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[基础理论] 流体力学概念zz [复制链接]

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发表于 2009-9-19 16:16:00 |显示全部楼层
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流体力学概念

流体是液体和气体的总称,是在不论怎样小的切应力作用下,都将持续地发生切应变的物质
流体和固体的区别在于
1.固体有固定的形状,流体没有。
2.固体分子受相互之间很强的作用里束缚,只能在平衡位置附近振动.固体的应变和应力成正比(弹性限度内)或呈其他增函数关系(超过弹性限度时).液体分子间的作用力比固体小,受切应力作用时能相对移动.气体分子能自由运动;相互之间的作用力,除碰撞时外,可忽略不计.所以,液体和气体论不论受到怎样小的的切应变力都将持续地发生改变,切应变增大的速率与切应变力成正比(牛顿流体)或呈其他增函数关系(非牛顿流体).也就是说,只要存在切应变力,流体就持续地改变形状.尽管切应变力很小,只要作用时间长,也能引起很大的变形.切应变力撤消时,切应变不再增大,但已发生的改变不会自行的消失.
3.静止流体内不可能存在切应力,而静止固体则可以存在.
以上,第二点是主要的.它是区别于固体的本质区别,是导致其他区别的内因.

流体的粘性
流体抗拒变形的性质称为粘性,抗拒形变的力称为粘性力,单位面积的粘性力称为粘性应力.粘性又称内摩擦
流体变形时,各部分之间有相对运动.接触面之间出现阻碍相对运动的力
1分子间的作用力:物质分子间的作用力,距离很小时表现为斥力;距离稍大时表现为引力;引力碎距离的增大而迅速减小.相邻分子间的引力,对流体各部分的相对晕动起阻碍作用
2分子动量交换:分子在永不停息地运动.相邻的两部分流体因分子运动而不停地交换能量,同时交换了分子所携带的动能和动量.这种因分子运动而进行的动量交换和动能交换分别称为分子动量交换和分子动能交换.流体内部有相对运动时,相邻两部分流体宏观运动的动量不相等.进行分子动量交换的净结果是:速度较的的那一部分流体失去部分动量,速度较小的那一部分则得到动量.因此分子动量较换对流体各部分的宏观相对运动起阻碍作用
3.湍流动量交换:流体有两种状态层流和湍流.层流是没有旋涡.平滑的不相混合的分层流动.各部分流体之间,除交换分子外,无宏观混合晕动.湍流是充满了大大小小的旋涡\流动参数围绕平均值做随机脉动的流动.各部分流体在沿一定方向进行主要流动同时,进行着宏观的混合运动.这种混合运动称为湍流混合.湍流混合所导致的动量交换称为湍流动量交换.它对流体各布分的宏观相对运动也起阻碍作用
这三种作用,前两种束\属于粘性力,第三种属于湍流力.粘性的来源是相邻分子间的引力和分子动量交换.测量流体运动时保持流动为层流

层流和湍流
流体流动会受到各种扰动.粘性力对扰动占优势扰动被抑制下去,流动保持为层流.相反,扰动就会增大,流体内充满旋涡流动转动为湍流.
日常生活中产生的流动,多数是湍流少数是层流.地下水的流动\刚离开点燃的烟的的上升气流和刚从开的比较小的水龙头流出的水是层流的例子.河水和大气的流动是湍流的例子.天空中的云彩变幻显示了大气的湍流
湍流中有大大小小的转轴方位各不相同的的涡旋.他们除了追随流体的主要流动以外,还有对主要流动的相对运动.湍流就是流体的主要流动与旋涡晕动的叠加.某时刻占据湍流流场某一点的流体质点的流速也由两部分组成:一部分是主要流动的流速,另一部分是由涡旋运动引起的流速.由于流经某一点的旋涡流速的方向大小都在随机地改变,湍流流场中各点的流速都围绕着平均值作随机脉动u→=u_→+u→’
u→流速的瞬时值
u_→流速的平均值
u→’流速的脉动值
值得注意的是;即使某一方向的平均流速为零。这时该方向不存在主要流东,但旋涡运动引起的该方向的脉动流速依然存在
流速与压强有关,流速的脉动必然引起压强的脉动
湍流流动参数的
瞬时值=时均值+脉动值
时均值表示主要流动,脉动值反映涡旋运动。有关湍流的一些概念都按时均值下定义。例如,若湍流的所有的流动参数的时均值都不随时间改变,则为定常流,否则为非定常流动
在非定常流动中,主要流动也随着时间改变。这时计算平均值的时间应带于湍流脉动的周期,而小于主要流动的变化的周期

边界层概念
简言之,流体沿固体壁流动,壁面附近需考虑粘性力的区域叫边界层;边界层以外,粘性力可忽略不计的区域称为主流区
流体沿固体壁流动,壁面最先与流体接触的部分叫前缘。随着流体自前缘向传到更多的流体上(通过分子间的吸引力、分子动量交换和可能出现的湍流动量交换而进行),边界层的厚度逐渐增大。
所以,流体沿固体壁流动,边界层从前沿开始形成,沿流动方向逐渐加厚。边界层的厚薄与流体的粘性、流速以及固体沿流动方向的尺度有关。流体的粘性越小,流速越大,固体沿流动方向的尺度越小,边界层越薄。流动由层流转变为湍流时,边界层加厚。转变为湍流后,边界层层沿流动方向加厚的速度比转变前快
边界层的特征可归纳如下:边界层为一减速流体,边界层的厚度沿流向增加;在边界层内粘性力和惯性力属同一数量级,均应考虑边界层内也会出现层流及紊流流态,故有层流边界层和紊流边界层;边界层外表面不是流面,所以有质量能量和动量随流体由外流区流进边界层,边界层厚度的增加率应满足质量能量和动量守恒定率
Re(雷诺数)代表单位质量流体的惯性力与粘性力之比,即Re=惯性力/粘性力,由层流向紊流转捩的雷诺数称为临界雷诺数.当雷诺数在临界雷诺数以下时,即使存在对水流的强烈扰动,扰动将由于流体的粘而衰减,流动仍保持层流的状态.只有在流动雷诺数大于临界雷诺数时,扰动不仅不会衰减而且逐渐放大,层流才会由于扰动而转变为紊流
应当强调的是,层流和紊流这两种流态都是由粘性引起的,没有粘性两者都不会发生

压差阻力
压差阻力来源于物体迎流面和背流面受到的测压管差压里不平衡。物体在流体中运动,若流体对流面测压管压力沿来流芳向的分量比背流面的同一分量的绝对值要大,物体就受到压差阻力。物体受到的测压管压力平衡时,流体压强按静压分布,物体受到竖直向上的浮力。可见压差阻力和浮力是不同的两个力。
挠流边界层分离是造成压差阻力的重要原因。如果不发生边界曾分离,迎流面对应点的测压管压强将接近相等(背流面略低)边界层分离使薄边界曾不复存在,背流面全部或部分改为与分离产生的涡旋接触。实验表明:旋涡区的P*大致与分离点相等。分离在背流面发生得越早,旋涡区的P*就越小,而与背面与旋涡区接触的面积则越大,压差阻力因而也越大
P*是来流的测压管的压强
减少压差阻力的方法是改变物体的背流面形状,尽可能推迟边界层分离。所谓流线型物体就是这样设计的。被绕流流物体在与来流芳向垂直的平面上的投影面积称为迎流面积实验表明,流线形物体的压差阻力比迎流面积相同的非流线形物体小的多。但流线形物体的背流面也不能拖的太长,因为摩擦阻力随着浸润面积而增大。最幼的设计应使压差阻力与摩擦阻力之和为最小
非流线形物体也称之为钝尾体。
值得注意的是,外形无尖角的物体的小雷诺数绕流可能不出现边界曾分离。型阻以摩擦阻力为主,压差阻力为主,压差阻力很小。在这重情况下,流线形物体的型阻反而比相应的钝尾体大
压差阻力与摩擦阻力之和称为轮换阻力,简称型阻,用D表示

升力的概念
在流体运动的固体,除受到绕流足力外,还可能受到流体对他施加的的与其运动方向垂直的作用力,这种力称为升力

压强波
用手指按皮球的某一点,整个皮球都变硬了。在水压机中,用小活塞压水,压强的改变随即传播到大活塞上去,产生很大的压力。这一切都说明:若流体中的某一点的压强发生改变,这种改变可以在流体中各个方面传播
压强改变在媒质中的传播称为压强波。
压强波分为压缩波和压强波和压强波压强增大的的传播形成压缩波,压强减少的传播形成膨胀波。可见压缩波引起的的迁移速度,方向与波的方向相同,膨胀波则相反。若某点的压强周期性地升高和减小,交替地产生压缩波和膨胀波,媒质微粒就在就在原来的位置附近往复地振动。声波就是这种压强波
传播压强波的媒质,可以是流体也可以是固体
压强波对媒质的传播速度称为压强波速

激波
音速是状态参数,和媒质的压缩性有关。媒质越容易压缩,音速越小。反之,音速愈大。在媒质被压缩的过程中,媒质的压压缩性逐步变坏,音速逐渐增大。如果从某一点向同一方向联续发出一系列微弱压缩波,则由于后面的微弱压缩波是在前面的微弱压缩波已经通过的流体中传播,传播的速度必大于前面的,越是后面的越快。于是,后面的将赶上前面的,这一系列的微弱压缩波将叠加成一个非微弱压缩波。相反,如果从某一点的同一方向连续发出一系列的微弱膨胀波,则由于后面的微弱膨胀波是在前面的微弱膨胀波已经通过的流体中传播,传播速度必小于前面的,越靠后的越慢。他闷将始终保持为一系列微弱膨胀波,波阵面的距将越来越大
所以,就压缩波的性质而言,只可能有非微弱压缩波不可能有有非微弱膨胀波。压强的大幅增大以非微弱压缩波的的形式传播,压强的大幅度减小以一系列的微弱膨胀波传播。
非微弱压缩波又称为激波。有些报刊还把它称为冲击波

正激波
激波分为正激波和斜激波。媒质静止或媒质流速的方向垂直于激波阵面的称为正激波;与波阵面斜交的为斜激波

水锤现象
当我们突然关闭水龙头,或清晨、抽水站开始向各处送水、而水龙头尚未打开时,常听到管内嘎嘎作响,伴以强烈振动。这种现象是怎样产生的呢
以突然关闭水龙头为例。关闭前,水在管内流动,流速为V。。关闭时,紧帖着阀门的一层水先受阻,停止下来,压强相应升高,水受到压缩。接着第二层水又受阻,停止下来,压强也相应升高,水也受到压缩。接着是第三层、第四层。。。这样,关闭水龙头时,出现从阀门出发、逆来流方向的压缩波。波阵面前方,是压缩波还没有传播到的地方,流速为V。,压强为P,密度为ROU。后面是压缩波已传播到的地方,流速已减小到零,压强和密度分别增大为P+&P和ROU+&ROU.从阀门到波阵面,由于水的压强增大,管道内部因受呀而涨大.

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发表于 2009-9-23 11:41:57 |显示全部楼层
概念还比较清晰

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发表于 2009-10-4 17:00:55 |显示全部楼层
有研究激波的吗

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发表于 2009-11-22 15:22:00 |显示全部楼层
基础要扎实

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发表于 2012-2-7 15:14:28 |显示全部楼层
需要再看几遍。。。。多了就

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发表于 2012-6-20 11:01:48 |显示全部楼层
概念很基础,但是理解了很难

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发表于 2013-2-22 17:41:30 |显示全部楼层
深刻,需要理论功底

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发表于 2013-2-23 14:02:32 |显示全部楼层
静下心来学习

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发表于 2013-6-1 22:51:43 |显示全部楼层
没有解释式描述的概念太难理解了

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发表于 2013-6-2 16:43:30 |显示全部楼层
多谢知识分享。

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