實驗流體力學1

1、實驗流體力學實驗流體力學陳應(yīng)華陳應(yīng)華華中科技大學華中科技大學 土木學院力學系土木學院力學系緒緒 論論第第1章章 流體力學基礎(chǔ)流體力學基礎(chǔ)第第2章章 實驗的基本理論實驗的基本理論第第3章章 運動流體中的壓差測量運動流體中的壓差測量第第4章章 風洞和水槽試驗風洞和水槽試驗第第5章章 熱線風速儀與湍流測量熱線風速儀與湍流測量第第6章章 激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)第第7章章 粒子圖像測速技術(shù)粒子圖像測速技術(shù)第第8章章 流動顯示方法流動顯示方法實驗流體力學實驗流體力學 參 考 教 材 1 朱仁慶，揚松林，楊大明，實驗流體力學， 國防工業(yè)出版社，北京，2005。 2 戴昌暉，流體流動測量，航空工

2、業(yè)出版社， 北京，1991。3 徐有恒，穆晟，基礎(chǔ)流體實驗，復旦大學出 版社，上海，1990。4 周光坰，流體力學上、下冊，高等教育出版 社，北京，2003。實驗流體力學實驗流體力學 緒 論 實驗流體力學是和理論流體力學、計算流體力學并列的流體力學三大分支之一，也是實驗力學的重要組成部分。 可以這樣說，一個國家的科學技術(shù)水平常常反映在實驗室中。因此，實驗流體力學的研究情況在一定意義上反映著整個流體力學學科的水平。 3. 利用模擬技術(shù)解決工程實際問題及研究相應(yīng)的流動規(guī)律。 4. 發(fā)展實驗儀器和測量方法。 2.2. 研究各種流動現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系。 1.1. 不斷研究流體運動中的新現(xiàn)象和探索其規(guī)律。

3、一一. .實驗流體力學的主要任務(wù)： . 完整地建立了流體靜力學理論。 . 提出了流體與物體運動之間的相對性原理。主要成就：主要成就： 1.1. 第一時期17世紀中葉以前。 二二. .實驗流體力學發(fā)展簡史： . 定性地研究了管流與某些無壓流動。 . 初步發(fā)展了各種流體機械，等等。 . 發(fā)展了基本實驗設(shè)備、儀器和顯示與測量技術(shù)。 2.2. 第二時期17世紀中葉至20世紀初葉。 . 發(fā)現(xiàn)伯努利與達西等定律和湍流與空化等現(xiàn)象。主要成就：主要成就： . 研究了在流體中運動的物體（包括圓球、平板、船舶、炮彈、翼型等）所受的力，特別是阻力。 . 詳細和系統(tǒng)地研究了圓管層流流動。 . 提出了流體的動力相似理論

4、。 3.3. 第三時期20世紀初葉以后。主要成就：主要成就： . 進一步發(fā)展了實驗設(shè)備、儀器和顯示與測量技術(shù)。 . 發(fā)現(xiàn)更多的流動新現(xiàn)象（比如分離、湍斑、湍塞、相干結(jié)構(gòu)、貝爾德現(xiàn)象等）。 . 提出邊界層概念并開展這方面研究。 . 研究典型物體（如圓球、圓柱、平板、流線型物體等）的繞流問題和圓管、渠道中的流動。 .圍繞航空、航天的需要研究翼型、機翼，廻轉(zhuǎn)體與組合體的空氣動力特性。 .研究流動過渡和湍流現(xiàn)象。 .驗證理論（如NS方程、邊界層概念、邊界層動量積分關(guān)系式等）。 .在實驗中大量應(yīng)用計算技術(shù)。第第1 1章章 流體力學基流體力學基礎(chǔ)礎(chǔ)1-11-1 流體與流體力學流體與流體力學1-21-2 流

5、體的粘性流體的粘性1-31-3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法1-41-4 跡線和流線跡線和流線1-51-5 伯努利方程伯努利方程1-61-6 伯努利方程應(yīng)用舉例伯努利方程應(yīng)用舉例1-71-7 湍流與復雜流動湍流與復雜流動流體力學基礎(chǔ)流體力學基礎(chǔ)、等離子態(tài)和超固態(tài)等離子態(tài)和超固態(tài)牛頓流體：牛頓流體： 油、水、空氣等油、水、空氣等1-1 流體與流體力學一一. .研究對象研究對象物質(zhì)狀態(tài)：物質(zhì)狀態(tài)： 固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)1. 1. 實驗流體力學實驗流體力學 直接解決生產(chǎn)問題，檢驗和建立理論；直接解決生產(chǎn)問題，檢驗和建立理論； 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象； 普適性較差，受到費用和環(huán)境限

6、制。普適性較差，受到費用和環(huán)境限制。 三三. .研究方法研究方法二二. .發(fā)展歷史發(fā)展歷史2. 2. 理論流體力學理論流體力學 建立簡化的數(shù)學模型時需要一定的假設(shè)，建立簡化的數(shù)學模型時需要一定的假設(shè)， 必須證實簡化模型的合理性；必須證實簡化模型的合理性； 由于數(shù)學上的困難，能獲得解析解的問題由于數(shù)學上的困難，能獲得解析解的問題 的數(shù)量有限。的數(shù)量有限。3. 3. 計算流體力學計算流體力學 計算機性能提高，計算方法改進，作用計算機性能提高，計算方法改進，作用 越來越大；越來越大； 數(shù)值計算是近似方法，需要用實驗和分數(shù)值計算是近似方法，需要用實驗和分 析的結(jié)果驗證方法的可靠性；析的結(jié)果驗證方法的可

7、靠性； 數(shù)值方法對復雜而又缺乏完善數(shù)學模型數(shù)值方法對復雜而又缺乏完善數(shù)學模型 的問題是無能為力的。的問題是無能為力的。四四. .基本原理基本原理質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律 能量守恒定律能量守恒定律牛頓運動定律牛頓運動定律熱力學定律熱力學定律流體在微小剪切力作用下不能保持形狀，具有流動性。流體在微小剪切力作用下不能保持形狀，具有流動性。固體可以在靜止固體可以在靜止狀態(tài)承受切向力狀態(tài)承受切向力固體摩擦力與流體粘性阻力的不同表現(xiàn)固體摩擦力與流體粘性阻力的不同表現(xiàn)流體以持續(xù)變流體以持續(xù)變形承受切向力形承受切向力1-2 1-2 流體的粘性流體的粘性 流體粘性形成原因：流體粘性形成原因：（）兩層液體之間的粘

8、性力決定于分子內(nèi)聚力（）兩層液體之間的粘性力決定于分子內(nèi)聚力（）兩層氣體之間的粘性力（）兩層氣體之間的粘性力決定于決定于分子動量交換分子動量交換粘附在固壁上的流體質(zhì)點與固壁一起運動粘附在固壁上的流體質(zhì)點與固壁一起運動 壁面無滑移假定：壁面無滑移假定：大量實驗證實了大量實驗證實了壁面無滑移假定壁面無滑移假定溫度對流體粘度的影響大，溫度對流體粘度的影響大，壓強對粘度的影響小壓強對粘度的影響小流體的分類流體的分類（1 1）牛頓流體和非牛頓流體）牛頓流體和非牛頓流體（2 2）粘性流體和理想流體）粘性流體和理想流體（3 3）可壓縮流體和不可壓縮流體）可壓縮流體和不可壓縮流體( (按流體的物理性質(zhì)按流體的

9、物理性質(zhì)) )1-3 1-3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法一一. 流體質(zhì)點的速度：流體質(zhì)點的速度：) , , ,() , , ,(tzyxtzyxpp第第1章章 流體力學基流體力學基礎(chǔ)礎(chǔ) 歐拉法中的速度函數(shù)是定義在空間點上的，它們歐拉法中的速度函數(shù)是定義在空間點上的，它們是空間點坐標（是空間點坐標（x, y, z）的函數(shù)。的函數(shù)。 ) t z, y, x,( w ) t z, y, x,( v ) t z, y, x,(u wvukwjviuV第第1章章 流體力學基流體力學基礎(chǔ)礎(chǔ) 由速度分布求加速度：由速度分布求加速度：tot01)(limvva上式中用粗體字母表示矢量。上式中用粗體字

10、母表示矢量。kwjviuV 設(shè)某個質(zhì)點，設(shè)某個質(zhì)點，t t 時刻位于（時刻位于（x, y, zx, y, z），），速度為：速度為：),(0tzyxVt+t t+t 時刻位于時刻位于( (x+x, y+y, z+z)x+x, y+y, z+z)，速度為：，速度為：),(1ttzzyyxxVV0和和V1的關(guān)系為：的關(guān)系為：zzVyyVxxVttVVV01 加速度：加速度：而：而：zzyyxxttVVVVVV01注意到：注意到：wtzvtyutxttt000lim,lim,lim因此：因此：zwyvxutVVVVatot01)(limvva若用粗體字母表示矢量，則：若用粗體字母表示矢量，則：dtd

11、zwyvxutVVVVVa加速度的投影值：加速度的投影值：dtduzuwyuvxuutuaxdtdvzvwyvvxvutvaydtdwzwwywvxwutwaz二二.質(zhì)點加速度和質(zhì)點導數(shù)：質(zhì)點加速度和質(zhì)點導數(shù)：質(zhì)點加速度質(zhì)點加速度 質(zhì)點速度矢量對時間的變化率。質(zhì)點速度矢量對時間的變化率。 VVtVzVwyVvxVutVdtVda)(局部加速度對流加速度 質(zhì)點的加速度包括兩個部分：質(zhì)點的加速度包括兩個部分：（1 1）局部加速度）局部加速度（時變加速度，當?shù)丶铀俣葧r變加速度，當?shù)丶铀俣龋┨囟ㄌ囟臻g點上速度對時間的變化率；空間點上速度對時間的變化率； （2 2）對流加速度）對流加速度（遷移加速度遷

12、移加速度） 對應(yīng)于質(zhì)點空間對應(yīng)于質(zhì)點空間位置改變所產(chǎn)生的速度變化。位置改變所產(chǎn)生的速度變化。質(zhì)點導數(shù)質(zhì)點導數(shù) 質(zhì)點物理參數(shù)對時間的變化率。質(zhì)點物理參數(shù)對時間的變化率。 物理參數(shù)的物理參數(shù)的質(zhì)點導數(shù)質(zhì)點導數(shù) = = 局部導數(shù)局部導數(shù) + + 對流導數(shù)對流導數(shù) zwyvxutdtdzwyvxutdtd:例如zpwypvxputpdtdp對流加速度：對流加速度：由于截面面積變化，流體質(zhì)點的由于截面面積變化，流體質(zhì)點的速度沿流程變化。速度沿流程變化。舉舉例例局部加速度：局部加速度：隨著流量變化，不同時間經(jīng)過同一隨著流量變化，不同時間經(jīng)過同一點的流體質(zhì)點速度不同。點的流體質(zhì)點速度不同。流量隨時間變化的變

13、截面管流動流量隨時間變化的變截面管流動1.3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法三三. .流動的分類：流動的分類：. .恒定流（定常流動）：恒定流（定常流動）： . .非恒定流（非定常流動）：非恒定流（非定常流動）：，等等?；蜻@時：),(),(tzyxpptzyxuu，等等。，特征：00tptwtvtu流場中各點處的所有流動參數(shù)均不隨時間而變化的流動。流場中各點處的所有流動參數(shù)均不隨時間而變化的流動。 流場中各點的流體質(zhì)點的所有流動參數(shù)中只要有一個隨時流場中各點的流體質(zhì)點的所有流動參數(shù)中只要有一個隨時間而變化，這樣的流動就稱為間而變化，這樣的流動就稱為非非恒定流。恒定流。1.1.恒定流與非恒

14、定流：恒定流與非恒定流：? 0 ? 0tptu定常流動和非定常流動舉例： 空間點上的流動參數(shù)是否隨時間變化？空間點上的流動參數(shù)是否隨時間變化？1.3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法2.2.均勻均勻流、非流、非均勻均勻流、漸變流、急變流：流、漸變流、急變流：. .均勻均勻流與非流與非均勻均勻流：流：. .漸變流與急變流：漸變流與急變流：3.3.一元一元流動、流動、二元二元流動、流動、三元三元流動：流動： 若流體的流動參數(shù)是空間三個坐標和時間的函數(shù)，這種若流體的流動參數(shù)是空間三個坐標和時間的函數(shù)，這種流動稱為流動稱為三元三元流動；若流動參數(shù)是兩個坐標和時間的函數(shù)，流動；若流動參數(shù)是兩個坐標和

15、時間的函數(shù)，這種流動稱為這種流動稱為二元二元流動；若流動參數(shù)是一個坐標和時間的流動；若流動參數(shù)是一個坐標和時間的函數(shù)，這種流動稱為函數(shù)，這種流動稱為一元一元流動。流動。 在給定時刻，流場中各流線都是平行直線的流動稱為在給定時刻，流場中各流線都是平行直線的流動稱為均勻均勻流；否之，則為非流；否之，則為非均勻均勻流。流。 在非在非均勻均勻流中，各流線是接近于平行直線的流動稱為漸流中，各流線是接近于平行直線的流動稱為漸變流變流（或稱緩變（或稱緩變流）；否之，則為急變流。流）；否之，則為急變流。噴管內(nèi)粘性流體流動的速度分布實際流動實際流動 u=u(x, y, z, t) 三元流動三元流動流動參數(shù)的變化

16、與幾個空間坐標有關(guān)？流動參數(shù)的變化與幾個空間坐標有關(guān)？1.3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法噴管內(nèi)粘性流體流動的速度分布考慮軸對稱，考慮軸對稱， u=u(r, x, t) 二元流動二元流動流動參數(shù)的變化與幾個空間坐標有關(guān)？流動參數(shù)的變化與幾個空間坐標有關(guān)？1.3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法噴管內(nèi)粘性流體流動的速度分布考慮平均流速考慮平均流速 V=V(x, t) 一元流動一元流動流動參數(shù)的變化與幾個空間坐標有關(guān)？流動參數(shù)的變化與幾個空間坐標有關(guān)？1.3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法繞無限翼展的二元流動繞無限翼展的二元流動 z x y 1.3 描述流體運動的方法描述流體運動

17、的方法繞有限翼展的三元流動繞有限翼展的三元流動 z x y1.3 描述流體運動的方法描述流體運動的方法1-41-4 跡線和流線跡線和流線第第1章章 流體力學基流體力學基礎(chǔ)礎(chǔ)1.1.跡線、流線與脈線的定義跡線、流線與脈線的定義： 跡線：給定流體質(zhì)點在一段連續(xù)時間內(nèi)的運動軌跡。跡線：給定流體質(zhì)點在一段連續(xù)時間內(nèi)的運動軌跡。 流線：某瞬時流線：某瞬時, , 如果流場中的某一條曲線上每一點的切如果流場中的某一條曲線上每一點的切線都與該點的流體質(zhì)點的速度方向相同線都與該點的流體質(zhì)點的速度方向相同, , 則稱此曲線為該瞬則稱此曲線為該瞬時的一條時的一條 流線流線。 流線和跡線流線和跡線的區(qū)別：的區(qū)別：流線

18、和跡線的區(qū)別：流線和跡線的區(qū)別：t1abcaVbVcVaat1+ tt1+ 2t質(zhì)點質(zhì)點a的軌跡的軌跡t=tt=t1 1的流線的流線跡線 - 流體質(zhì)點的運動軌跡線。流線 - 處處與質(zhì)點速度矢量相切的空間曲線。2.2.流線的特征：流線的特征：u1 1）. .流線上任一點的流體質(zhì)點的運動方向與該點流線相切。流線上任一點的流體質(zhì)點的運動方向與該點流線相切。u2 2）. .流線一般為光滑曲線流線一般為光滑曲線。u3 3）. .流線與流線一般不相交。流線與流線一般不相交。u4 4）. .恒定流時流線恒定流時流線、跡線與跡線與脈線脈線重合。重合。3.3.流線微分方程：流線微分方程： 設(shè)流線微段為：設(shè)流線微

19、段為：kdzjdyidxds 脈線（或稱染色線）：相繼通過流場同一空間點的流體質(zhì)脈線（或稱染色線）：相繼通過流場同一空間點的流體質(zhì)點所連成的曲線。點所連成的曲線。該點的流體速度為：該點的流體速度為：kwjviuV因為因為V/dsV/ds，因此因此, ,兩矢量的分量對應(yīng)成比例：兩矢量的分量對應(yīng)成比例：wdzvdyudx曲率半徑曲率半徑微團速度微團速度1-5 1-5 伯努利方程伯努利方程一一. 理想流體沿流線的伯努利方程理想流體沿流線的伯努利方程CgVgpz22第第1章章 流體力學基流體力學基礎(chǔ)礎(chǔ)CgVgpz22沿流線單位重量流體的機械能守恒沿流線單位重量流體的機械能守恒應(yīng)用條件應(yīng)用條件理想、理想、沿流線適用沿流線適用重力流體、重力流體、不可壓縮、不可壓縮、定常、定常、（無旋流動，伯努利方程在全流場適用）（無旋流動，伯努利方程在全流場適用）二二. 伯努利方程的物理意義伯努利方程的物理意義第第1章章 流體力學基流體力學基礎(chǔ)礎(chǔ) 一一. . 皮托管測量流速皮托管測量流速1-6 1-6 伯努利方程應(yīng)用舉例伯努利方程應(yīng)用舉例ghV2PB 靜壓靜壓VPA 總壓總壓第第1章章