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第三章流体动力学基础2015


给定流体质点速度 ,时间dt内 移动距离 dr dx, dy, dz vdt
迹线微分方程为
dx dy dz dt vx x, y, z, t v y x, y, z, t vz x, y, z, t
给定起始时刻 t0质点的坐标 (a,b,c) ,积分可得该质点 的迹线方程。
思考:
• 请判断下列说法是否正确:过流场中的一点可以有
多条迹线。 A. 根本不可能; B. 在定常流中是正确的; C. 在不定常流中是正确的。 • 请判断下列说法是否正确:过流场中的一点可以有 多条流线。 A. 根本不可能; B. 在定常流中是正确的; C. 在不定常流中是正确的。
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
第三章 流体动力学基础
二、欧拉方法
右图中质点p的位置不断变化,位置也是t的函数,物 理量N(t) 可表示为
N p N p [ x p (t ), y p (t ), z p (t )]
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
二、欧拉方法 所以,在欧拉方法中,一切描述流体运动的参数都 是空间坐标和时间的函数,即
v x v x ( x , y , z , t ) v y v y ( x , y , z , t ) v v ( x , y , z , t ) z z
vx vx vx vx ax vx vy vz t x y z
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
第二节 流动的类型 定常流动、非定常流动
定常流动: 非定常流动:
飞行器绕流
P点轨迹 P
P
地面观察者
相对坐标系中的观察者
思考:
• 在风洞实验中,将飞机或汽车模型固定在洞
壁上,让空气匀速地流过模型。请问这种流 动属于: A. 定常流动 B. 不定常流动
第三章 流体动力学基础
第二节 流动的类型
一维流动、二维流动和三维流动
p p ( x, y , z , t ) T T ( x, y, z , t ) ( x, y , z , t ) vy vz vx 加速度 a dvx vx vx dx vx dy vx dz x dt t x dt y dt z dt
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
三、拉格朗日方法与欧拉方法的比较
由于组成流体的流体微团数目是巨大的,区分和追 踪每一个流体微团的运动将遇到数学上的困难,所 以拉格朗日方法是不实用的; 实际上,更关心流动参数在空间的分布规律,没有 必要关心每一个流体微团在空间中的运动情况,因 此除个别情况外,不使用拉格朗日研究方法; 使用欧拉方法可以获得各空间点处的流动情况,更 符合人们了解流动的需要,所以欧拉方法在流体力 学中得到了广泛应用。
dp p p p p p v p vx vy vz dt t t x y z dT T T T T T v T vx vy vz dt t t x y z d v vx vy vz dt t t x y z

x v x v x (a, b, c, t ) t y v y v y (a, b, c, t ) t z v z v z (a, b, c, t ) t
v x 2 x 2 a x a x ( a , b, c , t ) t t v y 2 y 2 a y a y ( a , b, c , t ) t t v z 2 z 2 a z a z ( a , b, c , t ) t t
二、欧拉方法 写成矢量形式
i j k x y z dv v a v v 哈密顿算子 dt t
全导数 随体导数
当地导数 空间点上由于 速度随时间变 化引起的加速度 时变加速度
迁移导数 由各空间点上 速度不同引起的加速度 由流场不均匀性产生 位变加速度
第三章 流体动力学基础
第三节 流体动力学的基本概念 二、流线 某时刻 t时,连接流场中各点流体微团运动方向的光 滑曲线。与欧拉方法相联系; 流线上每一点的切线方向与流经该点的流体微团的 速度相同,或者说流线与流体微团的速度方向相切
dr v 0
展开得流线微分方程
dx dy dz vx x, y, z, t v y x, y, z, t vz x, y, z, t
工程流体力学基础
第三章 流体动力学基础
流体运动的描述方法
流动的类型 流体动力学的基本概念 系统、控制体、输运公式 连续方程 动量方程 能量方程 伯努利方程及其应用
流线法线方向速度和压强的变化
第三章 流体动力学基础
流体动力学:利用基本守恒定律
1.质量守恒定律(The Law of the Conservation of Mass); 2.牛顿第二运动定律(Newton’s Second Law of Motion); 3.热力学第一定律(The First Law of Thermodynamics); 4.热力学第二定律(The Second Law of Thermodynamics); 推导流体运动的控制方程组,研究流体在外力作用下的运动 规律。
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
二、欧拉方法 欧拉方法关心流动区域中各个空间位置上的流动情 况,着眼点在流动的空间位置; 欧拉方法相当于在流场中的每一个空间点上都布置 一个观察者,每个观察者只负责观察和记录流体微 团通过其所在空间点时的速度、加速度、压强、温 度以及密度等参数的变化; 将所有观察者在同一瞬时的观察结果汇集在一起就 可以了解流体的全部运动情况,即可以得到流动参 数在流动空间中的分布状况 —— 欧拉方法是对“场” 进行研究;
积分可得流线方程。
第三章 流体动力学基础
第三节 流体动力学的基本概念 二、流线 流线的性质
由于流体微团在时刻 t 时的流动方向只能有一个,所以流线一
般不会彼此相交; 在流线的法向上流体微团没有速度,所以流体微团不能跨越流 线流动,即流线如同固体壁面一样可以限制流体的运动; 流线的疏密反映了流动速度变化,亚声速流中密集的地方流速 大,稀疏的地方流速小。
气的速度和压强,请问它采用的研究方法是: A. 拉格朗日法; B. 欧拉法; C. 两者均不是。 B,对。参照系是飞机,固结于飞机上的坐标系也是欧 拉坐标系。
第三章 流体动力学基础
第二节 流动的类型 按照流体性质划分
可压缩流体流动、不可压缩流体流动; 理想流体流动、黏性流体流动; 牛顿流体流动、非牛顿流体流动; 磁性流体流动、非磁性流体流动;
第三节 流体动力学的基本概念 三、与流线相关的概念 流管——在流场中作一不是流线的封闭周线C,过该 周线上的所有流线组成的管状表面;
流体不能穿过流管,流管就像真正
的管子一样将其内外的流体分开;
流束——充满流管的一束流体; 微元流束——截面积无穷小的流束; 微元流束的极限是流线,但二者有区别:流束是一 个物理概念,而流线是一个数学概念,只是某一瞬 时流场中的一条光滑曲线。 总流 —— 截面积有限大的流束。如河流、水渠、水 管中的水流及风管中的气流都是总流。
流体由无穷多微团(或称流体质点)组成,流动是 充满一定空间的无穷多流体质点运动的综合; 流动的流体称为流场,流体动力学研究流场参数的 变化与分布规律。
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
一、拉格朗日方法 拉格朗日方法以流体质点为研究对象,观察质点的 运动规律。质点具有固定不变的质量,可直接使用 基本定律研究其运动规律 ; 将流动空间中连续存在的所有流体微团的空间位置、 速度、加速度、压强、温度、密度等参数都确定下 来,综合所有质点的运动就可以确定一定空间内流 体的运动——质点系方法或跟踪法; 用这种方法可以表示、跟踪和了解每一个流体微团 的运动情况。
思考:
• 请判断拉格朗日法适合于描述下述哪一类流动:
研究一污染物粒子在水中运动的轨道; B. 研究无数质点组成的质点群的运动; C. 研究一流动空间的速度分布。 A,对;B,虽适合,但描述无数质点运动的数学方程 十分复杂,难以求解。C,错。拉格朗日法不能给 出流体速度的空间分布。
A.
思考:
• 某人坐在匀速运动的飞机上测量和记录周围各点空
一维流动: 流动参数是一个坐标的函数; 二维流动: 流动参数是两个坐标的函数; 三维流动: 流动参数是三个坐标的函数。
二维流动→一维流动
三维流动→二维流动
第三章 流体动力学基础
第三节 流体动力学的基本概念 一、迹线 流体质点的运动轨迹线,与拉格朗日方法相联系; 设某流体质点的位置坐标为
r xa, b, c, t i ya, b, c, t j za, b, c, t k
第三章 流体动力学基础
第三节 流体动力学的基本概念 四、缓变流与急变流 流束内流线夹角很小、流线的曲率半径很大,近乎 平行直线的流动为缓变流。否则即为急变流;
d dt
t
v
思考:
• 图为一水箱带一收缩圆锥喷嘴,水位高h。请判断
下列说法是否正确: ① h为为常数时点2的加速度为零,点1有迁移加速度 ② h随时间变化时,2点只有当地加速度,点1既有当 地加速度又有迁移加速度
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
二、欧拉方法 随体导数对标量同样适用,如
第三章 流体动力学基础
第一节 流体运动的描述方法
一、拉格朗日方法 用数学公式描述流体微团的空间坐标,即为
x x ( a , b, c , t ) y y ( a , b, c , t ) z z ( a , b, c , t )
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