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流体力学第七章 湍流-55页PPT资料

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《流体力学导论》PPT课件_OK

《流体力学导论》PPT课件_OK

2021/8/30
17
二、流体连续介质假设
从微观角度看，流体和其它物体一样，都是由大量不 连续分布的分子组成，分子间有间隙。但是，流体力学所 要研究的并不是个别分子的微观运动，而是研究由大量分 子组成的宏观流体在外力作用下的宏观运动。因此，在流 体力学中，取流体微团来作为研究流体的基元。所谓流体 微团是一块体积为无穷小的微量流体，由于流体微团的尺 寸极其微小，故可作为流体质点看待。这样，流体可看成 是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质。这种对 流体的连续性假设是合理的，因为在流体介质内含有为数 众多的分子。例如，在标准状态下，lmm3气体中有2.7× 1016个分子；lmm3的液体中有3×10 19个分子。可见分子间 的间隙是极其微小的。因此在研究流体宏观运动时，可
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4
液体或气体界面处，不仅研究相互之间的作用力，而且还 需要研究它们之间的传热、传质规律。
工程流体力学是研究流体（液体、气体）处于平衡状 态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。
流体力学的基础理论由三部分组成。一是流体处于平 衡状态时，各种作用在流体上的力之间关系的理论，称为 流体静力学；二是流体处于流动状态时，作用在流体上的 力和流动之间关系的理论，称为流体动力学；三是气体处 于高速流动状态时，气体的运动规律的理论，称为气体动 力学。工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机 械运动进行研究，而不是研究流体的微观分子运动，因而
出液体中压力传递的定理；1686年牛顿（Newton,I.）发
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9
表了名著《自然哲学的数学原理》对普通流体的黏性性状 作了描述，即现代表达为黏性切应力与速度梯度成正比— 牛顿内摩擦定律。为了纪念牛顿，将黏性切应力与速度梯 度成正比的流体称为牛顿流体。

《湍流流动模型》课件

《湍流流动模型》课件

• 混合模型：结合基于方程的模型 和基于统计的模型的特点，通过 混合这两种方法来描述湍流流动 。如SST k-ω模型和修正后的k-ε 模型等。计算量适中，精度较高 ，适用于多种工程应用场景。
03 湍流流动模型的建立与求解
湍流流动模型的建立
湍流现象的描述
湍流是流体的一种复杂流动状态，具有高度的不规则性和 随机性。为了理解和模拟湍流，需要建立一个数学模型来 描述其基本特征和规律。
3
纳维-斯托克斯方程的满足度
检验模型是否满足纳维-斯托克斯方程，以评估 模型的物理意义和准确性。
湍流流动模型的应用Байду номын сангаас例
航空航天领域
湍流流动模型用于研究飞行器在高速飞行时 产生的湍流流动现象，以提高飞行器的性能 和安全性。
能源与环境领域
湍流流动模型用于模拟燃烧过程、流体机械内部流 动等复杂湍流现象，以提高能源利用效率和环境保 护水平。
化工与制药领域
湍流流动模型用于研究化学反应过程中产生 的湍流流动现象，以提高化学反应效率和制 药工艺水平。
05
湍流流动模型的发展趋势与展 望
湍流流动模型的发展趋势
多尺度模拟
随着计算能力的提升，湍流流动模型正朝着多尺度模拟的方向发 展，以更准确地模拟湍流在不同尺度上的行为。
非线性模型
传统的线性模型在处理复杂湍流时显得力不从心，非线性模型的研 发和应用成为新的趋势。
基于本征方程的模型
本征方程模型
通过求解湍流的本征方程来描述湍流 流动。本征方程基于湍流的物理特性 ，能够更准确地描述湍流流动。但计 算量大，对计算机性能要求高。
简化的本征方程模型
为了减小计算量，对基本的本征方程 进行简化处理，如忽略某些项或采用 近似解。计算量相对较小，精度有所 降低。

第七章 湍流 流体力学课件

第七章 湍流 流体力学课件

t x y z x y z
x
将上式展开，利用平均化的连续方程，进行简化，可 以得到：
u u u v u w u 1 p 2 u uu uv uw
t x y z x
x y z
u(u v w ) 0 x y z
这就是 x 方向的平均运动方程（雷诺方程）。
Chen Haishan NIM NUIST
同理，可以得到 y ，z 方向的平均运动方程，最终得到形式如
下的平均运动（雷诺）方程：
(
u t
u
u x
v
u y
w
u) z
p x
2

( uu) x
( uv) y
( uw) z
(
v t
u
v x
v
v y
w
v) z
p y
2 v
( vu) x
( vv) y
( vw) z
(
w
u
w
v
w
w
w)
p
2 w
( wu)
如何判断流体运动的属性？确定湍流发生的条 件－－湍流判据问题。
以下简单介绍相关的 雷诺实验 在次基础上过给出确定湍流发生的判据－－临界 雷诺数及其在湍流研究中的应用。
Chen Haishan NIM NUIST
雷诺试验（1883年） 有色液体
流体
流速V V
管道直径d 流体的粘性
d
层流
过渡流
湍流
Chen Haishan NIM NUIST
p
pyx pyy pyz pzx pzy pzz
vu vv vw wu wv ww
Chen Haishan NIM NUIST

流体力学第七章 湍流.ppt

流体力学第七章 湍流.ppt
两大无法使人理解的问题: 爱因斯坦相对论和湍 流------海森堡
湍流研究大致形成两大理论：
（1）半经验理论(应用价值大)；半经验理论中最基本 的内容是“混合长度理论”。
（2）统计理论(应用价值小) 。
第一节 平均运动理论 7.1.1平均值(时、空平均)
u u u v v v 或V V V w w w
层流 这类流动的特点是所有流体质点的轨道都是平滑的 曲线，速度场和压强场是关于空间和时间的连续函数。 在层流运动中，摩擦应力服从牛顿粘性假设。
湍流 流体质点的轨道没有秩序，并且各质点间有不连续 的相对移动。
得出下述结论： （1）在扰动很小的时候，临界雷诺数可达很高的 值； （2）对于直管，Re<2000时，无论扰动多大，都 保持层流。
而 u X
t
x
Pxx u u uu
y
Pyx u v uv
z
Pzx u w uw
X x
Pxx uu
y
Pyx uv
z
Pzx uw
u u u u v u u v w u u w
x
x
y
y
z
z
u X
t
x
Pxx uu
V 1 Vdt
t t
要求 1 V dt 0或u ' v ' w' 0
t t
Current meter
为什么要求时 间平均？
由时间平均也可得出合成速度。如此，也可以合成一条流线。
3、实际求法 由于在实验上，对被测的量按时间求平均比较简单，所 以我们把这种实际情况作为在计算上只限于求时间平均值的 根据。
求平均值时的限制 1、所选体积的限制 就空间而言，在所选的一定体积τ（质心在内） ，

流体力学完整版课件全套ppt教程

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阻力系数 0.4 阻力系数 0.2 阻力系数 0.137
前言
火车站台安全线
本章小结
【学习目标】 1. 理解流体力学的学科定义； 2. 了解流体力学的发展简史； 3. 熟悉流体力学的研究方法 。
工程流体力学
中国矿业大学电力学院
§1.1 流体的定义 §1.2 连续介质假说 §1.3 流体的物理性质
流体在受到外部剪切力作用时会发生变形，其内部相应会 产生对变形的抵抗，并以内摩擦力的形式表现出来。
➢ 粘性的定义
流体的粘性就是阻止发生剪切变形的一种特性，内摩擦力则 是粘性的动力表现。
§1.3 流体的物理性质
➢ 牛顿的平板实验
实验装置：2块平板，平板间充满流体。
实验过程：用力拉动液面上的平板，直 到平板匀速前进。
前言
曹冲（公元196-208年）称象
孙权 曾 致 巨 象 ， 太祖欲知其斤重， 访之群下，咸莫能 出其理。冲曰： “置象大船之上， 而刻其水痕所至， 称物以载之，则校 可知矣。”太祖悦， 即施行焉。
前言
都江堰（公元前256年，李冰父子修都江堰）
战国时期，秦国蜀郡太 守李冰和他的儿子，修建 了著名的都江堰水利工程。 都江堰的整体规划是将岷 江水流分成两条，其中一 条引入成都平原，这样既 可以分洪减灾，又可以引 水灌田、变害为利。
前言
二、流体力学的研究方法
2. 实验室模拟
➢ 作用：实验模拟能显示运动特点及其主要趋势，实验结果可 检验理论的正确性。
➢ 优点：能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现 象和新原理，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依 据。
➢ 缺点：对不同情况，需作不同的实验，所得结果的普适性较 差。
前言

流体力学基础讲解PPT课件

流体力学基础讲解PPT课件
措施。
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。

《流体力学流动》课件


五、流体与能源
海洋能源利用
探索海洋能源如潮汐能、海流能 的开发与利用。
水电站的工作原理
了解水电站如何将水流的动能转 化为电能。
热能发电的流程和原理
深入研究热能发电的流程和原理， 包括火力发电和核能发电。
流场的描述方法
介绍流体的流动方式和描述 流场的方法。
二、流体的运动学
1
流速和流线
了解流体的速度和流体粒子的轨迹。
2
流体粒子的运动轨迹
探究流体粒子在流场中的运动方式和路径。
3
涡旋和涡量
深入研究涡旋的形成以及涡量的衡量。
三、流体的动力学
1
动能和压力能
介绍流体中的动能和压力能的概念及其应用。
2
Bernoulli方程
学习Bernoulli方程及其在流体力学中的应用。
Hale Waihona Puke 3Navier-Stokes方程
深入研究Navier-Stokes方程，理解流体动量守恒的数学描述。
四、流体的实际流动问题
空气动力学
探索空气流动对飞行器和汽车等物体的影响。
水动力学
研究水流对船只、水坝等水上设施的影响与工程应用。
流体力学的应用
介绍流体力学在工业生产、自然灾害模拟等领域的应用。
《流体力学流动》PPT课 件
欢迎来到《流体力学流动》的PPT课件！这个课件将带你深入了解流体力学的 基础知识、运动学、动力学，以及实际应用和能源相关的内容。让我们开始 这次精彩的学习之旅吧！
一、流体力学基础知识
流体的定义
了解流体的基本特性和区别 于固体的特点。
流体的基本性质
探索流体的密度、粘度、表 面张力等属性。

第七章流体在管路中的流动

图5-6 圆管中层流的速度分布
U max
J 2 J 2 r0 d 4 16
(6)
二、流量及平均流速
现求圆管中层流的流量：取半径r处厚度为d 的一个微小环形 r 面积，每秒通过这环形面积的流量为
dqV u 2rdr
由通过圆管有效截面上的流量为
Q udA
A ro
o
故油在管中是层流状态。
[例5-2] 水流经变截面管道，已知d2/d1=2，则相应的 Re2/Re1=?
解题分析
[解 ] 因
Re
Vd


4Q 1 d d
V
4Q d 2
故
d1 Re 2 / Re1 (1 / d 2 ) /(1 / d1 ) 0.5 d2
5.2 流动损失分类



沿程水头损失计算 局部水头损失计算 章目解析 从力学观点看，本章研究的是流动 阻力。
产生流动阻力的原因：
内因——粘性+惯性 外因——流体与固体壁面的接触情况流
体的运动状态(外界干扰）

从能量观看，本章研究的是能量损 失（水头损失）。


研究内容 管流：研究hw的计算（本章重 点）。 水头损失的两种形式 hf ：沿程水头损失(由摩擦引 起)； hj ：局部水头损失（由局部干 扰引起）。
w
总水头损失： h
hf hj
5.1 层流与湍流流动
粘性流体两种流动状态：

紊流状态 层流状态
一、雷诺实验.
1. 装置
2. 实验条件
液面高度恒定. 水温恒定
图5-1 雷诺实验装置
3.实验步骤
层流状态
(a)

《环境流体力学》第七章 各向同性均匀湍流


形式(7-3-9)不变，2 阶张量的一般形式可以直接写作
Aij f (xi xi )xi x j g(xi xi )ij C(xi xi )ijk rk
(7-3-14)
7.4 各向同性湍流的相关张量函数及其性质
根据各向同性湍流场的定义，各向同性湍流场中 n 阶相关的表达式必为
Ri1i2 in Ri1i2 in (ξ1, ξ2 , , ξn1) 。 称 ξ i 为相关向量。应用张量函数表达式，可以导出各向同性湍流场的各阶相关函数张量的
1)两点速度相关张量具有反对称性
Ri, j (ξ) ui (x)u j (x ξ) ui (x'ξ)u j (x') Rj,i (ξ)
2)一点自相关函数总是大于等于两点自相关函数
(7-2-1)
Rii (ξ) Rii (0)
(7-2-2)
对一般 2 阶互相关 Rij (ξ) ui (x)u j (x ξ) 应用 Schwartz 不等式，有
定义 1：沿相对向量方向的脉动速度分量的 2 阶相关称作两点纵向相关 R（ll ξ）。
定义 2：垂直于相对向量方向脉动速度分量的 2 阶相关称作两点横向相关 Rn（n ξ）。 由(7-4-1)，有 R（ll ξ） ξ2 f (ξ) g(ξ), Rnn (ξ) g(ξ) 。
可以解出 f (ξ) (Rll (ξ) Rnn (ξ)) / ξ2 和 g(ξ) Rn（n ξ），它们分别称为纵向相关系数和横向
我们还要利用第二个重要原理：如果左边 Bi C j 是多重线性的，则右边也应是多重线
性的。这样我们就可以排除 Bi Bi 等高次幂函数， BiCi 必然出现为线性乘子。也就是说，函
数式中只能包含 n 个向量的线性积。所以(7-3-2)成为

流体力学课件 ppt


流体阻力计算
利用流体动力学方程，可以计算 流体在管道中流动时的阻力，为 管道设计提供依据。
管道优化设计
通过分析流体动力学方程，可以 对管道设计进行优化，提高流体 输送效率，减少能量损失。
流体动力学方程在流体机械中的应用
泵和压缩机性能分析
流体动力学方程用于分析泵和压缩机的性能 ，预测其流量、扬程、功率等参数，为机械 设计和优化提供依据。
适用于不可压缩的流体。
方程意义
描述了流体压强与密度、重力加速度和深度之间的 关系。
Part
03
流体动力学基础
流体运动的基本概念
01
02
03
流体
流体是气体和液体的总称 ，具有流动性和不可压缩 性。
流场
流场是指流体在其中运动 的区域，可以用空间坐标 和时间描述。
流线
流线是表示流体运动方向 的曲线，在同一时间内， 流线上各点的速度矢量相 等。
能量损失的形式
流体流动的能量损失可以分为沿程损失和局部损失两种形式。沿程损失是指流体在流动过程中克服摩擦阻力而损 失的能量，局部损失是指流体在通过管道或槽道的局部障碍物时损失的能量。
Part
05
流体动力学方程的应用
流体动力学方程在管道流动中的应用
稳态流动和非稳态
流动
流体动力学方程在管道流动中可 用于描述稳态流动和非稳态流动 ，包括流速、压力、密度等参数 的变化规律。
变化的流动。
流体动力学基本方程
1 2
质量守恒方程
表示流体质量随时间变化的规律，即质量守恒原 理。
动量守恒方程
表示流体动量随时间变化的规律，即牛顿第二定 律。
3
能量守恒方程
表示流体能量随时间变化的规律，即热力学第一 定律。
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雷诺实验
第七章 湍流
Upper: Reynolds apparatus for investigating the transition to turbulence in pipe flow. Lower: Photographs of near-laminar flow (left) and turbulent flow (right) in a clear pipe much like the one used by Reynolds.
2、所选时间段的限制 就时间而言，也需要在一定的时间间隔中求其平 均状态
v
QV
1
v Vdt
t t
要求1
v Vdt
0或u'
v
'
w'
0
t t
Current meter
为什么要求时 间平均？
由时间平均也可得出合成速度。如此，也可以合成一条流线。
3、实际求法 由于在实验上，对被测的量按时间求平均比较简单，所 以我们把这种实际情况作为在计算上只限于求时间平均值的 根据。
而 u X
t
x
Pxx u u
u u
y
Pyx u v u v
z
Pzx u w u w
X x
Pxx u u
y
Pyx u v
z
Pzx u w
u u u u v u u v w u u w
u X
t
x
Pxx uuuu
y
Pyx uvuv
z
Pzx uwuw
另一方面有
u v w 0 (u u) (v v) (w w) 0
x y z
x
y
z
1 (u u) (v v) (w w)
(
)dt 0
t t x
y
z
u v w 0 x y z
同时有
(u v w) 0 x y z
v x
u y
P
zz
p
2
Pxy
v x
w
z
u
y
P
xz
w x
u z
P
x
z
w x
u z
P
yz
w y
v z
P
y
z
w y
v z
(7-1-9)
P
x
x
p
2
u x
P xx
u u
p
2
u x
P
y
y
p
2
v y
P
yy
v v
p
2
v y
P
z
z
Pxy
4、实际求法的合理性：仪器惯性
可以证明，
u u u u u u
v
v
v
v
v v
w
w
w
w
w w
湍流中的压强也有 p p p
常用的时均公式
a+b a b ka k a m m ab ab q q l l
7.1.2平均运动的微分方程——雷诺方程
在第五章中已知 :
du dt
x
x
y
y
z
z
u X
t
x
Pxx u u
y
Pyx u v
z
Pzx u w
u u v u w u
x
y
z
u X
t
x
Pxx uu
y
Pyx uv
z
Pzx uw
u u v u wu
x
y
z
红色部分合并得
du X
dt
uu uv uw
Pij vu vv vw
wu wv ww
研究湍流运动规律时的两个基本假定:
（1）连续方程和运动方程式仍是正确的。
（2）应力张量与变形速度之间的线性关系依然 正确。即
P
xx
p
2
u x
P
x
x
p
2
u x
P
yy
p
2
v y
取时均值
P
y
y
p
2
v y
P
zz
p
2
w z
Pxy
X
Pxx x
Pyx y
Pzx z
dv dt
Y
Pxy x
Pyy y
Pzy z
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Z
Pxz x
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Pzz z
或
v dV
v F
uv Px
uv P y
uv Pz
dt
x y z
Q
u t
u
u x
v
u y
w
u z
X
Pxx x
Pyx y
Pzx z
层流 这类流动的特点是所有流体质点的轨道都是平滑的 曲线，速度场和压强场是关于空间和时间的连续函数。 在层流运动中，摩擦应力服从牛顿粘性假设。
湍流 流体质点的轨道没有秩序，并且各质点间有不连续 的相对移动。
得出下述结论： （1）在扰动很小的时候，临界雷诺数可达很高的 值； （2）对于直管，Re<2000时，无论扰动多大，都 保持层流。
两大无法使人理解的问题: 爱因斯坦相对论和湍 流------海森堡
湍流研究大致形成两大理论：
（1）半经验理论(应用价值大)；半经验理论中最基本 的内容是“混合长度理论”。
（2）统计理论(应用价值小) 。
第一节 平均运动理论 7.1.1平均值(时、空平均)
u u u v v v
或Vv V
v V
p
2 v x
w
z
u
y
简单 摸 仿
P zz
Pxy
w w p 2 w z
u v
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u y
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u w
w x
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P
y
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w y
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P
yz
v w
w y
v
z
(7-1-10)
将（7-1-9）及（7-1-10）代入平均运动微分方程（7-1-7）
u v w 0 u u u v u w 0
x y z
x
y
z
u t
u
u x
v
u y
w
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u
u x
u
v y
u
w z
X Pxx Pyx Pzx x y z
u t
X
x
Pxx
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y
Pyx uv
z
Pzx
uw
对X向的运动方程求时均值得:
假定(u)u得 t t
x
Pxx uu
y
Pyx uv
z
Pzx uw
得雷诺方程
du dt
X
x
Pxx uu
y
Pyx uv
z
Pzx uw
dv dt
Y
x
Pxy uv
y
Pyy vv
z
Pzy wv
dw dt
Z
x
Pxz uw
y
Pyz vw
z
Pzz ww
(7-1-7)
7.1.3Pxx uu
y
Pyx uv
z
Pzx u w
(7 1 7)
w w w
求平均值时的限制 1、所选体积的限制 就空间而言，在所选的一定体积τ（质心在内） ，
v V
1
v Vd
其 中 d d x d y d z
这
就
要
求
1
v
V d
0
或 u ' v ' w ' 0
为什么要求 空间平均？
由空间平均得出合成速度。如此，可以合成一条流线。 困难：空间取多大是合适的？如何取？