《流體力學(xué)講稿》課件

流體力學(xué)講稿本講稿旨在為學(xué)生提供流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，并探討其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。課程大綱流體性質(zhì)密度、黏度、表面張力等流體靜力學(xué)壓強(qiáng)、浮力、阿基米德原理流體動(dòng)力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)、伯努利方程、管道流動(dòng)流體機(jī)械泵、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)等流體的基本特性連續(xù)性流體可以看作是連續(xù)的，這意味著流體可以無(wú)限細(xì)分，每個(gè)部分都具有相同的性質(zhì)?？蓧嚎s性流體在壓力變化下體積可以改變。黏性流體分子之間存在內(nèi)摩擦力，稱為黏性。表面張力流體表面存在著一種特殊的力，稱為表面張力，它使流體表面盡量縮小。靜止流體的壓強(qiáng)定義靜止流體在所有方向上都施加的力，稱為靜止流體的壓強(qiáng)。壓強(qiáng)定義為作用在單位面積上的力。公式壓強(qiáng)(P)=力(F)/面積(A)流體流動(dòng)定律1連續(xù)性方程描述流體在不同截面上的流量守恒2動(dòng)量定理描述流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)量變化3能量守恒定律描述流體流動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換和守恒伯努利方程流體能量守恒伯努利方程描述了理想流體在流動(dòng)過(guò)程中的能量守恒關(guān)系。應(yīng)用于航空領(lǐng)域伯努利方程解釋了機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理，是航空領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論之一。管道流動(dòng)管道流動(dòng)是指流體在封閉管道內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象。這種流動(dòng)是日常生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，例如水管輸水、燃?xì)夤艿垒敋獾?。管道流?dòng)通常受管道的形狀、尺寸和流體的性質(zhì)影響，可以是層流或湍流。管道流動(dòng)與靜止流體和自由流動(dòng)不同，受到管壁摩擦力的影響，會(huì)產(chǎn)生壓力損失。管道的壓力損失是指流體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于摩擦力導(dǎo)致的壓力下降。管道的壓力損失與流速、管道的長(zhǎng)度、直徑、粗糙度等因素有關(guān)。動(dòng)量定理1定義動(dòng)量定理描述了流體系統(tǒng)動(dòng)量變化與外力作用之間的關(guān)系。2公式動(dòng)量定理可以用數(shù)學(xué)公式表示，描述動(dòng)量變化率等于作用于系統(tǒng)的合外力。3應(yīng)用動(dòng)量定理廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)領(lǐng)域，例如計(jì)算流體作用于物體的力，分析流體流動(dòng)現(xiàn)象。氣動(dòng)力升力垂直于飛行方向的力，使飛機(jī)能夠升空。阻力與飛行方向相反的力，阻礙飛機(jī)前進(jìn)。推力由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。重力地球?qū)︼w機(jī)的吸引力，使飛機(jī)向下墜落。航空流體力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)研究物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力，如升力、阻力、側(cè)力和俯仰力。飛行器設(shè)計(jì)應(yīng)用航空流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)飛行器，以確保其能夠安全、高效地飛行。飛行安全航空流體力學(xué)研究有助于提高飛行器性能，減少事故發(fā)生率。湍流理論湍流是一種高度無(wú)序的流動(dòng)狀態(tài)，流體粒子運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律且隨機(jī)變化。湍流中存在著各種尺度的渦旋，它們相互作用并傳遞能量。湍流理論旨在描述和預(yù)測(cè)湍流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬。邊界層理論1粘性影響解釋流體在固體邊界附近的速度變化和摩擦力。2層流和湍流分析邊界層內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其對(duì)流動(dòng)特性的影響。3分離現(xiàn)象研究邊界層分離的機(jī)理和影響，例如阻力和升力的變化。4控制技術(shù)探索邊界層控制的方法，例如邊界層吸氣和吹氣。流體機(jī)械泵用于將液體從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方，或提高液體的壓力。風(fēng)機(jī)用于將空氣或其他氣體輸送到一個(gè)地方，或提高氣體的壓力。壓縮機(jī)用于壓縮氣體，提高氣體的密度和壓力。渦輪機(jī)用于將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，例如水輪機(jī)和汽輪機(jī)。流體流型分類層流流體質(zhì)點(diǎn)沿平滑路徑流動(dòng)，沒(méi)有橫向混合。湍流流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，有橫向混合，能量耗散大。黏性流流體具有內(nèi)摩擦力，影響流體流動(dòng)。無(wú)黏性流流體不考慮內(nèi)摩擦力，簡(jiǎn)化分析模型?；玖餍蛯恿髁黧w質(zhì)點(diǎn)沿平滑的曲線流動(dòng)，沒(méi)有相互混合。湍流流體質(zhì)點(diǎn)沿不規(guī)則的曲線流動(dòng)，并伴隨相互混合和漩渦產(chǎn)生。層流與湍流層流流體粒子按規(guī)則的、平行的軌跡運(yùn)動(dòng)，流線平滑，沒(méi)有橫向混合。湍流流體粒子運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)則，速度和方向不斷變化，流線混亂，有顯著的橫向混合。黏性流與無(wú)黏性流黏性流是指具有內(nèi)摩擦力的流體，流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量損失。無(wú)黏性流是指假設(shè)內(nèi)摩擦力為零的理想流體，流動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生能量損失。可壓縮流與不可壓縮流可壓縮流流體密度隨壓強(qiáng)變化而變化的流體。不可壓縮流流體密度不隨壓強(qiáng)變化而變化的流體。等熵流和非等熵流等熵流等熵流是指流體流動(dòng)過(guò)程中，熵保持不變的流動(dòng)。這意味著流體在流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生任何熱量損失或增加。非等熵流非等熵流是指流體流動(dòng)過(guò)程中，熵發(fā)生變化的流動(dòng)。這意味著流體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了熱量損失或增加。粘性流的特點(diǎn)內(nèi)部摩擦粘性流體內(nèi)部存在摩擦力，阻礙流體流動(dòng)。剪切應(yīng)力當(dāng)流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，大小與粘度和剪切速率有關(guān)。能量耗散粘性流體流動(dòng)會(huì)消耗能量，導(dǎo)致流體溫度升高。層流邊界層流動(dòng)特性流體層之間相互平行流動(dòng)，沒(méi)有明顯的混合。速度分布速度沿厚度方向呈線性變化，邊界層內(nèi)摩擦力較小。穩(wěn)定性層流邊界層在一定條件下較為穩(wěn)定，但容易受到擾動(dòng)而轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。湍流邊界層無(wú)序流動(dòng)湍流邊界層中的流體以不規(guī)則的、隨機(jī)的方式運(yùn)動(dòng)。高能量耗散湍流邊界層中存在高能量耗散，這導(dǎo)致了更高的阻力?；旌霞訌?qiáng)湍流邊界層中的混合增強(qiáng)，導(dǎo)致了更快的熱量和質(zhì)量傳遞。層流分離與湍流分離1層流分離層流邊界層在壓力梯度不利的情況下，會(huì)從物體表面分離。2湍流分離湍流邊界層在更大的壓力梯度不利的情況下，會(huì)從物體表面分離。測(cè)量基本量的方法靜壓測(cè)量使用壓力傳感器或壓差計(jì)測(cè)量流體靜止?fàn)顟B(tài)下的壓力。動(dòng)壓測(cè)量通過(guò)測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)計(jì)算動(dòng)壓。流速測(cè)量利用皮托管、渦輪流量計(jì)或多普勒測(cè)速儀測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)速度。流量測(cè)量采用流量計(jì)、渦輪流量計(jì)或電磁流量計(jì)測(cè)量流體通過(guò)特定區(qū)域的流量。靜壓測(cè)量定義靜壓是指流體中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)，與流體運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。在流體動(dòng)力學(xué)中，靜壓是流體壓強(qiáng)的一個(gè)重要參數(shù)。測(cè)量方法靜壓測(cè)量通常使用靜壓管或靜壓傳感器進(jìn)行測(cè)量。靜壓管是一種帶有側(cè)孔的管道，靜壓傳感器則是一種將壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。應(yīng)用靜壓測(cè)量廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、水利等領(lǐng)域，例如飛機(jī)的飛行速度測(cè)量、管道流速測(cè)量、水庫(kù)水位測(cè)量等。動(dòng)壓測(cè)量動(dòng)壓是流體相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的壓強(qiáng)增量利用皮托管測(cè)量流速，再通過(guò)伯努利方程計(jì)算動(dòng)壓動(dòng)壓=1/2*流體密度*流速平方流速測(cè)量熱線風(fēng)速儀利用熱線傳感器的溫度變化來(lái)測(cè)量流速。激光多普勒測(cè)速儀利用激光束的散射光來(lái)測(cè)量流速。皮托管利用流體動(dòng)壓與靜壓的差值來(lái)測(cè)量流速。流量測(cè)量轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種常見(jiàn)的流量測(cè)量裝置，用于測(cè)量氣體或液體的流量。它是利用浮力原理來(lái)測(cè)量流量的，通過(guò)轉(zhuǎn)子在液體或氣體流中的上升高度來(lái)確定流量。文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì)利用文丘里效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量流體通過(guò)文丘里管前后壓強(qiáng)差來(lái)確定流量。它適用于測(cè)量不可壓縮流體，如水和空氣。電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)測(cè)量流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓來(lái)