流体力学基础知识.ppt

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1、第二讲,流体仿真与应用,流体力学基础知识,流体的物理力学性质,惯性 万有引力特性 粘性 压缩性和膨胀性 表面张力特性 静压强特性,惯性,非均质流体,密度 Density：单位体积流体具有的质量。kg/m3,均质流体,,,非均质流体,惯性,V*是一种特征体积，它是几何尺寸很小的但包含足够多的分子的体积，在此体积中流体的宏观特性就是其中分子的统计平均特性。,流体质点 Fluid particle 把微元体积V*中的所有流体分子的总体称为流体质点。,惯性,比容 （比体积） Specific Volume 单位质量流体所占据的空间体积。m3/kg,容重（重度） Specific Weight

2、 单位体积流体具有的重量。N/m3,惯性,相对密度 Relative Density 某均质流体的质量与标准大气压下4同体积纯水的质量之比。,比重 Specific Gravity 某均质流体的重量与标准大气压下4同体积纯水的重量之比。,万有引力特性,物体之间相互吸引的性质。 流体运动中，一般只考虑地球对流体的引力,粘性,在运动状态下，流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗剪切变形，这种性质叫做粘性 。,粘性,牛顿平板实验： 长度和宽度都足够大的两平行平板间充满流体（如水），板间距为h，下部平板固定（相当于容器底部），上部平板在力F的作用下匀速直线运动，速度为U。,粘

3、性,牛顿内摩擦定律： 流体内摩擦力的大小与流体的性质有关，与流体的速度梯度和接触面积成正比。 （切应力与剪切变形速度成正比）,,,,牛顿粘性公式,粘度（粘性系数 ）,粘度 或绝对粘度，或动力粘度,,,粘性,粘性,动力粘度 Dynamic viscosity SI（国际单位制）中，单位为Pas； CGS（厘米克秒单位制）中，单位为泊，记为P，而实际计算中常用泊的百分之一来度量，称为厘泊，记为cP。 换算关系如下： 1P100cP=0.1Pas,粘性,运动粘度 Kinematic viscosity,SI中，单位为m2/s ； CGS中，单位为斯，记作St，实际计算中常用斯的百

4、分之一来度量，称为厘斯，记为cSt 。 换算关系如下： 1St100cSt=0.01m2/s,,牛顿流体绝对粘度不随变形率改变的流体。,,非牛顿流体绝对粘度随变形率改变的流体。（如图），例：油漆、乳胶、泥浆等。,,,大部分流体是牛顿流体(空气、水等）,,粘性,,塑性流体例如牙膏,,理想流体内部没有摩擦的流体，即粘性为零。 利用理想流体的概念可以在研究上大简化问题，找出规律后再考虑粘性的影响进行修正，这种修正多数借助实验。,,,,粘性,粘性,粘度特性 只要压强不是特别高（小于100个大气压），粘度一般不随压强变化；对于气体，温度升高则粘度变大；对于液体，温度升高则粘度变小。这是由

5、于液体分子粘性主要是由于分子间的吸引力造成的，温度升高吸引力减小，粘性就要降低；而气体粘性主要是由气体内部分子的热运动造成的，温度升高，气体内部分子的热运动速度加大，速度不同的相邻层间的质量和动量交换加剧，粘性增大。,压缩性和膨胀性,体积压缩系数 Coefficient of Volume Compressibility 当流体温度不变时，单位压力变化所引起的体积变化率。单位为Pa-1。,压缩性 Compressibility 作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。,压缩性和膨胀性,体积弹性模量 Bulk Modulus of Elasticit

6、y 体积压缩系数的倒数。,因为,膨胀性 Expansibility 作用在流体上的温度变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的膨胀性。,体积膨胀系数 Coefficient of cubic expansion 当流体压强不变时，单位温度变化所引起的体积变化率。单位为K-1。,压缩性和膨胀性,压缩性和膨胀性,气体的压缩性和膨胀性,或,温度不过低（253K）、压强不过高（20MPa）时，常用气体的密度、压强和温度三者之间的关系符合理想气体状态方程。,空气 R=287 J/kgK,不可压缩流体与可压缩流体： 体积弹性模量无穷大的流体被称为不可压缩流体。严格的说，任何流体均为

7、可压缩流体。但在许多流动情况下，流体压力变化所引起的密度变化极小，此时可视流体为不可压缩流体，使问题得到简化。,压缩性和膨胀性,表面张力特性,表面张力 Surface tension 表面张力作用于液体的自由表面上。 气体不存在表面张力。 表面张力是液体分子间吸引力的宏观表现。 表面张力沿表面切向并与界线垂直。 液体表面上单位长度所受的张力。 用 表示，单位为N/m。,表面张力特性,接触角： 当液体与固体壁面接触时，作液体表面的切面， 此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度 称为接触角， 当 为锐角时， 液体润湿固体， 当 为钝角时， 液体不润湿固体。,表面张力特性,毛细管现象： 直径很小两端

8、开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力作用，管中的液面会发生上升或下降的现象，称为毛细管现象。 插入水中时，细管中水柱上升；若插入水银中，细管中的水银柱下降。,表面张力特性,接触角主要与流体种类和管壁材料有关。 表面张力主要与温度和流体种类有关。,纯净水与玻璃,水银与玻璃,玻璃管内径越小，毛细管现象引起的误差越大。,作用在流体上的力,表面力 Surface force 质量力 Mass force,按作用方式分：,按物理性质分：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、表面张力等。,表面力,表面力：作用在隔离表面上的力，其大小和受力作用的表面面积成正比，包括垂直于作用面的压力和平行于作用面的切力。,压强：

9、,切应力：,应力：单位面积上的表面力。,质量力,质量力：作用在隔离体内每个流体质点上的力，其大小是和流体的质量成正比的，因为在均质流体中必然和体积相关，因此又称体积力，主要包括重力和惯性力。,单位质量力：,单位质量力的三分量：,质量力只有重力：,流体静压强特性,垂向性： 流体静压强总是沿着作用面的内法线方向。,流体静压强特性,各向等值性： 某一固定点上流体静压强的大小与作用面的方位无关，即同一点上各个方向的流体静压强大小相等。,重力场中液体的平衡方程,仅在重力作用下，静止流体中某一点的静水压强随深度按线性规律增加。 由表面下深度h相等的各点压强均相等只有重力作用下的同一连续连通的静止流

10、体的等压面是水平面。 推广：已知某点的压强和两点间的深度差，即可求另外一点的压强值。,水静力学基本方程,水头、液柱高度与能量守恒,水静力学基本方程又可写为,在重力场中的静止液体内部所有点上的 值都是相同的。,几何意义,任一点压力折算的液柱高度。,测压管中液面到基准面的位置高度。,任一点到基准面的位置高度。,位置水头,压强水头,测压管水头,物理意义,仅受重力作用处于静止状态的流体中，任意点对同一基准面的单位势能为一常数，即各点测压管水头相等，位头增高，压头减低。 在均质、连通的同一液体中，水平面必然是等压面。,流体力学的压强,,表压强如果压强大于大气压，则以此压强为计算基准得到的压强称为相对

11、压强，也称表压强 。,,,,,,,真空度如果压强小于于大气压，则压强低于大气压的值就称真空度（也称负表压强）。,,绝对压强如以压强0Pa为计算的标准，则把这个压强就称为绝对压强 。,压强的度量方法,流体的力学模型,连续介质模型 理想流体 不可压缩流体,连续介质模型,连续介质模型的建立与假设：,微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，在标准条件下，1mm3气体中约含2.71016个分子，则在10-10mm3气体（相当于一粒灰尘体积）中约含2.7106个分子，分子间距约为3.310-9m。 宏观：流体力学研究宏观运动，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大的多。,连续介质模型,连续介质 Continuous Medium 质点连续地充满所占空间的流体或固体。 连续介质模型 Continuous Medium Model 把流体看作是全部充满、内部没有任何间隙的质点所组成的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型。,