流体力学第九章PPT课件
(9-2)
5.φ满足拉普拉斯方程:
2
x2
2
y2
2
z2
0
(9-3)
若给出问题的边界条件和初始条件,拉普拉
斯方程可以解出φ。
3
求解思路可简述为: 解拉普拉斯方程→φ→v→p→流体作用于
固体的力和力矩。
求解拉普拉斯方程的方法很多,本章只介绍
一个简单的方法: “迭加法”
迭加法:预先选出一个“调和函数”,或数个调
M y 2 x2 y2
令ψ=C即得流线族:
M
2
y x2 y2
c
或
y x 2 y 2 c1
即
x2 y2 y 0
c1
配方后得: x2 (y 1 )2 1
2c1
4c12
(9-14)
19
流线:圆心在y轴上,与x轴相切的一组圆,
等势线:圆心在x轴上,与y轴相切的一组圆。
这些圆与ψ=const正交
量Q→∞,使得两者之积趋于一
个有限数值,即:
Qδx→M
(δx→0) (9-9)
图9-8(a)
这一流动的极限状态称为偶极,M为偶极矩。
用迭加法求φ和ψ
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122Q (lnr1lnr2)
场点A离源和汇的距离
r1≈r2+δx cosθ1
Q ln r1 Q ln r2 xcos1
2 r2 2
r2
Q ln(1xcos1 )
注意:
偶极子的轴线和方向
轴线:源和汇所在的直线
方向:由汇指向源的方向
图6-8(b)
偶极子的方向
为x轴负向
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四、点涡(环流)
点涡:无界流场中坐标原点处一无穷长直线涡,
方向垂直于x0y平面,与xoy平面的交点 诱导速度沿点涡为中心的圆周切线方向,大小
与半径成反比:
vs 2r
vr 0
(6-15)
涡索旋涡强 度的两倍
Vx=Vo, Vy=0 现求φ和ψ。平面流动速度势的全微分为:
d xd x yd yV xd xV yd yV 0d x
积分得势函数: V0 x
积分常数不起作用,可省去。
(9-4)
9
流函数的全微分:d xdx ydy V ydxV xdyV ody
积分得流函数:ψ=Voy
(9-5)
第九章 势流理论
课堂提问:为什么上、下弧旋乒乓球的应对方法不同?
势流:理想流体绕物体的流动,或为无旋流动。 像波浪、机翼升力等问题用势流理论进行
研究可获得满意结果。
求解势流问题的思路如下: 1.流体力学最终目的是求流体作用于物体上的
力和力矩; 2.为求力和力矩,须知物面上压力分布,即
须解出未知的压力函数p(x,y,z,t) 1
2
r2
是个小量,利用泰劳展开得: Q xcos1
2 r2
当δx→0时,Qδx→M, θ1 →θ,r2→r 16
利用泰劳展开: ln(1z)zz2 z3
23
令 z x cos1
r2 展开后并略去δx 二阶以上小量,可得:
Q xcos1 2 r2
极坐标下:
M cos 2 r
(9-10)
直角坐标下:
M
2
x x2 y2
(9-11)
17
对于流函数:
1 22 Q (1 2)2 Q ()
这里:r2= x Sinθ1
所以
x sin 1
r2
代入上式得: Q xsin1
2 r2
当δx→0时,Qδx→M,r2→r,θ1→θ18
流函数为: M sin 2 r
(9-12)
直角坐标系下:
和函数的迭加,反过来检验是否满足所给的初始
条件和边界条件。若满足则预先选定的调和函数
就是所需要的解。
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本章主要研究内容:
1.着重讲理想流体平面绕流问题(平面势流) 2.几种最简单的势流(几个调和函数) 3.绕园柱体的无环流流动 4.绕园柱体的有环流流动 5.附加惯性力与附加质量 6.作用于流体上的力和力矩
由(9-4) 和(9-5)有:
y=const,流函数等值 线(流线)
x=const,等势线
两组等值线相互正交
图9-3
10
例如:均匀流的速度势可表示平行平壁间的流 动或薄平板的均匀纵向绕流。
图9-4
二、源或汇
流体由平面上坐标原点沿径向流出叫做源,
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设源点坐标原点流出体积流量为Q
Vr=f(r), V = 0 不可压缩流体的连续性方程:
所求速度的点到 点涡的距离
采用极坐标来求φ和ψ
图 9-9
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dvrdrvsrd2 d
积分得速度势函数:
2
(9-16)
流函数 dvsdrvrrd2rdr
积分得流函数: ln r
5
本章仅讨论求解势流问题的基本思路并针对 简单问题的求解。
明确两点重要结论:
1)园柱体在理想流体中作等速直线运动时,阻 力为零(达朗贝尔疑题);升力也为零。
2)若园柱体本身转动,则它要受到升力的作 用,即著名的麦格鲁斯效应。
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§9-1 几种简单的平面势流 平面流动(或称二元流动)应满足的条件: • 平面上任何一点的速度和加速度都平行于所
在平面,无垂直于该平面的分量;
• 与该平面相平行的所有其 它平面上的流动情 况完
全相同。
图 9-1 7
船舶在水面上的垂直振荡问题,因船长比 宽度及吃水大得多,且船型纵向变化比较缓 慢,可近似认为流体只在垂直于船长方向的平 面内流动。
图 9-2
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一、均匀流
设所有流体质点均具有与 x轴平行的均匀速度Vo,
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总体概述
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3. 利用拉格朗日积分将压力和速度联系起来,
要求出p,必须先求出速度V
4. 对于势流,存在速度φ,满足:
vx x , vy y , vz z
(9-1)
V vx2 vy2 vz2
2Q lnr 2Q (9-8)
流线为θ=const,为原点
引出的 一组射线
等势线为r=const,流
线为同心圆,相互正交。
图9-6
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当Q>0,则 Vr>0为点源,反之为点汇。 对于扩大(收缩)流道中理想流体的流动,
可以用源(汇)的速度势来描述。
图9-7
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三、偶极子
无界流场中等流量的源和汇
无限靠近,当间距δx→0时,流
2πrVr =Q
∴ Vr=Q/2πr (9-6) 在直角坐标系下:
图9-5
V x x y
V y y x
在极坐标下:
V r r s 1 r V s s 1 r r(91-2 7)
采用极坐标,由φ和ψ的全微分积分:
d( rdr d)VrdrrVsd2Q rdr d( rdr d)VsdrrVrd2Q d