流体力学 4-4流体动力学
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第一章绪论表面力:又称面积力,是毗邻流体或其它物体,作用在隔离体表面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:是指作用于隔离体内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:1.流体本身的物理性质(内因)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。
牛顿通过著名的平板实验,说明了流体的粘滞性,提出了牛顿内摩擦定律。
τ=μ(du/dy)τ只与流体的性质有关,与接触面上的压力无关。
动力粘度μ:反映流体粘滞性大小的系数,单位:N•s/m2运动粘度ν:ν=μ/ρ第二章流体静力学流体静压强具有特性1.流体静压强既然是一个压应力,它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向,即垂直于作用面,并指向作用面。
2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关,即同一点上各方向的静压强大小均相等。
静力学基本方程: P=Po+pgh等压面:压强相等的空间点构成的面绝对压强:以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强 Pabs相对压强:以当地大气压为基准起算的压强 PP=Pabs—Pa(当地大气压)真空度:绝对压强不足当地大气压的差值,即相对压强的负值 PvPv=Pa-Pabs= -P测压管水头:是单位重量液体具有的总势能基本问题:1、求流体内某点的压强值:p = p0 +γh;2、求压强差:p – p0 = γh ;3、求液位高:h = (p - p0)/γ平面上的净水总压力:潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P,大小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。
流体力学基础流体的性质与流体力学原理流体力学基础——流体的性质与流体力学原理流体力学是研究流体运动和流体力学基本原理的学科,广泛应用于航空、航海、能源、化工等领域。
本文将介绍流体的性质以及流体力学的基本原理。
一、流体的性质流体指的是气体和液体,在力学中被视为连续介质。
流体具有以下几个主要的性质:1. 可流动性:与固体不同,流体具有较低的粘性和内聚力,因此可以流动。
流体的流动性使其在工程领域中应用广泛,并且流体力学正是研究流体流动的力学学科。
2. 不可压性:对于液体来说,密度变化相对较小,一般可视为不可压缩的。
而对于气体来说,变化较大的压力会引起密度变化,所以流体力学中对气体流动的研究需要考虑密度的变化。
3. 流体静力学压力:流体静力学压力是由于流体自身重力或外力作用下的压力差异引起的。
流体中的每一点都承受来自其周围流体的压力。
4. 流体动力学压力:流体动力学压力是由于流体的动力作用引起的压力差异。
当流体以较高速度通过管道或物体时,流体动力学压力扮演着重要的角色。
二、流体力学原理流体力学原理是研究流体运动的基本规律,它由庞加莱提出的运动方程、贝努利定律、连续方程等组成。
以下将分别介绍这几个基本原理:1. 流体运动方程:流体运动方程描述了流体在空间中运动的规律。
流体运动方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程指出质量在流体中不会凭空消失或产生;动量守恒方程描述了流体运动中受到的作用力和压力的关系;能量守恒方程则研究了流体在流动过程中的能量转化。
2. 贝努利定律:贝努利定律是流体力学中最为著名的定律之一。
它说明了在无粘度和定常状态下,流体在不同位置的速度、压力和高度之间存在着一种平衡关系。
贝努利定律在飞行器设计和管道流动等领域中有广泛的应用。
3. 材料导数:材料导数是流体力学中用来描述物质随时间变化的速率的重要概念。
对于流体来说,由于其非刚性的特性,物质随时间的变化需要通过材料导数来描述,它包括时间导数和空间导数。
流体运动的动力学定律流体运动是自然界中一种常见的现象,它涉及到许多物理定律和原理。
在流体力学领域,有一些基本的动力学定律可以帮助我们理解和描述流体运动的规律。
本文将介绍一些重要的流体力学定律,并探讨其应用。
1. 质量守恒定律质量守恒定律是流体力学中最基本的定律之一。
它表明在任何封闭系统中,质量是不会被创造或者消失的,只会发生转移或者转化。
在流体运动中,质量守恒定律可以用以下公式表示:∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0其中,ρ是单位体积内的质量,v是流体的速度矢量,∂/∂t表示对时间的偏导数,∇·表示散度运算符。
这个方程表明质量的变化率等于流入和流出的质量之差。
2. 动量守恒定律动量守恒定律是描述流体运动中动量守恒的重要定律。
它可以用以下公式表示:ρ(∂v/∂t + v·∇v) = -∇P + ∇·τ + ρg其中,P是压力,τ是应力张量,g是重力加速度。
这个方程表明流体的动量变化率等于压力梯度、应力梯度和重力之和。
3. 能量守恒定律能量守恒定律是描述流体运动中能量守恒的基本定律。
它可以用以下公式表示:ρC(∂T/∂t + v·∇T) = ∇·(k∇T) + Q其中,C是比热容,T是温度,k是热导率,Q是单位体积内的热源。
这个方程表明流体的能量变化率等于热传导、热源产生和流体运动对温度的影响之和。
4. 流体静力学定律流体静力学定律描述了静止流体中的压力分布和压力的传递规律。
根据这个定律,静止流体中的压力在任何方向上都是相等的,并且压力沿着流体中的任意路径传递。
这个定律可以用来解释液体中的浮力现象和液体的压强。
5. 流体动力学定律流体动力学定律描述了流体运动中的压力分布和流速的关系。
根据这个定律,流体中的压力随着流速的增加而减小,在流速较大的地方压力较低,在流速较小的地方压力较高。
这个定律可以用来解释流体在管道中的流动、喷泉的原理等。
综上所述,流体运动的动力学定律是研究流体力学的基础。
流体力学中的流体动力学方程流体力学是研究流体运动规律和性质的学科,它在能源、环境、航空航天等领域有着广泛的应用。
流体动力学方程是流体力学的基础,它描述了流体在运动过程中的物理现象和力学特性。
本文将介绍流体动力学方程的基本原理和常见的流体动力学方程。
一、连续性方程连续性方程是描述流体质点质量守恒的基本方程。
它表明流体在运动过程中,质量的流入等于流出。
连续性方程可以用数学形式表示为:∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0其中,ρ是流体的密度,t是时间,v是流体的速度矢量,∇·表示散度运算符。
二、动量守恒方程动量守恒方程描述了流体质点在运动过程中动量的变化。
根据牛顿第二定律,动量守恒方程可以表示为:∂(ρv)/∂t + ∇·(ρvv) = -∇p + ∇·τ + ρg其中,p是流体的压力,τ是动态粘性应力张量,g是重力加速度。
三、能量守恒方程能量守恒方程是描述流体内能和外界能量转化的方程。
根据热力学第一定律,能量守恒方程可以表示为:∂(ρE)/∂t + ∇·(ρEv) = -∇·(pv) + ∇·(k∇T) + q其中,E是单位质量的总能量,v是流体的速度矢量,k是热传导率,T是温度,q是单位质量的内部热源。
四、状态方程流体力学中的状态方程描述了流体在热力学过程中的状态特性。
流体的状态方程通常表示为:p = ρRT其中,p是流体的压力,ρ是流体的密度,R是特定流体的气体常数,T是温度。
综上所述,流体动力学方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和状态方程。
这些方程是建立在质点假设和牛顿力学基础上的,可以描述流体在运动过程中的物理现象和运动规律。
通过求解这些方程,可以得到流体的运动速度、压力分布等信息,为解决实际问题提供了重要的理论基础。
在实际应用中,为了解决流体动力学方程的复杂性,常常采用数值模拟等方法进行求解。
数值模拟可以通过离散化方程、引入数值格式和数值算法,得到流体在离散网格上的解。