流体力学-基本概念

1 / 27 **流函数：由连续性方程导出的、其值沿流线保持不变的标量函数。

**粘性：在运动状态下，流体部质点间或流层间因相对运动而产生摩擦力以抵抗剪切变形，这种性质叫做粘性 。粘性的大小用黏度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子。粘度又分为动力黏度.运动黏度和条件粘度。

**摩擦力：流体部不同流速层之间的黏性力。

**牛顿流体：剪切变形率与切应力成线性关系的流体(水，空气)。

**非牛顿流体：黏度系数在剪切速率变化时不能保持为常数的流体(油漆，高分子溶液)。

**外表力：1.外表力作用于液体的自由外表上。2.气体不存在外表力。3.外表力是液体分子间吸引力的宏观表现。4.外表力沿外表切向并与界限垂直。5.液体外表上单位长度所受的力。6.用σ 表示，单位为N/m。

**流线：表示某瞬时流动方向的曲线，曲线上各质点的流速矢量皆与该曲线相切。性质：a、同一时刻的不同流线，不能相交。b、流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。c、流线簇的疏密反映了速度的大小。

**过流断面：与元流或总流的流向相垂直的横断面称为过流断面。(元流：在微小流管所有流体质点所形成的流动称为元流。总流：假设流管的壁面是流动区域的周界，将流管所有流体质点所形成的流动称为总流。) 2 / 27 **流量：单位时间通过某一过流断面的流体体积称为该过流断面的体积流量，简称流量。

**控制体：被流体所流过的，相对于某个坐标系来说，固定不变的任何体积称之为控制体。控制体的边界面，称之为控制面。控制面总是封闭外表。占据控制体的诸流体质点随着时间而改变。

**边界层：水和空气等黏度很小的流体，在大雷诺数下绕物体流动时，黏性对流动的影响仅限于紧贴物体壁面的薄层中，而在这一薄层外黏性影响很小，完全可以忽略不计，这一薄层称为边界层。

**边界层厚度：边界层、外区域并没有明显的分界面，一般将壁面流速为零与流速到达来流速度的99％处之间的距离定义为边界层厚度。

**边界层的根本特征：(1) 与物体的特征长度相比，边界层的厚度很小。(2) 边界层沿厚度方向，存在很大的速度梯度。(3) 边界层厚度沿流体流动方向是增加的，由于边界层流体质点受到黏性力的作用，流动速度降低，所以要到达外部势流速度，边界层厚度必然逐渐增加。(4) 由于边界层很薄，可以近似认为边界层中各截面上的压强等于同一截面上边界层外边界上的压强值。 (5) 在边界层，黏性力与惯性力同一数量级。 (6) 边界层的流态，也有层流和紊流两种流态。

**滞止参数：设想某断面的流速以等熵过程减小到零，此断面的参数称为滞止参数。

**滞止参数性质：〔1〕在等熵流动中，滞止参数值不变；〔2〕在等熵流动中，速度增大，参数值降低；〔3〕气流中最大音速是滞止音速；〔4〕在有摩擦的绝热过程中，机械能转化为能，总能量不变。 3 / 27 **层流：是指流体质点不互相混杂，流体质点作有条不紊的有序的直线运动。特点：1.有序性。2.水头损失与流速的一次方成正比 。

3.在流速较小且雷诺数Re较小时发生。4.层流遵循牛顿摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。

**湍流：黏性流体质点互相掺混，局部压强、速度等随时间和空间有随机脉动的流动。

**雷诺数：临界流速v与过流断面的特性几何尺寸(管径)d、流体的动力粘度μ和密度ρ有关，这四个量可以组成一个特征数(量纲一的量或无量纲数)称雷诺数 Re 。

**雷诺应力：紊流时均流动中由于流速脉动引起质点间的动量交换而产生的附加应力。

**马赫数：流场中某点的速度与该点处的声速之比。

流体与气体：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。区别：气体易于压缩；而液体难于压缩。液体有一定的体积，存在自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定体积，不存在自由液面。

牛顿摩擦定律：流体摩擦力的大小与流体的性质有关，与流体的速度梯度和接触面积成正比。〔切应力与剪切变形速度成正比〕 实际流体：自然界中存在的具有粘性的流体。理想流体：假想的完全没有粘性的流体。利用理想流体的概念可以在研究上大简化问题，找出规律后再考虑粘性的影响进展修正，这种修正多数借助实验。 4 / 27 外表力：作用在隔离外表上的力，其大小和受力作用的外表面积成正比，包括垂直于作用面的压力和平行于作用面的切力。应力：单位面积上的外表力。质量力：作用在隔离体每个流体质点上的力，其大小是和流体的质量成正比的，因为在均质流体中必然和体积相关，因此又称体积力，主要包括重力和惯性力。

连续介质：质点连续地充满所占空间的流体或固体。连续介质模型：把流体看作是全部充满、部没有任何间隙的质点所组成的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型。

恒定流：假设流场中各空间点上的任何流动要素均不随时间变化，那么称流动为恒定流，也称为定常流。

非恒定流：假设流场中各空间点上的其中任何一个流动要素随时间变化，那么称流动为非恒定流，也称为非定常流。

迹线：表示一流体质点的运动轨迹线，它是单个质点在运动过程中所占据的空间位置随时间连续变化的轨迹。

流谱：在充满流动的整个空间可以绘出一族流线，称为流谱。

断面平均流速：过流断面上各点的速度平均值称为断面平均流速。

控制体边界〔控制面〕的特点：控制面相对于座标系是固定的。在控制面上可以有质量交换。在控制面上，受到控制体以外物体加在控制体之物体上的力。在控制面上可以有能量交换。 5 / 27 流体微团：是指体积微小，随流体一起运动的一团流体物质。特点：包含无数个流体质点。各流体质点间存在相对位置变化。能够表达膨胀、变形、转动等尺度变化。

拉格朗日方法：是以流场中每一流体质点作为描述对象的方法，它以流体个别质点随时间的运动为根底，通过综合足够多的质点〔即质点系〕运动来确定整个流体的流动。----质点系法

欧拉法：是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述对象研究流动的方法——流场法。

流体质点的加速度〔流速对时间求导〕有两局部组成：1〕时变加速度〔当地加速度〕——流动过程中流场由于速度随时间变化而引 起的加速度；2〕位变加速度〔迁移加速度〕——流动过程中流场中速度分布不均，因位置变化而引起的加速度。

紊流：是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，流体质点沿很不规那么无序的路径运动。

紊流特点：① 无序性、随机性、有旋性、混合性。 ② 在圆管流中水头损失与流速的1.75~2次方成正比。Hf=kv 1.75~2③ 在流速较大〔雷诺数较大〕时发生。4 紊流发生是受粘性和紊动共同作用的结果

有旋流：亦称“涡流〞。流体质点〔微团〕在运动中不仅发生平动〔或形变〕，而且绕着自身的瞬时轴线作旋转运动。

无旋流：亦称“势流〞、“有势流〞。流体在运动中，它的微小单元只有平动或变形，但不发生旋转运动，即流体质点不绕其自身任意轴转动。 6 / 27 恒定流：是指流场中的流体流动，空间点上各水力运动要素均不随时间而变化。严格的恒定流只可能发生在层流，在紊流中，由于流动的无序，其实流速或压强总有脉动，但假设取时间平均流速〔时均流速〕

非恒定流：是指流场中的流体流动，空间点上各水力运动要素均随时间的变化而变化。

在非恒定流情况下，流线的位置随时间而变；流线与迹线不重合。在恒定流情况下，流线的位置不随时间而变，且与迹线重合。 均匀流中迁移加速度为0，各过水断面上的流速分布图沿程不变，过水断面是平面，沿程各过水断面的形状和大小都保持一样。 非均匀流中迁移加速度不等于0，流场中相应点的流速大小或方向或同时二者沿程改变，即沿流程方向速度分布不均。〔非均匀流又可分为急变流和渐变流〕。

皮托管测流速：常见的皮托管是由装有一半圆球探头的双层套管组成，并在两管末端联接上压差计。探头端点A处开一小孔与套管相连，直通压差计的一肢；外套管侧外表沿圆周均匀地开一排与外管壁相垂直的小孔(静压孔)，直通压差计的另一肢。测速时，将皮托管放置在欲测速度的恒定流中某点A，探头对着来流，使管轴与流体运动的方向相一致。流体的速度接近探头时逐渐减低，流至探头端点处速度为零。

总水头线：沿流管各总水头值的连线，是流管坐标的函数。 水头线：沿流管各测压管水头值的连线，是流管坐标的函数。 水力坡度：单位长度上的水头损失。测压管水头线坡度：单位长度上测压管水头的降低或升高。 7 / 27 对均匀流动，那么总水头线与测压管水头线平行。

产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。

沿程阻力：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力形成的阻力。

沿程水头损失：由沿程阻力作功而引起的水头损失。沿程水头损失：主要由于“摩擦阻力〞所引起的，随流程的增加而增加。 雷诺实验提醒了水流的两种流动状态：层流和紊流;并测定了流动损失与水流速度与流态之间的关系。

临界流速判别：因不同的管径大小、流体种类和流体温度，得到的临界流速不同。

雷诺数的物理意义：雷诺数是以宏观特征量表征的流体质点所受惯性力与粘性力之比。

紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。

绝对粗糙度(Δ)：粗糙突出管壁的平均高度。相对粗糙度：管壁的绝对粗糙度Δ与管径ｄ的比值。

当量粗糙度：把直径一样、紊流粗糙区λ值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks定义为该管材工业管道的当量粗糙。

附面层〔边界层〕：粘度小的流体〔如水和空气〕绕过物体运动时，摩擦阻力主要发生在紧靠物体外表的一个流速梯度很大的流体薄层，粘性影响起主要作用。 8 / 27 形状阻力：指流体绕曲面体或具有锐缘棱角的物体流动时，附面层要发生别离，从而产生旋涡所造成的阻力。这种阻力与物体形状有关，故称为形状阻力。

卡门涡街：圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现别离，别离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是卡门涡街。

绕流阻力：细长流线型物体，以平板为例，绕流阻力主要由摩擦阻力来决定，阻力系数与雷诺数有关。

钝头曲面物体，以圆柱和圆球为例，绕流阻力既与摩擦阻力有关，又与压差〔形状〕阻力有关。在低雷诺数时，主要为摩擦阻力，阻力系数与雷诺数有关。在高雷诺数时，主要为压差〔形状〕阻力。

外表力：又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体外表上的直接施加的接触力。它的大小与作用面积成比例。 剪力、拉力、压力

质量力：是指作用于隔离体每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。 重力、惯性力

流体的平衡或机械运动取决于： 9 / 27 1.流体本身的物理性质〔因〕

2.作用在流体上的力〔外因〕

流体的主要物理性质：

密度：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3 。

重度：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。

流体的密度、重度均随压力和温度而变化。

流体的流动性：流体具有易流动性，不能维持自身的形状，即流体的形状就是容器的形状。静止流体几乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，仅能抵抗压力。 流体的粘滞性：即在运动的状态下，流体所产生的阻抗剪切变形的能力。流体的流动性是受粘滞性制约的，流体的粘滞性越强，易流动性就越差。任何一种流体都具有粘滞性。