序性：流体质点相互掺混，运动无序，运动要素具有随机性。○2耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。○3扩散性：除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和动量传递等扩散特性。○4高雷诺数：湍流运动的规律性同它的随机性是相伴存在的，通过运动参数的时均化，来求得其时间平均的规律性，使流体力学研究湍流运动的有效途径。
14.什么是理想流体、正压流体、外力有势流体？
答：无粘性的流体称为理想流体。
内部任一点的压力只是密度的函数的流体，称为正压流体。
流体的体积或密度的相对变化量很小时，一般可以看成是不可压缩的，这种
流体就被称为不可压缩流体。
质量力有势就是说,质量力的旋度为零
15. 什么是定常场，均匀场，并用数学形式表达？
答：如果一个场不随时间的变化而变化，则这个场就被称为定常场。其数学表达式为：φ=φ(r)
（向量r ）
如果一个场不随空间的变化而变化，即场中不显含空间坐标变量r ，则这个场就被称为均匀场。其数学表达式为：φ= (t)
16. 理想流体运动时有无切应力？粘性流体静止时有无切应力？流体静止时无
切应力，是否无粘性？为什么？ 答：理想流体无粘性，所以无切应力。
粘性流体静止时无切应力，因为dy du /μτ=，静止时为0 不是，粘性是固有属性，只是没有表现出来
17. 作用在流体微团上的力分为哪两种？应力τij 的两个下标分别表示什么含
义？τij 的正负如何规定/
18. 简述流体运动的Helmholtz 速度分解定理，并给出其表达式和物理意义。
19. 什么是流体的速度梯度张量？其对称张量和反对称张量的表达式和物理意
义？
20. 平面上应力和应力张量有什么关系？p nm =p mn 的物理含义是什么？ 21. 粘性流动和理想流动的壁面边界条件分别如何设置？ 22. 流动相似的条件是什么？简述π定理的内容。
23. 怎样判断流动是否有旋？涡度和速度环量有何关系？流动是否有旋与流体
质点的运动轨迹有关系吗？举例说明。
24. 试说明粘性流动的三个基本特征。他们与理想流体运动相比有何不同、 25. 普朗特边界层的基本思想是什么？平板边界层厚度主要受哪些因素影响？ 26. 边界层分离的概念和原因是什么？分离点处的流动特征是什么？
二、选择题
1.随着计算机性能不断完善，容量不断扩大，你认为数值计算方法最终可以替
代（C）
（A）理论分析方法。
（B）实验方法。
（C）都不能。
2.连续介质假设不适用于稀薄气体是因为（B）
（A）稀薄气体的分子数太少，无法取统计平均值；
（B）要达到确定的统计平均值的临界体积与物体相比太大
（C）其他
3.流体内摩擦是两层流体之间的摩擦力，流体与固壁之间的摩擦力属于（B）
（A）外摩擦力；
（B）内摩擦力；
（C）两者都不是。
4.液体（如甘油）加热后粘度减小主要是因为
（a）分子运动加剧；（b）分子平均距离增大；
气体（如空气）加热后粘度增大主要是因为
（a）分子运动加剧；（b）分子平均距离增大。
请选择：（C）
（A） a, a
（B） a, b
（C） b, a
（D） b, b
5.用不可压缩流体的模型分析流动的范围是很广泛的，但下列情况中哪些不符
合不可压缩流体模型：（C）
（A）原油在输油管道中的流动；
（B）压缩空气的低速流动；
（C）锅炉里的水蒸气流动。(锅炉中温度变化大，水蒸气的密度变化大，要考虑其可压缩性)
6.如下线变形速度，角变形速度和旋转角速度的表达式哪项正确：（D）
（A）ε
?
=
?
y
yy
u
y
，εε
?
??
?
==+
?
??
??
1
2
y z
xz zx
u u
z y
，ω
?
??
?
=-
?
??
??
1
2
y x
x
u u
x y
；
（B）ε
?
=
?
z
zz
u
z
，εε
?
??
?
==+
?
??
??
1
2
y x
xy yx
u u
x y
，ω
?
??
?
=+
?
??
??
1
2
y x
z
u u
x y
；
（C）ε
?
=
?
z
zz
u
z
，εε
?
??
?
==+
?
??
??
1
2
y x
xy yx
u u
x y
，ω
??
??
=-
?
??
??
1
2
z x
z
u u
x y
；
（D）ε
?
=
?
x
xx
u
x
，εε
?
??
?
==+
?
??
??
1
2
y z
yz zy
u u
z y
，ω
?
??
?
=-
?
??
??
1
2
y x
z
u u
x y
；
7.理想流体沿流线的伯努力方程的使用条件：（C）
（A）定常，不可压；
（B）定常，不可压，仅质量力；
（C）定常，不可压，仅质量力，元流；
（D）定常，仅质量力，元流；
8.定常不可压圆管层流和无限大平板流动最大速度与平均速度的比值分别是：
（B）
（A）2，2；
（B）2，1.5；
（C） 1.5，1.5；
9.下列哪些仪器设备是伯努力方程的直接应用：（D）
（A）毕托管。
（B）文丘里流量计。
（C）拉法尔喷管。
（D）A和B都是。
10.下列哪项对湍流运动的描述是不正确的：（D）
（A）质点的运动轨迹极不规则，各层质点相互掺混，呈现一种杂乱无章的状态。
（B ） 质点运动速度可以表示为平均速度和脉动速度之和。 （C ） 质点运动的脉动速度在时间足够长的范围内积分，积分值为0。 （D ） 质点运动的平均速度在时间足够长的范围内积分，积分值为
0。
三、证明题
1. 推导rot rot a=grad div a –Δa
2. 推导 div rot φ=Δφ
3. 根据质量守恒推导连续性方程
4. 从不可压流动的N-S 方程出发，推导平板定常不可压二维层流的普朗特边界
层方程
不可压流动的N-S 方程：
2+dV F p V dt ρρμ=-??
5.进行圆管中的流体摩擦实验时，发现圆管中沿轴线的压降Δp 是流速u，密
度ρ，粘性系数μ，管长l，管径d 及管壁粗糙度 k 的函数。试用量纲分
析法证明Δp=λl
d 1
2
ρu2,其中，λ=λ(k,Re)为无量纲系数。
6. Re 数是流速v ，物体特征长度L ，流体密度ρ及流体动力粘度μ这四个物
理量的综合表达式，使用π定理推出Re 数的表达式。已知Re 数与流速v 成正比例关系。
四、计算题
1. 已知23xy yz ?=+，求点M （2，-1，1）处沿向量22l i j k =+-的方向导数 方向导数：2cos 3x s α?=
=?；2cos 3z s γ?==?；1cos 3
z s γ?==-? cos cos cos s x y z
????
αβγ????=++????= =2332211(2)(3)3333
y xy z yz ++-=- 2. 设流场的速度分布为2222
224;x y y y
u t u x y x y
=-
=++，求t=0时刻，点M （1，1）处流体质点的加速度。 [解]：（1）局部加速度： a =4y
x u u u i t t t
???=+=??? （2）质点的加速度：
222
2
22
42(2)
4()()3x y x y du u u x u y u u u a u u dt t x t y t t x y
xy x y i u u x y x y i j ????????=
=++=++????????-=++++=-
3. 已知：流场速度分布为：22;3;2x y z u x y u y u z ==-=，求空间点M （1，2，3）
处流体质点的加速度。
4. 在直角坐标系下，,,0u x t v y t w =+=+=，求流线和迹线。 [解]：解:由速度场知其是二维流场，那么二维流线方程为：dx dy
u v
=
即：
dx dy
x t y t
=
++ 这里将t 视为常数，于是有：ln()ln()x t y t c +=++ 即：()ln
()x t c y t +=+ 亦即：1x t
c y t
+=+ 于是流线族方程为：1
2x t
c y t z c +?=?+??
=???
由二维的迹线方程得：0dx
u x t
dt dy v y t dt dz w dt
?===???==+???==?? 解得迹线族方程为：231()1()1()t
t x c e t t y t c e t z t c ?=--??=--??=??
5. 有一个二维流动，假定流体是不可压缩的，其速度分量为
2222
;x y
x y u u x y x y =-
=-++ 试问：（1）流动是否满足连续性方程 （2）流动是否无旋？ [解]： 1）由题意得：
22
222
()x u y x x x y ?-=-?+，
22
222
()y
u x y y x y ?-=-?+
将上述结果带入二维不可压流动的连续性方程
0y
x u u x y
??+=??，得到： y x u u x y ??+=??-22
222
()y x x y -+-22
222()
x y x y -+= 0
故该流动满足连续性方程。 2）由题意得：
该流体流动的旋度为：
0rotu =(
)()()y y x x x z x y z u u u u u u
rotu e e e y z z x x y
??????=-+-+-?????? 由题意知：该流体流动为二维流动，故Z 方向上分量为
0，将22
2
22
()x u y x x x y ?-=-?+，
22
222
()y
u x y y x y ?-=-?+带入上式，得：0rotu =，
故该流体流动为无旋。
6. 已知流体通过漏斗是的速度分布用柱坐标为
2
10:0,,021,0,,0
2r z r z
r a v v r v a r a v v v r
θθωω?
≤≤===????>===?? 求涡量rotV Ω=，并说明什么区域是有旋的，什么区域无旋。
7. 带有自由面的不可压缩流体在倾斜平板上由于重力作用而发生运动。设：平
板无限大，与水平面的夹角为θ，流体的深度为h
，作定常层流运动。求：
A y dy du
x +=μπ速度分布、平均流速及作用在平板上的摩擦力。
8. 如图， 水平放置的两块平行无穷平板间有厚度为a ，b ，粘性系数为μa ，μ
b 的不想混的不可压缩流体，作平行于平板的定常层流运动。试求：速度沿厚度方向的分布；两层流体在界面上的切应力。（设沿流动方向上的压力梯度为常数）
[解]：定常、层流、水平流动控制方程：
010x x u x p v u x ρ??
=???
?
??=-+????
01x
x u x
p u x μ??=????
???=???
0x
x u x u πμ??=????
??=??
22
x d u dy π
μ= a 层流动 2
112a a
u y A y B πμ=++
b 层流动 2
222b b
u y A y B πμ=++ 边界条件：
1
1
002
2000
0b
y a y a b b a y b y b b a
b a y b y b u A
u B u u A du du B dy dy μμ==+=-=+=-=+=?
??=?????=???????=??
9. 如图所示，均匀来流以速度u 0流过无限薄平板，在平板上形成了层流边界层，
假设边界层内任意断面上的速度分布u x 与y 的函数关系为三次多项式，试计算边界层厚度δ（x ）的近似解表达式。（提示：该平板层流边界积分形式的动量方程为00()w x x d u u u dy dx
δ
τρ
=-?，其中w τ为平板壁面切应力）
解：设u x =a+by+cy 2+dy 3
边界条件：y=0, u x =0; y=δ, u x = u 0
0==δ
y x
dy
du
02
2==δ
y x
dy u d
由此，得 a=0, b=δ
3u , c=2
3δu -
, d=
3
δu
故，33
22
x 33y u y u y u u δ
δ
δ
+
-
=
-----------(*)
?-=δ
ρτ00)(dy u u u dx d
x x w
将（*）代入上式，得：dx
ds u w 20283ρτ= 故2
)(328u x
w x ρτδ=
10. 拉格朗日变数（x0,y0,z0）给出的流体运动规律：
2222000,(1),(1)t t x x e y y t z z e t -==+=+，
求：（1）以欧拉变数描述的速度场 （2）流动是否为定常流 （3）流体的加速度
11. 设有一定常流动，速度分布为2,2,u y z v x z w x y =+=+=+，
求：速度梯度张量、变形速率张量，应力张量（提示：用本构关系求解） 12. 已知：粘度为 μ的流体在半径为 R 的圆管中做定常层流，流量为Q 。设在
圆管截面上轴向速度是抛物线分布：22
2
2()Q u R r R
π=-。（如下图所示）
求：管壁的粘性切应力w τ和管轴上的粘性切应力0τ
流体力学试卷 一、名词解释(共10小题，每小题4分，共40分) 1、流体力学 2、连续介质基本假设 3、理想流体 4、牛顿内摩擦定律 5、动量定律 6、流线和迹线 7、恒定流 8、层流和紊流 9、水击（锤）现象 10、明渠底坡 二、简答题(共5小题，每小题5分，共30分) 1、简述毕托管测流速的原理 2、雷诺数及其物理意义 3、简述水在土壤中的状态 4、试简述理想液体恒定元流的能量方程z+常数γ=+g v p 22 各项的物理意义 5、简述曲面边界层的分离现象 6、堰流的类型 五、计算题(共3小题，每小题10分，共30分) 1、闸门AB 曲面为一圆柱形的四分之一，半径r=2.0m ，垂直纸面的宽度b=1.0m ，水深H=4.0m ，闸门曲面左侧受到水压力。求作用在闸门AB 曲面上的水平分力和铅直分力。 2、某矩形断面排水沟，采用浆砌块石衬砌，粗糙系数n=0.025，底宽1.5m ，全长1000m ，进出口底板高差为0.4m ，计算水深为1.0m 时输送的明渠均 匀流流量。 3、如图闭合并联管路，用旧铸铁管从A 向B 输水，已知d1=150mm ，l 1=800m ； d2=150mm ，l 2=500m ；d3=200mm ，l 3=1000mm ；总流量Q=100L/s ，求分支路上的流量Q1、Q2、Q3及AB 间损失水头。 一、名词解释(本大题共10小题，每小题4分，共40分)
1、流体力学：是力学的分支（1分），主要研究流体在各种力的作用下，流体本身的运动规律（1分），以及流体与固体壁面、流体与流体间由于存在相对运动时的相互作用（2分）。也即研究流体的机械运动规律。 2、连续介质基本假设：流体力学研究流体的宏观运动规律，对流体的宏观运动（1分），假设流体是由无数质点组成的、没有空隙的连续体（1分），并认为流体的各物理量的变化随时间和空间也是连续的（1分），可应用高等数学中的连续函数来表达流体中各种物理量随空间、时间的变化关系（1分）。 3、理想流体：是流体力学中一个重要假设模型（或流体物理性质的简化）（1分），即流体分子间不存在内聚力（3分）。 4、牛顿内摩擦定律：流体的内摩擦力T（切向力）与流层间的接触面面积A和流层的速度梯度du/dy或变形率成正比（2分），即T=μAdu/dy，μ称为流体动力粘性系数（2分）。 5、动量定律 作用于物体的外力∑F等于该物体在力作用方向上的动量变化率。 6、迹线和流线：迹线：某一流体质点的运动轨迹，是运动的流体质点在不同时刻所占据的空间位置的连线（2分）。流线：是描述流场中各质点瞬态流动方向即速度方向的的曲线（2分）。 7、恒定流：描述流体质点运动的所有参数仅仅是空间坐标（x、y、z）的函数，而与时间 t无关。（或流场中任意空间位置上运动参数或物理量都不随时间而改变，即对时间的偏导数等于零。） 8、层流和紊流：层流：流体质点无横向脉动，质点互不混杂，层次分明，稳定安详的流 动状态（2分）。 紊流：流体质点不仅在轴（纵）向而且在横向均有不规则脉动速度，流体质点杂乱交错的混沌流动状 态（2分）。 9、水击（锤）现象：在有压管道流中（1分），由于某种原因（如阀门突然启闭、换向阀 突然变换工位等），使流体速度突然发生变化（动量发生变化）（1分），从而引起流体压强的突然变化、升压和降压交替进行的水力现象（1分），对于管壁和阀门的作用如锤击一样，也称为水锤（1分）。 10、明渠底坡：明渠渠底与水平线的夹角的正弦值，即流体质点的落差与相应渠长（质点 路径）的比值，i=sinθ=Δz/l。（或单位渠长上的渠底高差。） 11、流体质点：是研究流体宏观运动规律的最小基本单元，具有宏观足够小、微观足够大的性质。一方面，流体质点的尺度比起所研究问题的宏观尺度足够的小，从宏观上可以认为是一个几何上没有体积的点；另一方面，从微观上看，该特征体积远远大于流体分子间的间距，可容纳足够多的流体分子，个别分子运动参数的变化不影响这群分子运动参数的平均值，而不表现其随机性。 二、简答题(本大题共4小题，每小题5分，共20分) 1、简述毕托管测流量的原理（P39） 2、雷诺数及其物理意义。
D D y S x e P gh2 gh1 h2 h1 b L y C C D D y x P hc 第一章 绪论 单位质量力： m F f B m = 密度值： 3 m kg 1000=水ρ， 3 m kg 13600=水银ρ， 3 m kg 29.1=空气ρ 牛顿内摩擦定律：剪切力： dy du μ τ=， 内摩擦力：dy du A T μ= 动力粘度： ρυ μ= 完全气体状态方程：RT P =ρ 压缩系数： dp d 1dp dV 1ρρκ= -=V （N m 2 ） 膨胀系数：T T V V V d d 1d d 1ρρα - == (1/C ?或1/K) 第二章 流体静力学+ 流体平衡微分方程： 01;01;01=??-=??-=??- z p z y p Y x p X ρρρ 液体平衡全微分方程：)(zdz ydy xdx dp ++=ρ 液体静力学基本方程：C =+ +=g p z gh p p 0ρρ或 绝对压强、相对压强与真空度：a abs P P P +=；v a abs P P P P -=-= 压强单位换算：水银柱水柱mm 73610/9800012 ===m m N at 2/101325 1m N atm = 注： h g P P →→ρ ； P N at →→2m /98000乘以 2/98000m N P a = 平面上的静水总压力：（1）图算法 Sb P = 作用点e h y D +=α sin 1 ) () 2(32121h h h h L e ++= ρ 若01 =h ，则压强为三角形分布，3 2L e y D == ρ 注：①图算法适合于矩形平面；②计算静水压力首先绘制压强分布图， α 且用相对压强绘制。 （2）解析法 A gh A p P c c ρ== 作用点A y I y y C xc C D + = 矩形12 3 bL I xc = 圆形 64 4 d I xc π= 曲面上的静水总压力： x c x c x A gh A p P ρ==；gV P z ρ= 总压力z x P P P += 与水平面的夹角 x z P P arct an =θ 潜体和浮体的总压力： 0=x P 排浮gV F P z ρ== 第三章 流体动力学基础 质点加速度的表达式??? ? ? ? ??? ??+??+??+??=??+??+??+??=??+??+??+??=z u u y u u x u u t u a z u u y u u x u u t u a z u u y u u x u u t u a z z z y z x z z y z y y y x y y x z x y x x x x A Q V Q Q Q Q Q G A = === ? 断面平均流速重量流量质量流量体积流量g udA m ρρ 流体的运动微分方程： t z t y t x d du z p z d du y p Y d du x p X = ??-=??-=??- ρρρ1;1;1 不可压缩流体的连续性微分方程 ： 0z u y u x u z y x =??+??+?? 恒定元流的连续性方程： dQ A A ==2211d u d u 恒定总流的连续性方程：Q A A ==2211νν 无粘性流体元流伯努利方程：g 2u g p z g 2u g p z 2 2 222 111++=++ρρ 粘性流体元流伯努利方程： w 2 2222111'h g 2u g p z g 2u g p z +++=++ρρ
计算流体力学课程总结 计算流体动力学(computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值 计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支。 流体力学和其他学科一样，是通过理论分析和实验研究两种手段发展起来的。很早就已有理论流体力学和实验流体力学两大分支。理论分析是用数学方法求出问题的定量结果。但能用这种方法求出结果的问题毕竟是少数，计算流体力学正是为弥补分析方法的不足而发展起来的。计算流体力学是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域。 计算流体力学的任务是流体力学的数值模拟。数值模拟是“在计算机上实现的一 个特定的计算，通过数值计算和图像显示履行一个虚拟的物理实验——数值实验“。 数值模拟包括以下几个部分。首先，要建立反映问题(工程问题、物理问题等)本质数 学模型。其次，数学模型建立以后需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。再次，在确定了计算方法和坐标系统后，编制程序和进行计算式整个工作的主体。最后，当计算工作完成后，流畅的图像显示是不可缺少的部分。 还有一个就是CFD的基本思想问题，它就是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通 过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求 解代数方程组获得场变量的近似值。 经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于 对控制方程的离散方式。根据离散的原理不同，CFD大体上可分为三个分支： ?有限差分法(Finite Different Method，FDM) ?有限元法(Finite EIement Method，FEM) ?有限体积法(Finite Volume Method，FVM) 有限差分法是应用最早、最经典的CFD方法，也是最成熟、最常用的方法。它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的 导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分万程组 的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题 的近似数值解法。
例 1：用复式水银压差计测量密封容器内水面的相对压强，如图所示。已知：水面高程 z0=3m,压差计各水银面的高程分别为z1=0.03m, z 2=0.18m, z 3=0.04m, z 4=0.20m,水银密度ρ13600kg / m3，水的密度ρ 1000kg / m3。试求水面的相对压强p0。 解： p0γ(z0 z1 ) γ'( z2z1) γ'(z4z3 ) p a p0γ'(z2z1 z4z3 ) γ(z0 z1 ) 例 2：用如图所示的倾斜微压计测量两条同高程水管的压差。该微压计是一个水平倾角为 θ的Π形管。已知测压计两侧斜液柱读数的差值为L=30mm，倾角θ=30 °，试求压强差p1– p2。 解：p1γ(z3z1 )γ(z4z2 ) p2p1p2γ(z3z4 )γL sinθ 例 3：用复式压差计测量两条气体管道的压差（如图所示）。两个U形管的工作液体为水银， 密度为ρ2，其连接管充以酒精，密度为ρ 1 。如果水银面的高度读数为z1、 z 2、 z 3、z4，试求压强差p A– p B。
解：点 1 的压强： p A点2的压强： p2p Aγ2( z2z1 ) 点 3的压强： p3 p Aγ2( z2z1 )γ1( z2 z3 ) p4p Aγ2( z2z1 ) γ1(z2z3 ) γ2( z4z3 ) p B p A p Bγ2(z2 z1 z4z3 ) γ1( z2z3 )例 4：用离心铸造机铸造车轮。求A-A 面上的液体总压力。 解：p 1 2r2gz C p 1 2r2gz p a 22 在界面 A-A 上： Z = - h p 1 2r2gh p a F( p p a ) 2 rdr 21 2 R41 ghR2 R 2082 例 5：在一直径 d = 300mm，而高度 H= 500mm的园柱形容器中注水至高度h1 = 300mm， 使容器绕垂直轴作等角速度旋转。如图所示。 (1) 试确定使水之自由液面正好达到容器边缘时的转数n1； (2)求抛物面顶端碰到容器底时的转数 n2，此时容器停止旋转后水面高度 h2将为多少？ 解： (1)由于容器旋转前后，水的体积不变( 亦即容器中空 气的体积不变 ) ，有：图1d 2L1 d 2 (H h1 ) 424 L 2( H h1 ) 400 mm0.4 m 在 xoz 坐标系中，自由表面 2 r 2 1 的方程：z0 2g 对于容器边缘上的点，有： d 0.15m z0 r 2 2gz0 2 9.80.4 r 20.152 ∵ 2 n / 60L0.4m 18.67( rad / s) n1 606018.67 2 178.3 (r / min) 2 (2) 当抛物面顶端碰到容器底部时，这时原容器中的水将被甩出一部分，液面为图中2
流体力学知识点总结 第一章 绪论 1 液体和气体统称为流体，流体的基本特性是具有流动性，只要剪应力存在流动就持续进行，流体在静止时不能承受剪应力。 2 流体连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的，内部无空隙的连续体来研究。 3 流体力学的研究方法：理论、数值、实验。 4 作用于流体上面的力 （1）表面力：通过直接接触，作用于所取流体表面的力。 作用于A 上的平均压应力 作用于A 上的平均剪应力 应力 法向应力 切向应力 （2）质量力：作用在所取流体体积内每个质点上的力，力的大小与流体的质量成比例。（常见的质量力：重力、惯性力、非惯性力、离心力） ΔF ΔP ΔT A ΔA V τ 法向应力 周围流体作用 的表面力 切向应力 A P p ??=A T ??=τA A ??=→?lim 0δA P p A A ??=→?lim 0为A 点压应力，即A 点的压强 A T A ??=→?lim 0τ 为A 点的剪应力 应力的单位是帕斯卡（pa ），1pa=1N/㎡，表面力具有传递性。 B F f m =2m s
单位为 5 流体的主要物理性质 （1） 惯性：物体保持原有运动状态的性质。质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。 常见的密度（在一个标准大气压下）： 4℃时的水 20℃时的空气 （2） 粘性 牛顿内摩擦定律： 流体运动时，相邻流层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即 以应力表示 τ—粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。由图可知 —— 速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度） 粘度 μ是比例系数，称为动力黏度，单位“pa ·s ”。动力黏度是流体黏性大小的度量，μ值越大，流体越粘，流动性越差。 运动粘度 单位：m2/s 同加速度的单位 说明： 1）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。 2）液体 T ↑ μ↓ 气体 T ↑ μ↑ 3 /1000m kg =ρ3 /2 .1m kg =ρdu T A dy μ=? h u u+du U y dy x dt dr dy du ?=?=μμτdu u dy h =ρμ ν=
第一章绪论 1.工程流体力学的研究对象：工程流体力学以流体（包括液体和气体）为研究对象，研究流体宏观 的平衡和运动的规律，流体与固体壁面之间的相互作用规律，以及这些规律在工程实际中的应用。 第二章流体的主要物理性质 1.★流体的概念：凡是没有固定的形状，易于流动的物质就叫流体。 2.★流体质点：包含有大量流体分子，并能保持其宏观力学性能的微小单元体。 3.★连续介质的概念：在流体力学中，把流体质点作为最小的研究对象，从而把流体看成是： 1)由无数连续分布、彼此无间隙地； 2)占有整个流体空间的流体质点所组成的介质。 4.密度：单位体积的流体所具有的质量称为密度，以ρ表示。 5.重度：单位体积的流体所受的重力称为重度，以γ表示。 6.比体积：密度的倒数称为比体积，以υ表示。它表示单位质量流体所占有的体积。 7.流体的相对密度：是指流体的重度与标准大气压下4℃纯水的重度的比值，用d表示。 8.★流体的热膨胀性：在一定压强下，流体体积随温度升高而增大的性质称为流体的热膨胀性。 9.★流体的压缩性：在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质称为流体的压缩性。 10.可压缩流体：ρ随T 和p变化量很大，不可视为常量。 11.不可压缩流体：ρ随T 和p变化量很小，可视为常量。 12.★流体的粘性：流体流动时，在流体内部产生阻碍运动的摩擦力的性质叫流体的粘性。 13.牛顿内摩擦定律：牛顿经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度变 化（即速度梯度）成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关，而与接触面上的压强无关。这个关系式称为牛顿内摩擦定律。 14.非牛顿流体：通常把满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，此时不随dυ/d n而变化，否则称 为非牛顿流体。 15.动力粘度μ：动力粘度表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体粘性的 大小。 16.运动粘度ν：在流体力学中，动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，以ν表示。 17.实际流体：具有粘性的流体叫实际流体（也叫粘性流体）， 18.理想流体：就是假想的没有粘性（μ= 0）的流体 第三章流体静力学 1.★流体的平衡：（或者说静止）是指流体宏观质点之间没有相对运动，达到了相对的平衡。 2.★绝对静止：流体对地球无相对运动，也称为重力场中的流体平衡。 3.★相对平衡：流体整体对地球有相对运动，但流体对运动容器无相对运动，流体质点之间也无相 对运动，这种静止或叫流体的相对静止★：体积力：作用于流体的每一个流体质点上，其大小与流体所具有的质量成正比的力。在均质流体中，质量力与受作用流体的体积成正比，因此又叫。 4.★表面力：表面力是作用于被研究流体的外表面上，其大小与表面积成正比的力。 5.★压强：在静止或相对静止的流体中，单位面积上的内法向表面力称为压强。 6.等压面：在静止流体中，由压强相等的点所组成的面。 7.★位置水头（位置高度）：流体质点距某一水平基准面的高度。 8.压强水头（压强高度）：由流体静力学基本方程中的p/（ρg）得到的液柱高度。 9.★静力水头：位置水头z和压强水头p/（ρg）之和。 10.压强势能：流体静力学基本方程中的p/ρ项为单位质量流体的压强势能。
练习题 1. 如右图所示，在一密闭容器中，上部装有密度ρ1=0.8× 103kg/m3的油，下部为密度ρ2=103kg/m3的水，已知 h1=0.4m，h2=0.2m。测压管中水银柱的读数h=0.5m，水 银的密度为ρ1=13.6×103 kg/m3。求密闭容器中油液面上的 压强p0。 2. 图示为一水暖系统，为了防止水温升高时体积膨胀将水管 胀裂，在系统顶部设一膨胀水箱，使水有膨胀的余地。若系 统内水的总体积为8m3，加温前后温差为50℃，在其温度范 围内水的膨胀系数为βT＝9×10－4 1/℃，求膨胀水箱的最小 容积。 3. 当温度不变，压强从0.20 MPa增加到10 MPa时，某种液体的体积减小0.49%，求该液体的体积模量。 4. 两个充满空气的封闭容器互相隔开，左边压力表M的读 数为100kPa，右边真空计V的读数为3.5mH2O，试求连 接两容器的水银压差计中h的读值。 5. 已知流体运动的速度场为： 3 2 3 1 y v xy v y x = =， ，试求t=2时过点 ()() x y z ，，，， =312 处的流线方程。 6. 如图所示，水在压强作用下从密封的下水箱沿竖直管道流入上水箱中，已知h＝50cm，H＝3m，管道直径D＝25mm，λ h p a p0 h 1 h 2 ρ1 ρ2 ρ3
＝0.02，各局部阻力系数分别为ζ1＝0.5，ζ2＝5.0，ζ3＝1.0，求：为维持稳定的管中流速V ＝1m/s ，下水箱的液面压强应保持在多少Pa? 7. 右图为毕托管示意图。液体自左向右流动，直管和直角弯管直接插入管道内的液体中，弯管开口迎着流动方向。测得A 点的液柱高度为hA =170 mm ，B 点的液柱高度为hB = 230 mm ，已知液 体的密度为ρ =990 kg/m3，忽略阻力损失，试计算管内液体的流速uA 。 8. 如右图所示为一壁厚可以忽略的大容器，在其下部开一直径为d =12mm 的小孔口，水自孔口流出后进入另一液面比大容器液面低H =1.2m 的容器中，两容器内的水位始终保持不变。试计算水的出流流量和孔口处的流速。 9. 如图所示为一壁厚可以忽略的大容器，为了便于出流，在容器壁上开一圆孔并在外面焊接一段等径圆管，容器自由液面及孔口出口皆与大气相通，而且可以保证容器内的水位不变。已知孔口直径为d =12mm ，焊接的圆管长度l = 40mm 。容器自由液面相对于孔口中心线的高度为H =1.2m ，试计算水的出流流量和出口流速。 10. 用长l =300m 、内径d =200mm 的铸铁管输送密度ρ = 880 kg/m3的油液，测得质量流量qm = 8.80×104 kg/h 。设冬季油液的运动粘度ν1=109.2×10-6m2/s ，夏季运动粘度ν2=35.5×10-6m2/s ，试确定冬、夏季输油管路以油柱高度表示的水头损失h λ。 [注：若流动状态为湍流，可取λ = 0.04] 11、一恒定有压均匀管流，已知管径d=20 mm ，管长 l=20m ，管中水流
流体力学-笔记参考书籍： 《全美经典-流体动力学》 《流体力学》张兆顺、崔桂香 《流体力学》吴望一 《一维不定常流》 《流体力学》课件清华大学王亮主讲 目录： 第一章绪论 第二章流体静力学 第三章流体运动的数学模型 第四章量纲分析和相似性 第五章粘性流体和边界层流动 第六章不可压缩势流 第七章一维可压缩流动 第八章二维可压缩流动气体动力学 第九章不可压缩湍流流动 第十章高超声速边界层流动 第十一章磁流体动力学 第十二章非牛顿流体 第十三章波动和稳定性
第一章 绪论 1、牛顿流体： 剪应力和速度梯度之间的关系式称为牛顿关系式，遵守牛顿关系式的流体是牛顿流体。 2、理想流体：无粘流体，流体切应力为零，并且没有湍流？。此时，流体内部没有内摩擦，也就没有内耗散和损失。 层流：纯粘性流体，流体分层，流速比较小； 湍流：随着流速增加，流线摆动，称过渡流，流速再增加，出现漩涡，混合。因 为流速增加导致层流出现不稳定性。 定常流：在空间的任何点，流动中的速度分量和热力学参量都不随时间改变， 3、欧拉描述：空间点的坐标； 拉格朗日：质点的坐标； 4、流体的粘性引起剪切力，进而导致耗散。 5、无黏流体—无摩擦—流动不分离—无尾迹。 6、流体的特性：连续性、易流动性、压缩性 不可压缩流体：0D Dt ρ= const ρ=是针对流体中的同一质点在不同时刻保持不变，即不可压缩流体的密度在任何时刻都保持不变。是一个过程方程。 7、流体的几种线 流线：是速度场的向量线，是指在欧拉速度场的描述； 同一时刻、不同质点连接起来的速度场向量线； (),0dr U x t dr U ??=
迹线：流体质点的运动轨迹，是流体质点运动的几何描述； 同一质点在不同时刻的位移曲线； 涡线：涡量场的向量线，(),,0U dr x t dr ωωω=????= 涡线的切线和当地的涡量或准刚体角速度重合，所以，涡线是流体微团 准刚体转动方向的连线，形象的说：涡线像一根柔性轴把微团穿在一起。 第二章流体静力学 1、压强：0lim A F dF p A dA ?→?==? 静止流场中一点的应力状态只有压力。 2、流体的平衡状态： 1）、流体的每个质点都处于静止状态，==整个系统无加速度； 2）、质点相互之间都没有相对运动，==整个系统都可以有加速度； 由于流体质点之间都没有相对运动，导致剪应力处处为零，故只有： 体积力(重力、磁场力)和表面力(压强和剪切力)存在。 3、表面张力：两种不可混合的流体之间的分界面是曲面，则在曲面两边存在一 个压强差。 4、正压流场：流体中的密度只是压力(压强)的单值函数。() dp p ρ? 5、涡量不生不灭定理 拉格朗日定理：理想正压流体在势力场中运动时，如某一时刻连续流场无旋，则 流场始终无旋。0,,ndA U ωω?==??? 有斯托克斯公式得：00,A l U x ndA δωΓ=?=?=??
第二章计算流体力学的基本知识 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。 2.1计算流体力学简介 2.1.1计算流体力学的发展 流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20 世纪30～40 年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943 年一直算到1947 年。 数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学" 。 从20 世纪60 年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。 自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。 流体运动的规律由一组控制方程描述。计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解读解。但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解读解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力
流体力学总结 第一章 流体及其物理性质 1. 流体：流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用， 流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。流体一般不能承受拉力，在静止状态下也不能承受切向力，在任何微小切向力的作用下，流体就会变形，产生流动 2. 流体特性：易流动(易变形)性、可压缩性、粘性 3. 流体质点：宏观无穷小、微观无穷大的微量流体。 4. 流体连续性假设：流体可视为由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。稀薄空气和 激波情况下不适合。 5. 密度0lim V m m V V δδρδ→== 重度0lim V G G g V V δδγρδ→=== 比体积1v ρ= 6. 相对密度：是指某流体的密度与标准大气压下4C 时纯水的密度（1000）之比 w w S ρ ρρ= 为4C 时纯水的密度 13.6Hg S = 7. 混合气体密度1 n i i i ρρα == ∑ 8. 体积压缩系数：温度不变，单位压强增量引起的流体体积变化率。体积压缩系数的倒数 为体积模量1 P P K β= 1p V p V δβδ=- 1 1 0 1.4p p T Q p p βγβγ→= === 9. 温度膨胀系数：压强不变，单位温升引起的流体体积变化率。 1T V T V δβδ= 1 T p T β→= 10. 不可压缩流体：流体受压体积不减少，受热体积不膨胀，密度保持为常数，液体视为不 可压缩流体。气体流速不高，压强变化小视为不可压缩流体
11. 牛顿内摩擦定律： du dy τμ = 黏度du dy τ μ= 流体静止粘性无法表示出来，压强对黏 度影响较小，温度升高，液体黏度降低，气体黏度增加 μ υρ = 。满足牛顿内摩擦定律的流体为牛顿流体。 12. 理想流体：黏度为0，即0μ=。完全气体：热力学中的理想气体 第二章 流体静力学 1. 表面力：流体压强p 为法向表面应力，内摩擦τ是切向表面应力（静止时为0）。 2. 质量力（体积力）：某种力场对流体的作用力，不需要接触。重力、电磁力、电场力、 虚加的惯性力 3. 单位质量力：x y z F f f i f j f k m ==++ ，单位与加速度相同2m s 4. 流体静压强： 1）流体静压强的方向总是和作用面相垂直且指向该作用面，即沿着作用面的内法线方向 2）在静止流体内部任意点处的流体静压强在各个方向都是相等的。 x y z n p p p p === 5. 流体平衡微分方程式（欧拉平衡方程） 101010 x y z p f x p f y p f z ρρρ?- =??-=??-=? 10 p p p f p p i j k x y z ρ???-?=?= ++??? 6. 压差方程 ()x y z dp f dx f dy f dz ρ=++ 7. 势函数 ()()() ,,x y z f f f x y z πππ?-?-?-= ==??? ()dp d ρπ=-
3347流体力学全国自考 第一章绪论 1、液体和气体统称流体，流体的基本特性是具有流动性。流动性是区别固体和流体的力学特性。 2、连续介质假设：把流体当作是由密集质点构成的、内部无空隙的连续踢来研究。 3、流体力学的研究方法：理论、数值和实验。 4、表面力：通过直接接触，作用在所取流体表面上的力。 5、质量力：作用在所取流体体积内每个质点上的力，因力的大小与流体的质量成比例，故称质量力。重力是最常见的质量力。 6、与流体运动有关的主要物理性质：惯性、粘性和压缩性。 7、惯性：物体保持原有运动状态的性质；改变物体的运功状态，都必须客服惯性的作用。 8、粘性：流体在运动过程中出现阻力，产生机械能损失的根源。粘性是流体的内摩擦特性。粘性又可定义为阻抗剪切变形速度的特性。 9、动力粘度：是流体粘性大小的度量，其值越大，流体越粘，流动性越差。 10、液体的粘度随温度的升高而减小，气体的粘度随温度的升高而增大。 11、压缩性：流体受压，分子间距离减小，体积缩小的性质。 12、膨胀性：流体受热，分子间距离增大，体积膨胀的性质。 13、不可压缩流体：流体的每个质点在运动过程中，密度不变化的流体。 14、气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。 第二章流体静力学 1、精致流体中的应力具有一下两个特性： 应力的方向沿作用面的内法线方向。 静压强的大小与作用面方位无关。 2、等压面：流体中压强相等的空间点构成的面；等压面与质量力正交。 3、绝对压强是以没有气体分子存在的完全真空为基准起算的压强、 4、相对压强是以当地大气压强为基准起算的压强。 5、真空度：若绝对压强小于当地大气压，相对压强便是负值，有才呢个·又称负压，这种状态用真空度来度量。 6、工业用的各种压力表，因测量元件处于大气压作用之下，测得的压强是改点的绝对压强超过当地大气压的值，乃是相对压强。因此，先跪压强又称为表压强或计示压强。 7、z+p/ρg=C: z为某点在基准面以上的高度,可以直接测量,称为位置高度或位置水头.。 p/ρg=h p，称为测压管高度或压强水头,其物理意义是单位重量的液体具有的压强势能,简称压能。 z+p/ρg称为测压管水头，是单位重量液体具有的总势能，其物理意义是静止液体中各点单位重量液体具有的总势能相等。 第三章流体动力学基础 1、描述流体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法。 2、拉格朗日法：从整个流体运动是无数个质点运动的综合出发，以个别质点为观察对象来描述，再讲每个质点的运动情况汇总起来，就描述了流体的整个流动。 3、欧拉法：以流体运动的空间点作为观察对象，观察不同时刻各空间点上流体质点的运动，再将每个时刻的情况汇总起来，就描述了整个运动。
借宝地写几个小短文，介绍CFD的一些实际的入门知识。主要是因为这里支持Latex，写起来比较方便。 CFD，计算流体力学，是一个挺难的学科，涉及流体力学、数值分析和计算机算法，还有计算机图形学的一些知识。尤其是有关偏微分方程数值分析的东西，不是那么容易入门。大多数图书，片中数学原理而不重实际动手，因为作者都把读者当做已经掌握基础知识的科班学生了。所以数学基础不那么好的读者往往看得很吃力，看了还不知道怎么实现。本人当年虽说是学航天工程的，但是那时本科教育已经退步，基础的流体力学课被砍得只剩下一维气体动力学了，因此自学CFD的时候也是头晕眼花。不知道怎么实现，也很难找到教学代码——那时候网络还不发达，只在教研室的故纸堆里搜罗到一些完全没有注释，编程风格也不好的冗长代码，硬着头皮分析。后来网上淘到一些代码研读，结合书籍论文才慢慢入门。可以说中间没有老师教，后来赌博士为了混学分上过CFD专门课程，不过那时候我已经都掌握课堂上那些了。 回想自己入门艰辛，不免有一个想法——写点通俗易懂的CFD入门短文给师弟师妹们。本人不打算搞得很系统，而是希望能结合实际，阐明一些最基本的概念和手段，其中一些复杂的道理只是点到为止。目前也没有具体的计划，想到哪里写到哪里，因此可能会很零散。但是我争取让初学CFD 的人能够了解一些基本的东西，看过之后，会知道一个CFD代码怎么炼成的（这“炼”字好像很流行啊）。欢迎大家提出意见，这样我尽可能的可以追加一些修改和解释。
言归正传，第一部分，我打算介绍一个最基本的算例，一维激波管问题。说白了就是一根两端封闭的管子，中间有个隔板，隔板左边和右边的气体状态（密度、速度、压力）不一样，突然把隔板抽去，管子内面的气体怎么运动。这是个一维问题，被称作黎曼间断问题，好像是黎曼最初研究双曲微分方程的时候提出的一个问题，用一维无粘可压缩Euler方程就可以描述了。 这里 这个方程就是描述的气体密度、动量和能量随时间的变化（）与它们各自的流量（密度流量，动量流量，能量流量 ）随空间变化（）的关系。 在CFD中通常把这个方程写成矢量形式 这里 进一步可以写成散度形式
试卷 1. 简述计算流体力学的特点及其应用领域。 CFD 是以计算机作为模拟手段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解。它的主要特征：(1)数值解而不是解析解；(2)计算技术起关键作用；(3)与计算机的发展紧密相关。（成本较低，适用范围宽，可靠性差，表达困难）应用领域：航空、航天、气象、船舶、武器装备、 水利、化工、建筑、机械、汽车、海洋、体育、环境、卫 生等 2. 等步长网格分布情况下u x ??的一阶向前差分、22u x ??的二阶中心差分表达式。（P89） 一阶向前差分：1,,,()i j i j i j u u u x x x +-?=+O ???（） 二阶中心差分：21,,1,2,22 2()()i j i j i j i j u u u u x x x +--+?=+O ???（） 3. 简答题 1) 什么是差分方程的相容性? 差分方程与微分方程的差别是截断误差R 。必要时通过缩小空间步长（网格尺寸）h 和时间步长t ，这一误差应可缩小至尽可能小。当h->0和t->0时，若R->0，则差分方程趋于微分方程，表示这两个方程是一致的。这时称该差分方程与微分方程是相容的。 2) 什么是差分解的收敛性? 当微分方程在离散为差分方程来求解，当步长h 0→时，存在着差分方程的解 n y 能够收敛到微分方程的准确解y()n x ，这就是差分方法的收敛性。 收敛性定义：对于任意节点的0n x x nh =+，如果数值解n y 当h 0→（同时n →∞）时趋向于准确解y()n x ，则称该方法是收敛的。 3) 什么是差分解的稳定性? 数值计算时，除计算机舍入误差（字长有限）外，初始条件或方程中某些常数项 也有可能给的不尽精确。舍入误差和这些误差在计算过程中可能一步步积累与传 递，误差的传递，有时可能变大，有时可能变小。某一步舍入误差放大或缩小的
流体力学总结 [题型]:简答题 流体静压强实验的操作步骤, 答案:(1)搞清仪器组成及其用法;(2)检查仪器是否密封，将阀门关闭，加压后检查测管液面高程是否恒定，若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理;(3)量测点静压强(各点压强用厘米水柱高表示);(4)打开排气阀，记录水箱液面标高?0和各测压管液面标高?H (?H =0);(5) 关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差?h。在加压的同时，观察左侧? A1、A2、B1、B2管的液柱上升情况，由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到B点。在测压管中反应出的是A1管的液柱先上升，而B1管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A1、B1两点在同一水平面上， A2、B2两点与水箱内液面在同一水平面上，测记?0及各?H(此过程反复进行3 次;(6)打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U形管中液柱的变化情况，测记?0及各?H(此过程反复进行3次)。 难度:1 分数:100 所属知识点: 知识体系/建筑系/土木专业/《流体力学》/流体动力学 [题型]:简答题 雷诺方程演示实验的操作步骤, 答案:(1)测记本实验的有关常数;(2)观察两种流态;(3)打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水
流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征;(4)测定下临界雷诺数;(5) 将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态;(6)待管中出现临界状态时，用体积法或重量法测定流量;(7)根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需重测;(8)重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次;(9)同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。难度:1 分数:100 所属知识点: 知识体系/建筑系/土木专业/《流体力学》/流体动力学 [题型]:简答题 流体力学综合实验的操作步骤, 答案:(1)测记本实验的有关常数;(2)打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体，待水箱溢流后，检查泄水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平;(3)打开泄水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法测记流量;(4)改变泄水阀开度3,4次，分别测记测压管读数及流量;(5) 实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面齐平后再关闭进水阀。 难度:2 分数:100 所属知识点: 知识体系/建筑系/土木专业/《流体力学》/流体动力学 [题型]:简答题 能量方程演示实验的操作步骤,
课后习题 第一章 1.计算流体动力学的基本任务是什么 计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 2.什么叫控制方程？常用的控制方程有哪几个？各用在什么场合？ 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同组分的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程是这些守恒定律的数学描述。 常用的控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程。质量守恒方程和动量守恒方程任何流动问题都必须满足，能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。组分质量守恒方程，在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每种组分都需要遵守组分质量守恒定律。 4.研究控制方程通用形式的意义何在？请分析控制方程通用形式中各项的意义。 建立控制方程通用形式是为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各控制方程进行求解。
各项依次为瞬态项、对流项、扩散项、源项。 6.CFD商用软件与用户自行设计的CFD程序相比，各有何优势？常用的商用CFD软件有哪些？特点如何？ 由于CFD的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，用户各自的应用程序往往缺乏通用性。 CFD商用软件的特点是 功能比较全面、适用性强。 具有比较易用的前后处理系统和其他CAD及CFD软件的接口能力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作。 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 常用的商用CFD软件有PHOENICS、CFX、SRAR-CD、FIDAP、FLUENT。PHOENICS除了通用CFD软件应该拥有的功能外，PHOENICS软件有自己独特的功能：开放性、CAD接口、运动物体功能、多种模型选择、双重算法选择、多模块选择。 CFX除了可以使用有限体积法外，还采用基于有限元的有限体积法。用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。 SRAR-CD基于有限体积法，适用于不可压流体和可压流的计算、热力学的计算及非牛顿流的计算。它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块，以良好的可视化用户界面把建模、求解及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中。
流体力学复习题 -----2013制 一、填空题 1、1mmH2O=9.807Pa 2、描述流体运动的方法有欧拉法和拉格朗日法。 3、流体的主要力学模型是指连续介质、无粘性和不可压缩性。 4、雷诺数是反映流体流动状态的准数，它反映了流体流动时粘性力与惯性力的对比关系。 5、流量Q1和Q2，阻抗为S1和S2的两管路并联，则并 联 后总管路的流量Q为Q=Q1+Q2，总阻抗S为。串联后总管路的流量Q为Q=Q1=Q2，总阻抗S为S1+S2。 6、流体紊流运动的特征是脉动现行，处理方法是时均法。 7、流体在管道中流动时，流动阻力包括沿程阻力 和局部阻力。 8、流体微团的基本运动形式有：平移运动、旋转流动和变形运动。 9、马赫数气体动力学中一个重要的无因次数，他反映了 惯性力与弹性力的相对比值。
11、理想流体伯努力方程 z + p + u + + + 10、稳定流动的流线与迹线 重合 。 r 2 g 2 = 常数中，其中 z + p r 称为 测压管 水头。 12、一切平面流动的流场，无论是有旋流动或是无旋流动 都存在 流线 ，因而一切平面流动都存在 流函数 ， 但是，只有无旋流动才存在 势函数。 13、雷诺数之所以能判别 流态 ，是因为它反映了 惯性力 和 粘性力 的对比关系。 14、流体的主要力学性质有 粘滞性 、 惯性 、 重力 性 、 表面张力性 和 压缩膨胀性 。 15、毕托管是广泛应用于测量 气体和 水流一种仪器。 16、流体的力学模型按粘性是否作用分为 理想气体 和 粘性气体 。作用与液上的力包括 质量力， 表面力。 17、力学相似的三个方面包括 几何相似 、 运动 相似 与 动力相似 。 18、流体的力学模型是 连续介质 模型。 19、理想气体伯努力方程 p （z 1 - z 2）（γ α - γ g ） ρu 2 2 中， p （z 1 - z 2） （γ α - γ g ） 称 势压 ， p + ρu 2 2 全压 ，