工程流體力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)

連續(xù)介質(zhì)模型：將流體作為無窮多稠密、沒有間隙的流體質(zhì)點構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)壓縮性質(zhì)和膨脹性質(zhì)：流體在一定的溫度下壓強增大，體積減??；壓強一定，溫度變化，體積相應(yīng)變化。所有流體都具有這種特性。流體黏性：流體流動時產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，是物體固有屬性，但只有在運動狀態(tài)下才能顯現(xiàn)。影響粘性的因素：壓強：壓強改變對氣體和液體的粘性的影響有所不同。由于壓強變化，對分子的動量交換影響非常小，所以氣體的粘性隨壓強的變化很小。壓強增大時對分子的間距影響明顯，故液體的粘性受壓強變化的影響較氣體大。溫度：溫度升高時氣體的分子熱運動加劇，氣體的粘性增大，分子距增大對氣體粘性的影響可以忽略不計。對于液體，由于溫度升高體積膨脹，分子距增大，分子間的引力減小，故液體的粘性隨溫度的升高而減小。而液體溫度升高引起的液體分子熱運動的變化對粘性的影響可以忽略不計。理想流體：為了處理工程實際問題方便起見建立一個沒有黏性的理想流體模型，即把假想沒有黏性的流體作為理想流體。牛頓流體：剪切應(yīng)力和流體微團角變形速度成正比的流體即符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體非牛頓流體：剪切應(yīng)力和角變形之間不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體表面張力：自由液體分子間引力引起的，其作用結(jié)果使得液面好像一張緊的彈性膜毛細(xì)現(xiàn)象：由于內(nèi)聚力和附著力的差別使得微笑間隙的液面上升和下降的現(xiàn)象絕對壓強：以絕對真空為基準(zhǔn)度量的壓強相對壓強/計示壓強：以大氣壓為基準(zhǔn)的度量真空：當(dāng)被測流體的絕對壓強低于大氣壓時，測得的計示壓強為負(fù)值，負(fù)的表壓強流體靜壓強：當(dāng)流體處于平衡或相對平衡狀態(tài)時，作用在流體上的應(yīng)力只有法向應(yīng)力而沒有切向應(yīng)力；此時，流體作用面上的法向應(yīng)力就是靜壓強p，（單位Pa）流體靜壓強特性：流體靜壓強的作用方向沿作用面的內(nèi)法線方向。靜止流體中任一點的流體靜壓強與作用面在空間的方位無關(guān)，只是坐標(biāo)點的連續(xù)可微函數(shù)。歐拉平衡方程物理意義：在靜止流體內(nèi)部的任一點上，作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力和流體靜壓強相平衡。流體平衡條件：只有在有勢的質(zhì)量力作用下，不可壓縮流體才能處于平衡狀態(tài)定常流動：將流場中流動參量均不隨時間發(fā)生變化的流動；否則稱為非定常流動跡線：流體質(zhì)點在流場中運動時，由一點到另一點所描繪的運動軌跡。流線：流場中某一瞬時的光滑曲線，該曲線上的流體質(zhì)點的運動方向均和該曲線相切系統(tǒng)：由確定的流體質(zhì)點組成的流體團或流體體積V(t)；控制體：相對于坐標(biāo)系固定不變的空間體積V。是為了研究方便而取定的相似準(zhǔn)則：在幾何相似的條件下，兩種物理現(xiàn)象保證相似的條件或準(zhǔn)則兩個流場完全相似的重要特征和條件：模型與原流場的 幾何相似 運動相似 動力相似處于XX場下的兩個相似流場，xx必然相似重力相似準(zhǔn)則（弗勞德準(zhǔn)則）：重力之比：粘性力相似準(zhǔn)則（雷諾準(zhǔn)則）：黏性力之比：壓力相似準(zhǔn)則（歐拉準(zhǔn)則）：總壓力之比：彈性力相似準(zhǔn)則（柯西準(zhǔn)則）：彈性力之比：表面張力相似準(zhǔn)則（韋伯準(zhǔn)則）：張力之比：非定常相似準(zhǔn)則（斯特勞哈爾準(zhǔn)則）：當(dāng)?shù)丶铀俣纫鸬膽T性力之比：相似流動滿足的條件：任何相似流動都屬于同一類流動，相似流場對應(yīng)點上的各種物理量，都應(yīng)該為相同的微分方程所描述。相似流場對應(yīng)點上的各物理量都有唯一確定的解，即流動滿足單值條件。由單值條件中的物理量所確定的相似準(zhǔn)則數(shù)相等是流動相似必須滿足的條件粘性流體總流的伯努利方程適用條件：流動為定常流動；流體為黏性不可壓縮的重力流體；列方程的兩過流斷面必須是緩變流截面，而不必顧及兩截面間是否有急變流紊流時均值：在時間間隔內(nèi)某一流動參量的平均值。公式：沿程損失：是發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失，是由流體的粘滯力造成的損失。其大小和流體流動的狀態(tài)及管道壁面的粗糙狀態(tài)有關(guān)局部損失：定義：發(fā)生在流動狀態(tài)急劇變化的急變流中。流體流過管路中一些局部件時，流線變形，方向變化，速度重新分布，還有漩渦的產(chǎn)生因素，使得流體質(zhì)點間產(chǎn)生劇烈能量交換而產(chǎn)生損失。發(fā)生原因：流體經(jīng)過這些局部件時，由于流通截面，流動方向的急劇變化，引起速度場的迅速變化增大流體間的摩擦，碰撞以及形成渦旋等原因。光滑管/水力光滑：當(dāng)時，粘性底層完全淹沒了管壁的粗糙凸出部分。這是紊流完全感受不到關(guān)閉粗糙度的影響，流體好像在完全光滑管道中流動一樣，這種情況的管內(nèi)流動稱為光滑管/水力光滑粗糙管/水力粗糙：當(dāng)時，管壁粗糙凸出部分有一部分或者大部分暴露在紊流區(qū)中，當(dāng)流體流出凸出部分時，將產(chǎn)生漩渦，造成能量損失。管壁粗糙度將對紊流產(chǎn)生影響。這種情況管內(nèi)流動稱為粗糙管/水力粗糙尼古拉茲曲線：層流區(qū)Re2320，管壁的相對粗糙度對沿程損失系數(shù)沒有影響；過渡區(qū)2320Re4000，為由層流向紊流的轉(zhuǎn)捩區(qū)，可能是層流也可能是紊流，數(shù)據(jù)分散無規(guī)律；紊流光滑管區(qū)，該區(qū)沿程損失系數(shù)與相對粗糙度無關(guān)，只與雷諾數(shù)有關(guān)；紊流粗糙管過渡區(qū)，隨著雷諾數(shù)增大，黏性底層逐漸減薄，水力光滑管逐漸變?yōu)樗Υ植诠?，進入粗糙管過渡區(qū)。相對粗糙度大的管流首先離開光滑管區(qū)，而且隨著Re增大，增大。該區(qū)域的沿程損失系數(shù)與相對粗糙度、雷諾數(shù)有關(guān)；紊流粗糙管平方阻力區(qū)，該區(qū)內(nèi)流動能量損失主要決定于流體質(zhì)點的脈動，黏性的影響可以忽略不計。沿程損失系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)，只與相對粗糙度有關(guān)，流動的能量損失與流速的平方成正比莫迪圖：層流區(qū)；臨界區(qū)（過渡區(qū)）；光滑管；過渡區(qū)（紊流粗糙管過渡區(qū)）；完全粗糙區(qū)（紊流粗糙管平方阻力區(qū)）水擊現(xiàn)象：當(dāng)管道中的閥門突然關(guān)閉時，以一定的壓強流動的水由于受阻速度突然降低，壓強突然升高。突然升高的壓強迅速向上游傳播，并在一定條件下反射回來，產(chǎn)生往復(fù)波動而引起管道振動。危害：水擊引起的壓強波動值很高，可達管道正常工作壓強的幾十倍甚至幾百倍，會嚴(yán)重影響管道系統(tǒng)的正常流動和水泵的正常運轉(zhuǎn)，壓強很高的水擊還會造成管道、管件的破裂?？栈涸?0度時，如果將水的壓強降到飽和蒸汽壓強2.3kPa以下也會產(chǎn)生沸騰，為了和100度時的沸騰加以區(qū)分，通常稱這種現(xiàn)象為空化空蝕：空泡潰滅時造成材料表面剝蝕的空蝕現(xiàn)象氣流的三種狀態(tài)：滯止?fàn)顟B(tài)：如果氣流按照一定的過程滯止到0，這時參數(shù)稱為滯止參數(shù)，滯止?fàn)顟B(tài)為實際中存在狀態(tài)；極限狀態(tài)：氣體的焓全部轉(zhuǎn)化為氣體宏觀運動的動能，即靜壓和靜溫為零，氣流速度達到極限速度，這一速度是氣流膨脹到完全真空所能達到的最大速度；臨界狀態(tài)：隨著氣流速度增大在某一點上會有氣流速度等于當(dāng)?shù)芈曀俚臓顟B(tài)，即Ma=1該態(tài)稱為臨界狀態(tài)壅塞現(xiàn)象：由于噴管出口的氣流壓強高于環(huán)境背壓，氣體在噴管內(nèi)沒有完全膨脹，氣體出噴管后繼續(xù)膨脹，故稱膨脹不足。此時，雖然背壓小于臨界壓強，由于微弱擾動波不能逆流上傳，流量不再隨背壓降低而增大的現(xiàn)象氣流參數(shù)和通道截面之間的關(guān)系：對于一維定常絕能等熵流動，不論是亞聲速還是超聲速，若氣流加速運動，壓強、密度和溫度不斷下降，氣流經(jīng)歷的是膨脹加速的過程；反之，當(dāng)氣流減速流動時，其經(jīng)歷的是壓縮過程，氣流變化都與馬赫數(shù)有關(guān)Ma1時，氣流作超聲速流動，對于超聲氣流，隨著截面積的增大，氣流速度增大，壓強降低；截面積減小，則氣流速度減小，壓強增大。參數(shù)變化規(guī)律和不可壓縮流體截然相反。Ma=1時，氣流跨聲速流動，氣流由亞聲速變?yōu)槌曀贂r，管道必須先收縮，后擴張，中間必然出現(xiàn)一個最小截面，在這一截面上氣流速度實現(xiàn)聲速，達到臨界狀態(tài)，最小截面稱為喉部，其后隨著截面積的增大，氣流做超聲速流動。綜上所述，不論是亞聲速氣流轉(zhuǎn)化為超聲速氣流，還是超聲速氣流轉(zhuǎn)化為亞聲速氣流，除要求氣流在進出口的參數(shù)以外，還必須要求氣流在最小截面上達到聲速，否則，就不會達到預(yù)想的流動速度。有旋流動：流體微團的旋轉(zhuǎn)角速度不等于零的流動無旋流動：流體微團的旋轉(zhuǎn)角速度等于零的流動旋渦強度（渦通量）：在渦量場中選取一微元面積其上流體微團的渦通量為的外法線方向，定義為任意微元面積上的旋渦強度，也稱渦通量。任意面積上的旋渦強度為速度環(huán)量：在流場的封閉周線上，流體速度矢量沿周線的線積分均勻等速流：流速的大小和方向沿流線不變的流動為均勻流，若流線平行且流速相等，則稱均勻等速流點源和點匯：無限大平面上，流體從一點沿徑向直線均勻的向外流出的流動稱為點源，如果流體沿徑向均勻的流向一點，稱為點匯。蠕流：雷諾數(shù)很低的流動邊界層：物體壁面附近存在大的速度梯度的薄層。黏性流體繞流物體時，由于黏性的作用，在物體的表面附近，存在一速度急劇變化的薄層邊界層。邊界層的特點：邊界層內(nèi)沿壁面法線方向速度梯度很大；與物體的特征長度相比，邊界層的厚度很??；邊界層沿流體流動方向逐漸增厚，其外緣與流線不重合；在邊界層內(nèi)粘滯力與慣性力屬于同一數(shù)量級；邊界層內(nèi)沿壁面法線方向各點的壓強相等，都等于主流在邊界層外緣對應(yīng)點上的壓強；邊界層內(nèi)流體也有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。以雷諾數(shù)判別。名義厚度 邊界層厚度：取壁面沿壁到壁面外法線上速度達到勢流區(qū)速度的99%處的距離作為邊界層的厚度，這一厚度也稱邊界層的名義厚度 。邊界層分離：當(dāng)不可壓縮粘性流體縱向流過平板時，在邊界層外邊屆上沿流動方向的速度是相同的，整個勢流流場中的壓強及流速均保持不變，但當(dāng)粘性流體劉靜曲面物體時，壓強將沿流程變化。逆壓梯度區(qū)域?qū)⒂锌赡墚a(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象。卡門渦街：粘性流體均勻等速流定常德繞過圓柱體，當(dāng)雷諾數(shù)小于1，稱低雷諾數(shù)流動。由于圓柱體后部流體的速度減小和壓強增加均很小，邊界層無明顯的分離，流動圖譜和理想流體幾乎相同。隨著雷諾數(shù)的增加，開始有分離現(xiàn)象產(chǎn)生，當(dāng)雷諾數(shù)大于4時，圓柱后部出現(xiàn)一對駐渦。隨著雷諾數(shù)的繼續(xù)增