《流体力学》第三章流体动力学基础.ppt
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流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。
古时中国有大禹治水疏通江河的传说;秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰,至今还在发挥着作用;大约与此同时,古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。
流体力学的萌芽:距今约2200年前,希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文,他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。
建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论,奠定了流体静力学的基础。
此后千余年间,流体力学没有重大发展。
15世纪,意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学,却是随着经典力学建立了速度、加速度,力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
流体力学的主要发展:17世纪,力学奠基人牛顿(英)在名著《自然哲学的数学原理》(1687年)中讨论了在流体中运动的物体所受到的阻力,得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。
他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。
使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。
但是,牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础,他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。
之后,皮托(法)发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔(法)对运动中船只的阻力进行了许多实验工作,证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的欧拉采用了连续介质的概念,把静力学中压力的概念推广到运动流体中,建立了欧拉方程,正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动;伯努利(瑞士)从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,精心地安排了实验并加以分析,得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
欧拉方程和伯努利方程的建立,是流体动力学作为一个分支学科建立的标志,从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。
第三章流体动力学基础本章是流体动力学的基础。
主要阐述了流体运动的两种描述方法,运动流体的基本类别与基本概念,用欧拉法解决运动流体的连续性微分方程、欧拉运动微分方程及N-S方程。
此外,还阐述了无旋流与有旋流的判别,引出了流函数与势函数的概念,并且说明利用流网与势流叠加原理可解决流体的诸多复杂问题。
第一节流体流动的基本概念1.流线(1)流线的定义流线(stream line)是表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线,曲线上任一点的切线方向与该点的流速方向重合。
图3-1为流线谱中显示的流线形状。
(2)流线的作法:在流场中任取一点(如图3-2),绘出某时刻通过该点的流体质点的流速矢量u1,再画出距1点很近的2点在同一时刻通过该处的流体质点的流速矢量u2…,如此继续下去,得一折线1234 …,若各点无限接近,其极限就是某时刻的流线。
流线是欧拉法分析流动的重要概念。
图3-1 图3-2(3)流线的性质(图3-3)a.同一时刻的不同流线,不能相交。
图3-3因为根据流线定义,在交点的液体质点的流速向量应同时与这两条流线相切,即一个质点不可能同时有两个速度向量。
b.流线不能是折线,而是一条光滑的曲线。
因为流体是连续介质,各运动要素是空间的连续函数。
c.流线簇的疏密反映了速度的大小(流线密集的地方流速大,稀疏的地方流速小)。
因为对不可压缩流体,元流的流速与其过水断面面积成反比。
(4)流线的方程(图3-4)根据流线的定义,可以求得流线的微分方程:图3-4设d s为流线上A处的一微元弧长:u为流体质点在A点的流速:因为流速向量与流线相切,即没有垂直于流线的流速分量,u和d s重合。
所以即展开后得到:——流线方程(3-1)(或用它们余弦相等推得)2.迹线(1)迹线的定义迹线(path line)某一质点在某一时段内的运动轨迹线。
图3-5中烟火的轨迹为迹线。
(2)迹线的微分方程(3-2)式中,u x,u y,u z均为时空t,x,y,z的函数,且t是自变量。