《流體流動(dòng)特性》課件

流體流動(dòng)特性課程簡介課程目標(biāo)本課程將引導(dǎo)學(xué)生深入理解流體流動(dòng)特性，掌握相關(guān)理論知識(shí)，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)分析和解決實(shí)際問題。課程內(nèi)容課程內(nèi)容涵蓋流體的基本性質(zhì)、流體運(yùn)動(dòng)的基本定律、流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，以及各種流體流動(dòng)現(xiàn)象和工程應(yīng)用實(shí)例。什么是流體液體液體能自由流動(dòng)，且其體積保持不變。例如：水、油。氣體氣體能夠自由流動(dòng)，且其體積可變。例如：空氣、氧氣。流體的性質(zhì)粘度流體抵抗剪切變形的能力。例如，蜂蜜比水更粘稠。表面張力液體表面抵抗拉伸或破裂的能力。例如，水滴的形狀是由表面張力決定的。壓縮性流體在壓力作用下體積變化的能力。例如，氣體比液體更易壓縮。流體運(yùn)動(dòng)的基本定律1質(zhì)量守恒定律流體質(zhì)量守恒，流入和流出流體的質(zhì)量相等。2動(dòng)量守恒定律流體動(dòng)量守恒，流體受到的合外力等于動(dòng)量變化率。3能量守恒定律流體能量守恒，流體能量轉(zhuǎn)化形式多樣，但總量不變。牛頓流體理論1粘度流體內(nèi)部的摩擦力，影響流體流動(dòng)速度。2剪切應(yīng)力流體內(nèi)部層之間由于相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的切向力。3剪切速率流體內(nèi)部層之間相對運(yùn)動(dòng)的速度變化率。理想流體的性質(zhì)不可壓縮性密度恒定，不隨壓力變化。無粘性沒有內(nèi)摩擦力，流體層之間沒有相對運(yùn)動(dòng)。無熱傳導(dǎo)流體內(nèi)部溫度均勻，沒有熱量傳遞。實(shí)際流體的性質(zhì)粘性實(shí)際流體具有粘性，這意味著它們會(huì)抵抗流動(dòng)。粘性是由于流體分子之間的摩擦力造成的。粘性越大，流體流動(dòng)越困難。表面張力表面張力是流體表面分子之間的吸引力，使流體表面呈收縮趨勢。表面張力會(huì)影響流體在狹窄空間中的流動(dòng)。壓縮性實(shí)際流體可以被壓縮，這意味著它們的體積可以隨著壓力的變化而改變。壓縮性是由于流體分子之間的間隙造成的。靜止流體的力學(xué)1壓力流體內(nèi)部各個(gè)方向都存在的壓強(qiáng)2浮力浸沒在流體中的物體所受的向上浮力3流體靜力學(xué)研究靜止流體的平衡狀態(tài)和性質(zhì)流體靜壓力定義流體靜壓力是指靜止流體內(nèi)部各點(diǎn)由于自身重力而產(chǎn)生的壓力。特點(diǎn)靜止流體的壓力大小與深度成正比，與流體密度有關(guān)。影響因素靜止流體的壓力還受容器形狀和流體性質(zhì)的影響。流體靜壓力的應(yīng)用水壩水壩利用流體靜壓力來產(chǎn)生能量，并將水流引向發(fā)電機(jī)。潛水艇潛水艇利用流體靜壓力來控制其浮力，使之能夠潛入水中或浮出水面。醫(yī)療血壓計(jì)利用流體靜壓力來測量人體血壓，而輸液泵則利用流體靜壓力來輸送藥物。流體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)流體研究流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的規(guī)律，例如速度、壓力、流量和能量等。重要概念粘性、湍流、邊界層、伯努利定理等，幫助理解流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。應(yīng)用廣泛在航空、水利、機(jī)械、化工等多個(gè)領(lǐng)域，流體動(dòng)力學(xué)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。伯努利方程能量守恒伯努利方程是描述理想流體在定常流動(dòng)狀態(tài)下能量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它表明流體在流動(dòng)過程中，動(dòng)能、勢能和壓強(qiáng)能的總和保持不變。壓強(qiáng)變化伯努利方程揭示了流體速度、高度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系。流體速度增加時(shí)，壓強(qiáng)降低；流體高度增加時(shí)，壓強(qiáng)降低。流體流動(dòng)伯努利方程可用于分析各種流體流動(dòng)現(xiàn)象，例如飛機(jī)升力、管道流動(dòng)、噴嘴設(shè)計(jì)等。伯努利方程的應(yīng)用流體流量測量利用伯努利方程，可以根據(jù)流體壓力差來計(jì)算流體流量。噴嘴和擴(kuò)散器設(shè)計(jì)伯努利方程可用于優(yōu)化噴嘴和擴(kuò)散器的形狀，以提高流體效率。機(jī)翼升力伯努利方程解釋了機(jī)翼上表面流體速度快、壓力低，從而產(chǎn)生升力，使飛機(jī)升空。流動(dòng)阻力摩擦阻力流體與固體表面之間的摩擦力，與流體速度、表面積和流體粘度有關(guān)。形狀阻力物體形狀引起的阻力，與物體形狀、迎風(fēng)面積和流體密度有關(guān)。管道流動(dòng)中的阻力損失1摩擦阻力流體與管道壁面之間的摩擦導(dǎo)致的能量損失。2局部阻力流體在管道彎頭、閥門等局部元件處產(chǎn)生的能量損失。3流體粘度流體粘度越高，摩擦阻力越大。4流動(dòng)速度流動(dòng)速度越高，摩擦阻力越大。邊界層理論邊界層是流體在物體表面附近形成的一層薄薄的流體層，其流動(dòng)速度從物體表面的零速度逐漸過渡到主流速度。邊界層內(nèi)存在著明顯的粘性力作用，導(dǎo)致流體速度梯度和剪切應(yīng)力。邊界層內(nèi)的流動(dòng)可以是層流或湍流。邊界層理論可以用來預(yù)測流體流動(dòng)特性，例如摩擦阻力、熱傳遞和質(zhì)量傳遞，對于航空航天、流體機(jī)械等領(lǐng)域具有重要意義。桑德斯定理和奎爾定理1桑德斯定理分析了液體在管道中流動(dòng)時(shí)，流速與管徑的關(guān)系。2奎爾定理描述了流體在彎曲管道中流動(dòng)時(shí)，由于慣性力的作用，流體壓力會(huì)降低。氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)氣體分子氣體是由快速運(yùn)動(dòng)的分子組成的，分子之間相互作用很弱。氣體壓力氣體壓力是由氣體分子撞擊容器壁產(chǎn)生的力。氣體流動(dòng)氣體流動(dòng)是指氣體在容器或管道中移動(dòng)的過程。超音速流動(dòng)速度流體速度超過聲速的流動(dòng)稱為超音速流動(dòng)。馬赫數(shù)馬赫數(shù)是流體速度與聲速的比值，用來描述超音速流動(dòng)的程度。特點(diǎn)超音速流動(dòng)具有壓縮性、可壓縮性、非線性等特點(diǎn)。激波波前的跳躍條件質(zhì)量守恒通過激波波前的質(zhì)量流量守恒。動(dòng)量守恒通過激波波前的動(dòng)量守恒。能量守恒通過激波波前的能量守恒。激波波前的參數(shù)變化密度氣體通過激波時(shí)，密度會(huì)急劇增加。壓力壓力會(huì)在激波波前顯著上升。溫度氣體溫度也會(huì)在激波波前升高。速度氣體速度會(huì)在激波波前下降。激波波前的熱力學(xué)分析熱力學(xué)第一定律：能量守恒熱力學(xué)第二定律：熵增原理熱力學(xué)第三定律：絕對零度不可達(dá)高超聲速流動(dòng)飛行速度高超音速飛行器的速度極高，超過5馬赫。氣動(dòng)加熱高超聲速飛行時(shí)，空氣與飛行器表面摩擦產(chǎn)生的熱量非常高。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)需要克服氣動(dòng)加熱和氣動(dòng)力的挑戰(zhàn)。層流與湍流層流流體粒子沿著平滑且有序的路徑流動(dòng)，沒有橫向混合。湍流流體粒子以無序和隨機(jī)的方式流動(dòng)，存在明顯的橫向混合。雷諾數(shù)區(qū)分層流和湍流的關(guān)鍵參數(shù)，取決于流體粘度、速度和特征長度。湍流邊界層理論流動(dòng)特性湍流邊界層流動(dòng)具有更復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)和非線性特征。湍流邊界層中存在著能量級(jí)聯(lián)和渦旋結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)描述描述湍流邊界層需要考慮各種湍流模型和數(shù)值模擬方法。常用的模型包括k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型。能量傳遞湍流邊界層中能量傳遞更加復(fù)雜，包括動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和物質(zhì)傳遞。湍流可以顯著提高能量傳遞速率。湍流模型1雷諾平均Navier-Stokes方程(RANS)通過對湍流變量進(jìn)行時(shí)間平均來簡化湍流方程，并引入湍流模型來描述湍流的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。2大渦模擬(LES)直接模擬大尺度渦旋，而將小尺度渦旋通過模型進(jìn)行處理，適用于計(jì)算復(fù)雜流動(dòng)。3直接數(shù)值模擬(DNS)直接求解所有尺度的湍流方程，計(jì)算量巨大，適用于研究基本湍流現(xiàn)象。數(shù)值模擬方法有限差分法該方法將連續(xù)的微分方程離散化，用差分方程近似求解。有限元法將求解區(qū)域劃分成有限個(gè)單元，在每個(gè)單元上采用近似函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。有限體積法該方法以控制體積為基礎(chǔ)，對控制體積內(nèi)的守恒方程進(jìn)行積分求解。流體流動(dòng)應(yīng)用舉例流體流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工程領(lǐng)域，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如：飛機(jī)