第九章 粘性不可压缩流体运动-2

流体力学张兆顺课后答案【篇一：流体力学知识点大全】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：d??0dtconst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；dr?u?x,tdr?u?0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，u,dr???x,t??dr???0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：p?lim?fdf??a?0?ada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。

第九章绕流与射流重点阐述不可压缩粘性流体绕流二维和回转物体绕流现象及其绕流阻力的计算，分析工业生产中常遇到的紊流射流问题。

§ 9-1绕流阻力与阻力系数当粘性流体绕流物体时，物体总是受到压力和摩擦力的作用。

作用在整个物体一表面上的压力和摩擦力的合力F可分解为两个分力，即绕流物体的未受干扰时来流速度V.方向上的分力F D，及垂直来流速度V：:方向上的分力F L。

对于在静止流体中运动的物体来讲，由于F D 与物体运动方向相反，是阻碍物体运动的力，故称之为绕流阻力；F L称为绕流升力。

于是F =F L F D绕流阻力和升力二者都包含摩擦力和压力两个分量，因此，物体所受摩擦力和压力的大小及二者的变化是分析绕流阻力的基础。

一、绕流阻力一般分析物体壁面所受摩擦阻力是粘性直接作用的结果，所受压力又称压差阻力，是粘性间接作用的结果，当粘生流体绕流物体时，边界层分离是引起压差阻力的主要原因。

下面以圆柱绕流为例来说明绕流阻力的变化规律。

在绕流未分离的情况下，由理想流体所确定的物面上的压强分布如图6-12所示，在第六章的第四节详细地讨论过这个解，物体所受压力阻力为零。

在绕流圆柱体发生严重分离的情况下，由于柱体后部背流面存在分离区，此时主流区的边界处在分离区的外缘，柱面上的压强分布不同于未分离时的压强分布，从分离点开始，柱体后部受到的流体压强大约等于分离处的压强，而不能恢复到理想流体绕圆柱体流动时应有的压强数值，从而产生对圆柱体的压差阻力。

图9-1(b)所示是有边界层分离的圆柱面上的无因次压强分布，实验曲线见图6-12中的II、III曲线。

对于摩擦阻力，其形成过程比较清楚。

实验表时，象机翼、船只和其它一些流线型物体都有较大的摩擦阻力。

钝体如圆柱、球、桥墩和汽车等都有较大的甚至压倒优势的压差阻力。

由于压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，因此，压差阻力又称为形状阻力图9-1 理雪、眾体的删赴统流匚(1站注流休的圆柱窮流二、阻力系数虽然绕流物体阻力的形成过程从物理观点看完全清楚，但要想从理论上通过面积分求解一个任意形状物体的阻力是十分困难的，目前都是由实验测得，工程上习惯借助无因次阻力系数来确定总阻力的大小，即1 2F D=C D—內" (1)2C D =7^—⑵"V A A2式中A为物体的投影面积，当物体主要受压差阻力时，采用物体垂直于来流速度方向的投影面积，即迎流面积。

第一章连续介质假设：把流体当作是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来考虑。

表面力：作用在流体表面上的力；质量力：作用在所取流体体积内每个质点上的力；单位2/m s牛顿内摩擦定律：dudyτμ=μ动力粘度系数，υ运动粘度系数：μυρ=； 无粘性流体：指无粘性，0μ=的流体；不可压缩流体：指流体的每个质点在运动全过程中，密度不变化的流体。

常温常压下气体状态方程：pRT ρ=第二章静止流体的应力特征1.应力方向沿作用面的内法线方向；2.静压强的大小与作用面方位无关。

等压面：流体中压强相等的空间点构成的面（平面或曲面）称为等压面。

重力作用下流体静压强分布o p p gh ρ=+推论：静压强的大小与液体的体积无关两点的压强差等于两点之间单位面积垂直液柱的重量在平衡状态下，液体内任意一点压强的变化等值地传递到其他各点。

压强的度量：绝对压强：流体实有的全部压强相对压强：绝对压强与当地大气压的差值真空度：指绝对压强不足当地大气压的差值，即相对压强的负值v a abs p p p =-；p z c gρ+=，c 为测压管水头（总势能），其中z 为位置水头；pgρ压强水头； 作用在平面上的静水压力 图算法：p bs =（矩形板）b 为受压面宽度，s 为压强分布图的面积总压力的作用线通过压强分布图的形心 解析法：c p gh A ρ=（任意形状平面板）c h ：受压面形心的淹没深度A ：受压面面积作用在曲面上的静水压力x c x z p gh A p gvρρ==压力体：实压力体，虚压力体，混合压力体第三章描述流体运动的方法：拉格朗日法和欧拉法 拉格朗日法：以个别质点为观察对象，再将每个质点的运动情况汇总起来描述整个流体运动； 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，再将每个质点的运动情况汇总起来描述整个流体运动。

x x x x x x y z y y y y y x y z z z z zz x y z u u u ua u u u t x y z u u u u a u u u t x y z u u u u a u u u t x y z ∂∂∂∂=+++∂∂∂∂∂∂∂∂=+++∂∂∂∂∂∂∂∂=+++∂∂∂∂流动的分类恒定流和非恒定流：以时间为标准，若各空间点上的运动参数（速度，压强，密度等）都不随时间变化，这样的流动是恒定流，反之则为非恒定流。

第一章流体及其物理性质1、如果在某一瞬间使流体中每个流体微团的密度均相同，则这种流体一定是( )。

A、可压缩流体；B、不可压缩流体；C、均质流体；D、非均质流体；2、牛顿内摩擦定律告诉我们( )。

A、作用于流层上切向应力与压力成正比；B、作用于流层上切向应力与速度梯度成正比；C、作用于流层上切向应力与速度梯度成反比；D、作用于流层上切向应力与流层面积成反比；3、流体的特点是( )。

A、只能承受微小剪切力作用；B、受任何微小压力都能连续变形；C、当受到剪切力作用时，仅能产生一定程度的变形；D、受任何微小剪切力作用将发生连续变形；4、在地球的重力场中，流体的密度和重度的关系为( )。

A、gργ=；B、gργ=；C、ργg=；D、γρg=；5、流体是那样一种物质，它( )。

A、不断膨胀，直到充满任意容器；B、实际上是不可压缩的；C、不能承受切应力；D、在任意切应力作用下，不能保持静止；6、流体的力学特征为( )。

A、只能承受微小剪切力作用；B、受任何小压力都能连续变形；C、与受到剪切力作用时，仅产生一定程度的变形；D、受任何微小剪切力都能连续变形；7、流体的粘性受温度的影响很大，液体的粘性随温度的升高而( )，气体的粘性随温度的升高而( )。

A、增大；B、减小；C、无规则地变化；D、趋于一稳定值；8、流体层流流动时，内摩擦阻力的大小( )。

A、与正压力成正比B、与速度梯度成正比C、与流体的动力粘度无关9、流体的运动粘度系数ν的关系式为( )。

A、ρμν=； B、μρν=；C、ρμν=； D、νρμ=；10、不可压缩流体( )。

A、其中任意一个流体质点的密度始终不定；B、其中每一个流体质点的密度均相同；C、就是密度等于常数的流体；D、就是流体微团的密度不随压力变化的第二章流体力学的基本概念1、定常流动是指( )。

A、任一点流动情况不随时间改变；B、t∂∂→ν不变；C、相邻两点任意瞬时流动情况相同；D、流动情况总是随时间变化；2、水力半径可由下列之一给出( )。

不可压缩流体流动的变化方程不可压缩流体流动的变化方程是描述流体在时间和空间上的变化规律的方程。

它由连续性方程和动量方程组成。

一、连续性方程：不可压缩流体的连续性方程描述了流体质点的质量守恒关系。

在稳态条件下，连续性方程可以表示为：∇·v = 0其中，∇表示空间的梯度算子，v表示流体的速度矢量。

该方程表示了流体通过任意闭合曲面的净质量变化为0，即质量进出的总和为0。

二、动量方程：不可压缩流体的动量方程描述了流体质点的运动定律。

在稳态条件下，动量方程可以表示为：ρ(v·∇)v = -∇P + ρg + μ∇²v其中，ρ表示流体的密度，P表示流体的压强，g表示重力加速度，μ表示流体的动力粘度，∇²表示速度矢量的拉普拉斯算子。

该方程中的第一项ρ(v·∇)v表示流体的非定常惯性项；第二项-∇P表示压力梯度对流体运动的影响；第三项ρg表示重力对流体运动的影响；第四项μ∇²v表示粘性对流体运动的影响。

这些项分别描述了流体质点的加速度、压力力、重力力和粘性力对流体动量变化的影响。

不可压缩流体的动量方程中的非定常惯性项通常可忽略，从而简化为：-∇P + ρg + μ∇²v = 0这个方程可以解释流体在压强梯度、重力和粘性力的作用下的运动。

上述的连续性方程和动量方程是描述不可压缩流体流动的基本方程。

在进行实际计算时，通常还要考虑边界条件、流体的特性以及相应的求解算法等因素。

此外，流体的温度、浓度等其他因素也可以加入到动量方程中，形成相应的耦合方程，用于解决特定问题。

总之，不可压缩流体流动的变化方程是描述流体在时间和空间上变化规律的方程，它由连续性方程和动量方程组成，能够更全面地揭示不可压缩流体的运动定律。

第一章流体流动质点含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。

连续性假定假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。

拉格朗日法选定一个流体质点,对其跟踪观察，描述其运动参数(如位移、速度等)与时间的关系。

欧拉法在固定空间位置上观察流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密度等，即直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。

定态流动流场中各点流体的速度u、压强p不随时间而变化。

轨线与流线轨线是同一流体质点在不同时间的位置连线，是拉格朗日法考察的结果。

流线是同一瞬间不同质点在速度方向上的连线，是欧拉法考察的结果。

系统与控制体系统是采用拉格朗日法考察流体的。

控制体是采用欧拉法考察流体的。

理想流体与实际流体的区别理想流体粘度为零，而实际流体粘度不为零。

粘性的物理本质分子间的引力和分子的热运动。

通常液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主。

气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主。

总势能流体的压强能与位能之和。

可压缩流体与不可压缩流体的区别流体的密度是否与压强有关。

有关的称为可压缩流体，无关的称为不可压缩流体。

伯努利方程的物理意义流体流动中的位能、压强能、动能之和保持不变。

平均流速流体的平均流速是以体积流量相同为原则的。

动能校正因子实际动能之平均值与平均速度之动能的比值。

均匀分布同一横截面上流体速度相同。

均匀流段各流线都是平行的直线并与截面垂直,在定态流动条件下该截面上的流体没有加速度,故沿该截面势能分布应服从静力学原理。

层流与湍流的本质区别是否存在流体速度u、压强p的脉动性，即是否存在流体质点的脉动性。

稳定性与定态性稳定性是指系统对外界扰动的反应。

定态性是指有关运动参数随时间的变化情况。

边界层流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。

边界层分离现象在逆压强梯度下，因外层流体的动量来不及传给边界层，而形成边界层脱体的现象。

2-1 2.94fwd ρρ== 2-2222222222230.135 1.976 2.9270.003 1.4290.052 1.2510.760.8040.051.341/CO CO SO SO O O N N H O H Okg m ρραραραραρα=++++=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯= 2-3302732730.8109/10132527310132527317010085814321.341p kg m t ρρ=⨯=++-=⨯223250273()10273 1.57CO CO S T Pa s T S μμ-+=+=⨯223250273()10273 1.854SO SO S T Pa s T S μμ-+=+=⨯223250273()10273 2.781O O S T Pa s T S μμ-+=+=⨯22350273()102732.365N N S T Pa s T S μμ-+=+=⨯223250273()10273 1.62H O H O S T Pa s T S μμ-+=+=⨯1212121212222222222222221212121212222222222252.2310CO CO CO SO SO SO O O O N N N H O H O H O CO CO SO SO O O N N H O H OM M M M M M M M M M Pa sαμαμαμαμαμμααααα-++++=++++=⨯ 5210/2.75m s μνρ-==⨯ 2-4 8500002.5100.0002dp dp Pa dV V d ρρK =-===⨯ 2-5(1)52 3.92310(/)dp dp dpP Pa RT dV V d RT p V dp p VK =-=-=-=-=⨯(2)等熵过程有pv C γ=1511 5.492101(/)/dp dp dp Pa dV V d C p V p dp Vp γγγγ--K =-=-===⨯ 2-6 mV ρ∆∆=3153//p V m V V p V∆K K =-⇒=-=∆∆∆2-13 轴承和轴之间间隙很小，可近似认为速度在此处呈直线分布，由牛顿内摩擦定律，有()2250.760du r F Adl dy D d n P kW P Fv F r ωμμππωω⎫==⎪-⎪⎪=⇒=⎬⎪==⎪⎪⎭2-14 本题中飞轮受到惯性力和轴承中摩擦力的作用，对飞轮列出定轴转动微分方程，有 d J M dtω'=- （J 为飞轮矩，M '为摩擦力矩，G 为飞轮重力，r 为轴半径） 2604n GD d duA rg dt dyrdlrπωμμπδ=-=-代入相应数值后得0.2328Pa s μ=5-2 （1）30.1520l l h h h m h k k ''=⨯===⇒ （2）这是重力作用下的不可压流动了，此时满足Fr 数相等。

第一章流体流动问题1.什么是连续性假定?质点的含义是什么?有什么条件?答1．假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。

质点是含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。

问题2.描述流体运动的拉格朗日法和欧拉法有什么不同点?答2．前者描述同一质点在不同时刻的状态；后者描述空间任意定点的状态。

问题3.粘性的物理本质是什么?为什么温度上升,气体粘度上升,而液体粘度下降?答3．分子间的引力和分子的热运动。

通常气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主；温度上升，热运动加剧，粘度上升。

液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主，温度上升，分子间的引力下降，粘度下降。

问题4.静压强有什么特性?答4．静压强的特性：①静止流体中任意界面上只受到大小相等、方向相反、垂直于作用面的压力；②作用于任意点所有不同方位的静压强在数值上相等；③压强各向传递。

问题5.图示一玻璃容器内装有水，容器底面积为8×10-3m 2，水和容器总重10N。

(1)试画出容器内部受力示意图(用箭头的长短和方向表示受力大小和方向)；(2)试估计容器底部内侧、外侧所受的压力分别为多少？哪一侧的压力大？为什么？题5附图题6附图答5．1）图略，受力箭头垂直于壁面、上小下大。

2）内部压强p=ρgh=1000×9.81×0.5=4.91kPa；外部压强p=F/A=10/0.008=1.25kPa<内部压强4.91kPa。

因为容器内壁给了流体向下的力，使内部压强大于外部压强。

问题6.图示两密闭容器内盛有同种液体，各接一U 形压差计，读数分别为R 1、R 2，两压差计间用一橡皮管相连接，现将容器A 连同U 形压差计一起向下移动一段距离，试问读数R 1与R 2有何变化？(说明理由)答6．容器A 的液体势能下降，使它与容器B 的液体势能差减小，从而R 2减小。