流體力學(xué)重點(diǎn)概念總結(jié)22頁

1、第一章 緒論表面力：又稱面積力，是毗鄰流體或其它物體，作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。它的大小與作用面積成比例。 剪力、拉力、壓力質(zhì)量力：是指作用于隔離體內(nèi)每一流體質(zhì)點(diǎn)上的力，它的大小與質(zhì)量成正比。 重力、慣性力流體的平衡或機(jī)械運(yùn)動(dòng)取決于：1.流體本身的物理性質(zhì)（內(nèi)因）2.作用在流體上的力（外因）流體的主要物理性質(zhì)：密度：是指單位體積流體的質(zhì)量。單位：kg/m3 。重度：指單位體積流體的重量。單位： N/m3 。流體的密度、重度均隨壓力和溫度而變化。流體的流動(dòng)性：流體具有易流動(dòng)性，不能維持自身的形狀，即流體的形狀就是容器的形狀。靜止流體幾乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，僅能抵抗壓力。流

2、體的粘滯性：即在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的阻抗剪切變形的能力。流體的流動(dòng)性是受粘滯性制約的，流體的粘滯性越強(qiáng)，易流動(dòng)性就越差。任何一種流體都具有粘滯性。牛頓通過著名的平板實(shí)驗(yàn)，說明了流體的粘滯性，提出了牛頓內(nèi)摩擦定律。=(du/dy)只與流體的性質(zhì)有關(guān)，與接觸面上的壓力無關(guān)。動(dòng)力粘度m：反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位：Ns/m2 運(yùn)動(dòng)粘度n：=/第二章 流體靜力學(xué)流體靜壓強(qiáng)具有特性1.流體靜壓強(qiáng)既然是一個(gè)壓應(yīng)力，它的方向必然總是沿著作用面的內(nèi)法線方向，即垂直于作用面，并指向作用面。2.靜止流體中任一點(diǎn)上流體靜壓強(qiáng)的大小與其作用面的方位無關(guān)，即同一點(diǎn)上各方向的靜壓強(qiáng)大小均相等。靜力學(xué)基本方程:

3、P=Po+pgh等壓面：壓強(qiáng)相等的空間點(diǎn)構(gòu)成的面絕對(duì)壓強(qiáng)：以無氣體分子存在的完全真空為基準(zhǔn)起算的壓強(qiáng) Pabs相對(duì)壓強(qiáng)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)起算的壓強(qiáng) PP=PabsPa（當(dāng)?shù)卮髿鈮海┱婵斩龋航^對(duì)壓強(qiáng)不足當(dāng)?shù)卮髿鈮旱牟钪?，即相?duì)壓強(qiáng)的負(fù)值 PvPv=Pa-Pabs= -P測(cè)壓管水頭：是單位重量液體具有的總勢(shì)能基本問題：1、求流體內(nèi)某點(diǎn)的壓強(qiáng)值：p = p0 +h；2、求壓強(qiáng)差：p p0 = h ；3、求液位高：h = （p - p0）/平面上的凈水總壓力：潛沒于液體中的任意形狀平面的總靜水壓力P，大小等于受壓面面積A與其形心點(diǎn)的靜壓強(qiáng)pc之積。注意：只要平面面積與形心深度不變: 1面積上的總壓力

4、就與平面傾角q無關(guān)； 2壓心的位置與受壓面傾角q無直接關(guān)系，是通過yc表現(xiàn)的； 3壓心總是在形心之下，在受壓面 位置為水平放置時(shí)，壓心與形心重合。作用在曲面壁上的總壓力 水平分力作用于曲面上的靜水總壓力P的水平分力Px等于作用于該曲面的在鉛直投影面上的的投影（矩形平面）上的靜水總壓力，方向水平指向受力面，作用線通過面積Az的壓強(qiáng)分布圖體積的形心。作用在曲面壁上的總壓力 垂直分力作用于曲面上的靜水總壓力P的鉛垂分力Pz等于該曲面上的壓力體所包含的液體重，其作用線通過壓力體的重心，方向鉛垂指向受力面。壓力體壓力體體積的組成：（1）受壓曲面本身； （2）通過曲面周圍邊緣所作的鉛垂面； （3）自由液面

5、或自由液面的延伸。壓力體的種類：實(shí)壓力體和虛壓力體。 實(shí)壓力體Pz方向向下；虛壓力體Pz方向向上。帕斯卡原理：靜止不可壓縮流體內(nèi)任意一點(diǎn)的壓強(qiáng)變化等值傳遞到流體內(nèi)的其他各點(diǎn)；重力場(chǎng)中靜止流體 等壓面的特點(diǎn)（1）靜止、同一水平面；（2）質(zhì)量力僅有重力； （3）連通； （4）連通的介質(zhì)為同一均質(zhì)流；第三章 流體運(yùn)動(dòng)學(xué)拉格朗日方法：是以流場(chǎng)中每一流體質(zhì)點(diǎn)作為描述對(duì)象的方法，它以流體個(gè)別質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過綜合足夠多的質(zhì)點(diǎn)（即質(zhì)點(diǎn)系）運(yùn)動(dòng)來確定整個(gè)流體的流動(dòng)。-質(zhì)點(diǎn)系法歐拉法：是以流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場(chǎng)中各空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即以流場(chǎng)作為描述對(duì)象研究流動(dòng)的方法流場(chǎng)法。流線流線的定義：是表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流

6、動(dòng)趨勢(shì)的曲線，曲線上任一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的流速方向重合。流線的性質(zhì)：a、同一時(shí)刻的不同流線，不能相交。 b、流線不能是折線，而是一條光滑的曲線。 c、流線簇的疏密反映了速度的大小跡線跡線的定義：是指某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡線。層流與紊流層流：亦稱片流，是指流體質(zhì)點(diǎn)不互相混雜，流體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的有序的直線運(yùn)動(dòng)。層流特點(diǎn)（1）有序性。 （2）水頭損失與流速的一次方成正比 Hf=kv 。 （3）在流速較小且雷諾數(shù)Re較小時(shí)發(fā)生。 （4）層流遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，粘性抑制或約束質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)。紊流：是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，質(zhì)點(diǎn)相互混摻，流體質(zhì)點(diǎn)沿很不規(guī)則無序的路徑運(yùn)動(dòng)。紊流特點(diǎn)： 無序

7、性、隨機(jī)性、有旋性、混合性。 在圓管流中水頭損失與流速的1.752次方成正比。Hf=kv 1.752 在流速較大（雷諾數(shù)較大）時(shí)發(fā)生。 4 紊流發(fā)生是受粘性和紊動(dòng)共同作用的結(jié)果有壓流與無壓流（1）有壓流：流體充滿整個(gè)流動(dòng)空間，在壓力作用下的流動(dòng)。（2）無壓流：流體具有與大氣相接觸的自由表面（未充滿整個(gè)流動(dòng)空間），在重力作用下的流動(dòng)。（3）滿流：流體充滿整個(gè)流動(dòng)空間。（4）非滿流：流體為充滿整個(gè)流動(dòng)空間。有旋流和無旋流有旋流：亦稱“渦流”。流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）在運(yùn)動(dòng)中不僅發(fā)生平動(dòng)（或形變），而且繞著自身的瞬時(shí)軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。無旋流：亦稱“勢(shì)流”、“有勢(shì)流”。流體在運(yùn)動(dòng)中，它的微小單元只有平動(dòng)或變形，

8、但不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即流體質(zhì)點(diǎn)不繞其自身任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)。恒定流與非恒定流恒定流：是指流場(chǎng)中的流體流動(dòng)，空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間而變化。嚴(yán)格的恒定流只可能發(fā)生在層流，在紊流中，由于流動(dòng)的無序，其實(shí)流速或壓強(qiáng)總有脈動(dòng)，但若取時(shí)間平均流速（時(shí)均流速）非恒定流：是指流場(chǎng)中的流體流動(dòng)，空間點(diǎn)上各水力運(yùn)動(dòng)要素均隨時(shí)間的變化而變化。在非恒定流情況下，流線的位置隨時(shí)間而變；流線與跡線不重合。在恒定流情況下，流線的位置不隨時(shí)間而變，且與跡線重合。均勻流與非均勻流均勻流遷移加速度為0均勻流中各過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植紙D沿程不變，過水?dāng)嗝媸瞧矫?，沿程各過水?dāng)嗝娴男螤詈痛笮《急３忠粯?。例：等直徑直管中的液流或者斷面形?/p>

9、和水深不變的長(zhǎng)直渠道中的水流都是均勻流。非均勻流遷移加速度不等于0的流動(dòng)非均勻流中流場(chǎng)中相應(yīng)點(diǎn)的流速大小或方向或同時(shí)二者沿程改變，即沿流程方向速度分布不均。（非均勻流又可分為急變流和漸變流）。漸變流與急變流漸變流：沿程逐漸改變的流動(dòng)。特征：1）流線之間的夾角很小即流線幾乎是平行的），同時(shí)流線的曲率半徑又很大（即流線幾乎是直線），其極限是均勻流； 2）過水?dāng)嗝婵煽醋魇瞧矫妫?3）漸變流的加速度很小，所以慣性力很小，可以忽略不計(jì)，質(zhì)量力只考慮重力作用。急變流：沿程急劇改變的流動(dòng)。特征：1）流線間夾角很大或曲率半徑較小或二者兼而有之，流線是曲線。 2）急變流的加速度較大，因而慣性力不可忽略。第四章

10、流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)元流的伯努利方程元流伯努利方程的物理意義與幾何意義z: 是元流過流斷面上單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有的位能，稱單位位能。 p/g : 是元流過流斷面上單位重量流體所具有的壓能，稱單位壓能。 z+p/g: 是元流過流斷面上單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有勢(shì)能，稱單位勢(shì)能。u 2/ 2g: 是元流過流斷面上單位重量流體所具有的動(dòng)能（kinetic energy），稱單位動(dòng)能。 （1）物理意義：1）元流各過流斷面上單位重量流體所具有的機(jī)械能（位能、壓能、動(dòng)能之和）沿流程保持不變；2）也表示了元流在不同過流斷面上單位重量流體所具有的位能、壓能、動(dòng)能之間可以相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。z 是位

11、置水頭；p/g 是壓強(qiáng)水頭；z+p/g 是測(cè)壓管水頭；u 2/ 2g 是速度水頭(velocity head) （2）幾何意義：1）元流各過流斷面上總水頭H(位置水頭、壓強(qiáng)水頭、速度水頭之和)沿流程保持不變。2）也表示了元流在不同過流斷面上位置水頭、壓強(qiáng)水頭、速度水頭之間可以相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。皮托管測(cè)流速常見的皮托管是由裝有一半圓球探頭的雙層套管組成，并在兩管末端聯(lián)接上壓差計(jì)。探頭端點(diǎn)A處開一小孔與內(nèi)套管相連，直通壓差計(jì)的一肢；外套管側(cè)表面沿圓周均勻地開一排與外管壁相垂直的小孔(靜壓孔)，直通壓差計(jì)的另一肢。測(cè)速時(shí)，將皮托管放置在欲測(cè)速度的恒定流中某點(diǎn)A，探頭對(duì)著來流，使管軸與流體運(yùn)動(dòng)的方向相一

12、致。流體的速度接近探頭時(shí)逐漸減低，流至探頭端點(diǎn)處速度為零。恒定總流的伯努利方程（1）物理意義位（置勢(shì)）能 Z：表示過流斷面上單位重量流體所具有的重力勢(shì)能；壓（力勢(shì)）能 p/g：表示過流斷面上單位重量的流體所具有的壓力勢(shì)能；動(dòng)能 v2/2g：表示過流斷面上單位重量的流體所具有的平均動(dòng)能；（2）幾何意義z： 稱為斷面位置水頭； p/g：稱為斷面壓強(qiáng)水頭；v2/2g： 稱為斷面速度水頭；z+p/g：稱為斷面測(cè)壓管水頭；z+p/g+u2/2g=H ：稱為斷面總水頭。這些量都具有長(zhǎng)度的量綱L，將這些具有水位高度的量稱為水頭?？偹^線：沿流管各總水頭值的連線，是流管坐標(biāo)的函數(shù)。 水頭線：沿流管各測(cè)壓管水頭

13、值的連線，是流管坐標(biāo)的函數(shù)。 水力坡度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的水頭損失。測(cè)壓管水頭線坡度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上測(cè)壓管水頭的降低或升高。對(duì)均勻流動(dòng)，則總水頭線與測(cè)壓管水頭線平行，即J = JP能量方程（伯努力方程）適用條件1）恒定流動(dòng)；2）流體不可壓縮；3）質(zhì)量力只有重力作用；4）兩過水?dāng)嗝嫣帪榫鶆蛄骰驖u變流；5）流量沿程不變；6）兩過水?dāng)嗝骈g無能量輸入輸出。第六章 流動(dòng)阻力和水頭損失產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動(dòng)。：?jiǎn)挝恢亓苛黧w的平均能量損失稱為水頭損失。沿程阻力和沿程水頭損失：沿程阻力：當(dāng)限制流動(dòng)的固體邊界使流體作均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力形成的阻力。沿程水頭損失：由沿程阻力作功而

14、引起的水頭損失。沿程水頭損失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，隨流程的增加而增加。局部阻力和局部水頭損失局部阻力：液流因固體邊界急劇改變而引起速度分布的變化，從而產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。局部水頭損失：由局部阻力作功而引起的水頭損失稱為局部水頭損失。局部阻力水頭損失hj ：主要是因?yàn)楣腆w邊界形狀突然改變，從而引起水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，產(chǎn)生漩渦，以及在局部阻力之后，水流還要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)新的均勻流條件所造成的。水頭線圖的繪制方法：1、繪制總水頭線?？偹^線總是沿程下降。在有局部水頭損失的地段，有較集中的下降；在有沿程水頭損失的地段，則逐漸的下降。在有外加能量的地點(diǎn)，則有一個(gè)集中的上升。2、繪

15、制測(cè)壓管水頭線。測(cè)壓管水頭線比總水頭線處處低一個(gè)流速水頭值。測(cè)壓管水頭線可能沿程下降，也可能會(huì)升高。3、利用已知邊界條件作為水頭線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。注意：1、理想流動(dòng)流體的總水頭線為水平線；2、實(shí)際流動(dòng)流體的總水頭線恒為下降曲線；3、測(cè)壓管水頭線可升、可降、可水平。4、若是均勻流，則總水頭線平行于測(cè)壓管水頭線，即J=JP。3、流態(tài)的判別準(zhǔn)則 臨界雷諾數(shù)Rec雷諾實(shí)驗(yàn)揭示了水流的兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流;并測(cè)定了流動(dòng)損失及水流速度與流態(tài)之間的關(guān)系。（1）臨界流速判別：因不同的管徑大小、流體種類和流體溫度，得到的臨界流速不同。（2）臨界雷諾數(shù)判別：臨界流速v與過流斷面的特性幾何尺寸(管徑)d、流體的動(dòng)

16、力粘度和密度有關(guān)，這四個(gè)量可以組成一個(gè)特征數(shù)(量綱一的量或無量綱數(shù))稱雷諾數(shù) Re 雷諾數(shù)的物理意義：雷諾數(shù)是以宏觀特征量表征的流體質(zhì)點(diǎn)所受慣性力與粘性力之比。粘性底層：圓管作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近管壁處存在著一薄層，該層內(nèi)流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流附加切應(yīng)力可以忽略，速度近似呈線性分布， 這一薄層就稱為粘性底層。（隨雷諾數(shù)增大而減?。┪闪骱诵模赫承缘讓又獾囊毫鹘y(tǒng)稱為紊流核心。絕對(duì)粗糙度():粗糙突出管壁的平均高度。相對(duì)粗糙度:管壁的絕對(duì)粗糙度與管徑的比值.尼古拉茲實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯垦爻套枇ο禂?shù)與雷諾數(shù)Re和管壁相對(duì)粗糙度Ks/d之間的關(guān)系，揭示的變化規(guī)律。第1區(qū)層流區(qū)， l=f(

17、Re) 。l=64/Re，沿程損失與流速的一次方程正比。第2區(qū)層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^渡區(qū)。l=f(Re) ，范圍較小，一般按水力光滑區(qū)處理。第3區(qū)水力光滑管區(qū)。紊流狀態(tài)，Re3000, l=f(Re) ，水頭損失與流速的1.75次方成比例。第4區(qū)由“光滑管區(qū)”轉(zhuǎn)向“粗糙管區(qū)”的紊流過渡區(qū)，l=f(Re, D/d) 。第5區(qū)水力粗糙管區(qū)或阻力平方區(qū)。 l=f（D/d），水流處于發(fā)展完全的紊流狀態(tài)，水流阻力與流速的平方成正比，故又稱阻力平方區(qū)。 當(dāng)量粗糙度把直徑相同、紊流粗糙區(qū)值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks定義為該管材工業(yè)管道的當(dāng)量粗糙。附面層（邊界層）：粘度小的流體（如水和空氣）繞過物體運(yùn)動(dòng)時(shí)

18、，摩擦阻力主要發(fā)生在緊靠物體表面的一個(gè)流速梯度很大的流體薄層內(nèi)，粘性影響起主要作用。形狀阻力：指流體繞曲面體或具有銳緣棱角的物體流動(dòng)時(shí)，附面層要發(fā)生分離，從而產(chǎn)生旋渦所造成的阻力。這種阻力與物體形狀有關(guān)，故稱為形狀阻力。卡門渦街當(dāng) Re40 時(shí)黏性流體繞過圓柱體，發(fā)生邊界層分離，在圓柱體后面產(chǎn)生一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的對(duì)稱旋渦； Re 4070對(duì)稱旋渦位置已不穩(wěn)定，尾流有周期 性振蕩；Re 90 時(shí)，旋渦從柱體后部交替釋放出來，形成有規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦組合，這種旋渦具有一定的脫落頻率，稱為卡門渦街.繞流阻力細(xì)長(zhǎng)流線型物體，以平板為例，繞流阻力主要由摩擦阻力來決定，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān);鈍頭曲面物體，以圓柱和圓球?yàn)槔@流阻力既與摩擦阻力有關(guān)，又與壓差（形狀）阻力有關(guān)。在低雷諾數(shù)時(shí)，主要為摩擦阻力，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)。在高雷諾數(shù)時(shí)，主要為壓差（形狀）阻力。第七章