工程流体力学-第五章.ppt

目 录,Key Laboratory of Organic Optoelectronics&Molecular Engineering of Ministry of Education,Department of Chemistry,Tsinghua University,目 录,*,工程流体力学-第五章,工程流体力学,-,第五章,1.,通过对物理模型的分析和简化，建立流体运动的基本方程及其边界条件；,2.,再通过数学方法求解这些方程，得出流动规律。,理论流体力学是流体力学重要的组成部分。,理论流体力学研究的思路,流体运动方程及其边界的复杂性,实验研究,发展流体力学理论,解释流动现象,验证流体力学假说,解决流体力学问题,流体力学的研究方法中实验研究既是理论分析的依据，同时也是检验理论的准绳，具有很重要的作用。,本章将探讨其理论基础：,量纲分析 相似理论,物理规律,直接实验法,理论分析法,模型研究法,从相似的概念入手，引入相似准数；,从相似原理和量纲分析出发导出相似准数的结构；,分析实际问题与实验模型相似的条件；,相似模型的设计,相似理论,相似准数,定解问题通过相似变换方法获得,能写出微分方程的问题,量纲分析法,从所研究问题包含的物理量的量纲着手，运用形式逻辑推理来研究问题的一种方法,理论根据,：物理方程量纲的一致性,特点,：不必深入研究内部过程的细节，只需了解,过程遵守的基本定律；,边界上哪些物理量有重要作用；,定解条件中包含哪些物理量。,1.,单位,：,表征各物理量的大小。如长度单位,m,、,cm,、,mm,；时间单位小时、分、秒等。,2.,量纲（因次）,：表征各物理量单位的种类。如,m,、,cm,、,mm,等同属于长度类，用,L,表示；小时、分、秒等同属于时间类，用,T,表示；公斤、克等同属于质量类，用,M,表示。,第一节 量纲分析,一、,量纲,单位和量纲都是关于度量的概念，单位决定量度的数量，而量纲则指量度的性质。,单位制及单位换算,任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如：,5m+8m=(5+8)m;,5m8m=(58)(mm)=40m,2,物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫,基本量,，并根据使用方便的原则，定出这些量的单位，叫,基本单位,；其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫,导出量,，单位叫,导出单位,；导出单位是由基本单位乘除构成的。,单位制,基本单位,导出单位,单位制：,国际单位制,(SI,单位制,),：,7,个基本量：长度,:m,；时间,:s,；质量,:kg,；电流强度,:A(,安培,),；发光强度,:cd(,烛光,),；物质的量,:mol(,摩尔,),；热力学温度,:K,。,2,个辅助量：平面角,:rad(,弧度,),；立体角,:sr(,球面度,),。,特点：,1.,通用性。,2.,一贯性。任何一个,SI,导出单位，在由基本单位导出时，都不需引入比例系数。,我国法定计量单位,国际单位制,选定的非国际单位制,基本物理量,单位制,长度,（,L,）,时间,（,T,）,质量,（,M,）,重力,（,F,）,绝对,单位制,cgs,制,cm,s,g,kgms,制,m,s,kg,英制,ft,s,lb,工程,单位制,米制,m,s,kgf,英制,ft,s,lbf,不同单位制的不同基本量,导出量,力,N,；压强,Pa,（,N/m,2,）；功，能，热,J,；功率,W,物理量,：,由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算因数。,换算因数：,彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值。,如；,1m,100cm,，则换算因数为,100cm/m,或,0.01m/cm,例：已知,1atm=1.033kgf/cm,2,试用,Pa,表示。,解：查附录,1,知：,1kgf=9.81N,1cm,2,=10,-4,m,2,换算因数：,9.81N/kgf,10,-4,m,2,/cm,2,例：通用气体常数,R,0.08206 atmL,molK,，试用国际单位,J,molK,表示。,解：,R,0.08206atmL,molK,0.08206atmL,molK1m,3,1000L101325Pa,atm,8.314 Pam,3,molK,8.314 J,molK,量纲的表示方法,：,物理量的代表符号外加上中括号。,如,L,，,M,，,T,等。,用,表示物理量的量纲，用（）表示物理量的单位,3.,基本量纲 导出量纲,基本量纲是具有独立性的量纲，,在流体力学领域中有,三个基本量纲,：长度量纲,L,时间量纲,T,质量量纲,M,导出量纲由基本量纲组合表示，如,加速度的量纲,a=LT,-2,力的量纲,F=ma=MLT,-2,任何物理量,B,的量纲可写成,B=M,L,T,4,基本量 导出量,一个物理问题中诸多的物理量分成基本物理量（基本量：具有,独立性、唯一性,）和其他物理量（导出量），后者可由前者通过某种关系到除，前者互为独立的物理量。基本量个数取基本量纲个数，所取定的基本量必须包括三个基本量纲在内，这就是选取基本量的原则。,流速,dim,v,LT,1,密度,dim,ML,3,力,dim,F,MLT,2,压强,dim,p,=M,L,1,T,2,5.,有量纲量和无量纲量,水力学中任何物理量,C,的量纲可写成,C=,L,T,M,当,、,、,不全为,0,时，,C,称为,有量纲量,。,当,、,、,全部为,0,时，,C,称为,无量纲量,或,无量纲数,。,有量纲量,水力学中的有量纲量可分为三类：,1,、几何学的量,:,0,，,0,；,2,、运动学的量,:,0,，,0,0,；,3,、动力学的量,:0,，,0,0,。,C=,L,T,M,无量纲量,无量纲量,无量纲量特点,：,（,1,）无量纲数没有单位，它的数值与所选用的单位无关；,（,2,）在两个相似流动之间，同名的无量纲相等；,（,3,）在对数、指数、三角函数等运算中，都必须是对无量纲来说，而对有量纲的某个物理量取对数是无意义的。,量纲齐次性原理,又被称为量纲一致性原理，也叫,量纲和谐性原理,，指凡是正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲必须是一致的。,推论：凡是正确反映客观规律的物理方程，必然可以写成无量纲形式。,二、,量纲和谐原理及瑞利法,忽略重力的伯努利方程,物理方程的无量纲化,（沿流线）,（沿流线）,无量纲化伯努利方程,在无粘性圆柱绕流中,前后驻点,上下侧点,其他点,以上结果对任何大小的来流速度，任何大小的圆柱都适用。,柱面上：,柱面外：,流场中 还与无量纲半径 有关,C,D,A,B,a,对于复杂的流动,常用,量纲分析法,和,实验,相结合进行研究。,量纲分析法,是根据量纲齐次性原理寻求物理量之间函数关系的一种方法，也可以得出相似准则。,量纲分析法有两种：,瑞利法,和,定理,瑞利法,解题步骤,：首先找出影响流动的物理量，并用它们写出假拟的指数方程；,然后以对应的量纲代替方程中的物理量本身，并根据量纲和谐性原理求出各物理量的指数，整理出最后形式。,例题,a,：自由落体运动的位移,s,与时间,t,、重力加速度,g,有关。试求位移,s,的表达式。,解：,s=Kg,a,t,b,L=LT,-2,a,T,b,根据量纲和谐原理，方程两侧的量纲应一致，则,L a=1,T -2a+b=0,得出：,a=1,b=2 s=Kgt,2,例题,b,:,液体在恒定水头,H,作用下从面积为,A,的孔口流出，,v,与,H,、,、,g,和,有关。试求,v,的表达式。,解：,v=KH,a,b,g,c,d,LT,-1,=L,a,ML,-3,b,LT,-2,c,ML,-1,T,-1,d,三、,定理,对于某个物理现象或过程，如果存在有,n,个变量互为函数关系，,f(a,1,a,2,a,n,)=0,而这些变量含有,m,个基本量纲，可把这,n,个变量转换成为有,(n-m)=i,个无量纲量的函数关系式,F(,1,2,n-m,)=0,这样可以表达出物理方程的明确的量间关系，并把方程中的变量数减少了,m,个，更为概括集中表示物理过程或物理现象的内在关系。,例,经初步分析知道，在水平等直径圆管道内流体流动的压降,p,与下列因素有关：管径,d,、管长,l,、管壁粗糙度、管内流体密度、流体的动力粘度，以及断面平均流速,v,有关。试用定理推出压降,p,的表达形式。,解：所求解问题的原隐函数关系式为,f(p,d,l,v)=0,有量纲的物理量个数,n=7,，此问题的基本量纲有,L,、,M,、,T,三个，,m=3,，按定理，这,n,个变量转换成有,n-m=4,个无量纲量的函数关系式,F(,1,2,3,4,)=0,从,7,个物理量中选出基本物理量,3,个，如取、,d,、,v,，而,其余物理量用基本物理量的幂次乘积形式表示,1,=,l,1,v,1,d,1,2,=,2,v,2,d,2,3,=,3,v,3,d,3,4,=,p,4,v,4,d,4,将上述表达式写成量纲形式,1,=L(ML,-3,),1,(LT,-1,),1,L,1,=M,0,L,0,T,（,1,）,2,=L(ML,-3,),2,(LT,-1,),2,L,2,=M,0,L,0,T,0,（,2,）,3,=ML,-1,T,-1,(ML,-3,),3,(LT,-1,),3,L,3,=M,0,L,0,T,0,（,3,）,4,=ML,-1,T,-2,(ML,-3,),4,(LT,-1,),4,L,4,=M,0,L,0,T,0,（,4,）,求解方程（,1,）,M:,1,=0,T:,1,=0,L:-3,1,+,1,+,1,+1=0 ,1,=-1,所以,1,=l/d,求解方程（,2,）,M:,2,=0,T:,2,=0,L:1-3,2,+,2,+,2,=0 ,2,=-1,所以,2,=/d,1,=,l,1,v,1,d,1,2,=,2,v,2,d,2,3,=,3,v,3,d,3,4,=,p,4,v,4,d,4,求解方程（,3,）,M:1+,3,=0 ,3,=-1,T:-1-,3,=0 ,3,=-1,L:-1-3,3,+,3,+,3,=0 ,3,=-1,所以,3,=/vd=1/Re,求解方程（,4,）,M:,1+,4,=0 ,4,=-1,T:-2-,4,=0 ,4,=-2,L:-1-3,4,+,4,+,4,=0 ,4,=0,所以,4,=p/v,2,因此，所解问题用无量纲数表示的方程为,F(l/d,/d,1/Re,p/v,2,)=0,至此，问题求解结束，进一步对上式整理规范。由上式,可知,p/v,2,与其余三个无量纲数有关，那么,p/v,2,=F,1,(,l/d,/d,1/Re)=(l/d)F,2,(/d,1/Re),p/g=p/=(l/d)(v,2,/2g)F,2,(/d,1/Re),令,=,F,2,(/d,1/Re),p/=(l/d)(v,2,/2g),这就是,达西公式,，为沿程阻力系数，表示了等直圆管中流动流体的压降与沿程阻力系数、管长、速度水头成正比，与管径成反比。,从该例题看出,，利用,定理，可以在仅知与物理过程有关物理量的情况下，求出表达该物理过程关系式的基本结构形式。用量纲分析法所归纳出的式子往往还带有待定的系数，这个系数要通过实验来确定。而量纲分析法求解中已指定如何用实验来确定这个系数。因此，,量纲分析法也是流体力学实验的理论基础。,为使模型流动能表现出原型流动的主要现象和特性，并从模型流动上预测出原型流动的结果，就必须使两者在,流动上相似,，即两个流动的对应时刻对应点上同名物理量具有各自的比例关系。,具体来说，两相似流动应,几何相似、运动相似、动力相似,。,两流动相似应满足的条件,第二节 相似原理,一、流动相似的概念,1.,几何相似（空间相似）,定义,：两流动流场的几何形状相似,即两流动的对应长度成比例，对应角度相等。,引入尺度比例系数,进而，面积比例系数,体积比例系数,模型流动用下标,m,表示,原型流动用下标,p,表示,2.,运动相似（时间相似）,定义,：两流动的速度场相似,即两个流动的对应时刻对应点的速度方向相同,大小成比例。,引入速度比例系数,由于,因此,运动相似需要建立在几何相似基础上,.,因此运动相似只需确定时间比例系数就可以了。故运动相似也就被称之为,时间相似,。,运动学物理量的比例系数,都可以表示为长度比尺和时间比尺的不同组合形式。,如：,的单位是,m,2,/s,Q,的单位是,m,3,/t,3.,动力相似（受力相似）,定义,：两流动的对应点上质点所受,F,的方向相同,大小成比例。,引入力比例系数,也可写成,力学物理量的比例系数,可以表示为密度、尺度、速度比尺的不同组合形式，如：,力矩,M,压强,p,功率,N,动力粘度,综上所述，要使模型流动和原型流动相似，,需要两者在时空相似的条件下受力相似,。,动力相似（受力相似）用相似准则（相似准数）的形式来表示，即：,要使模型流动和原型流动动力相似，需要这两个流动在时空相似的条件下各相似准则都相等。,三种相似之间的联系,：,（,1,）几何相似是运动相似和动力相似的前提与依据,;,（,2,）动力相似是决定两个流动相似的主导因素,;,（,3,）运动相似是几何相似和动力相似的表现。,二、相似准则,相似准则,:,几何比尺、运动比尺和动力比尺之间由力学基本定律规定了的一定的约束关系。,一、牛顿相似准则,两流动动力相似要求对应点处液体质点所受各种力大小成比例。,液体流动的变化是惯性力和其它各种力相互作用的结果。,惯性力,则惯性力之比：,另一企图改变流体运动状态的力为,F,，其比尺为,C,F,。,由动力相似有如下关系：,C,F,=C,I,即：,式中：是一个无量纲数,因此，两个流动相似的重要标志是它们的牛顿准则数相等：即,牛顿相似准则,二、雷诺准则（粘性力相似准则）,对于有压流动，粘性力是主要作用力。粘性力比尺,要满足惯性力相似，必须满足,C,T,=C,I,，,即,即,粘性力相似准则,雷诺数的物理意义,雷诺数,Re,反映了惯性力与粘性力之比：,对于具有自由表面的流动，重力是主要的作用力。重力比尺,三、弗劳德准则（重力相似准则）,要满足重力相似，必须满足,C,G,=C,I,，,即,重力相似准则,弗劳德数的物理意义,佛汝德数,Fr,反映了惯性力与重力之比：,四、欧拉准则（压力相似准则）,作用在两流动对应点上的动水总压力之比为：,要满足动水总压力相似，必须满足,CP=CI,，即,欧拉相似准则,欧拉数的物理意义,欧拉数,Eu,反映了动水总压力与惯性力之比：,通常，对流动起作用的是液流中两点压强差,p,，而不是某点的压强,p,。故欧拉数常写为：,注意,：,压力场的相似不是两个流动相似的原因，而是两个流动相似的结果。,Eu,准则不是独立的。只要主要的相似准则（,Re,或,Fr),得到满足，则该准则必定满足。,综上所述，动力相似可以用相似准则数表示，若原型和模型流动动力相似，各同名相似准数均相等。,相似准数的性质,均时性数,弗劳德数,欧拉数,雷诺数,整个系统流动过程进行时间与流体质点通过系统中某一定性尺寸距离所需要的时间的比值,重力位能与动能比值或重力项与惯性力项的比值,流体压力项与惯性力项的比值,流体惯性力项与粘性力项的比值,彼此相似的现象必具有数值相同的同名相似准数,相似第一定律,必为同类现象，必须服从自然界中同一基本规律,必须发生在几何相似的空间，并且具有相似的初、边值条件,描述物性的参量必须具有相似的变化规律,定解问题相似,凡同一种类现象，如果定解条件相似，同时由定解条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等，那么这些现象必相似。,相似第二定律,同类现象，形式相同的控制方程组第一个必要条件,定解条件相似第二个必要条件,独立相似准数在数值上相等第三个必要条件,现象相似的充要条件,描述某现象的各种量之间的关系式可以表示成相似准数方程之间的函数关系，这种关系式称为准数方程，即,相似第三定律,任何定解问题的积分结果都可以表示成准数方程的形式；,便于实验,第三节 模型实验,什么是模型实验,：,通常指用简化的可控制的方法再现实际发生的物理现象。,实际发生的现象被称为,原型现象,，模型实验的侧重点是再现流动现象的物理本质；只有保证模型实验和原型中流动现象的物理本质相同，模型实验才是有价值的。,为什么要进行模型实验,科学研究和生产设计需要做模型实验；,并不是所有的流动现象都需要做模型实验。做理论分析或数值模拟的流动现象都不必模拟实验。,并不是所有的流动现象都能做模型实验。只有对其流动现象有充分的认识，并了解支配其现象的主要物理法则，但还不能对其作理论分析或数值模拟的原型最适合做模型实验。,一、相似准则的选择,为了使两流动完全相似，在满足几何相似的前提下，各独立的相似准则应同时得到满足。这在实际实验中往往很难实现，甚至是不可能的。,例如：欲在某实验中实现雷诺准则和佛汝德准则的同时满足：,即要实现流动相似应满足两个条件：,（,1,）模型流速原比型流速缩小 倍；,（,2,）模型流体的粘度应比原型粘度缩小 倍，这很难实现。,因此，要使两者达到完全的动力相似，实际上办不到，我们寻求的是起主要作用的力相似,近似相似。,例如：,有压管流、潜体绕流,粘性力起主要作用,雷诺准则,明渠流动、绕桥墩流动,重力起主要作用,弗劳德准则,雷诺模型,弗劳德模型,二、模型的设计,1,、首先根据实验场地和模型制作的条件定出长度比尺,C,l,;,2,、根据选定的长度比尺,C,l,确定出模型流动的几何边界；,3,、根据所选用的相似准则确定速度比尺和流量比尺，从而定出模型流动的流量。,例,1,有一轿车，高,h,p,=1.5m,，在公路上行驶，设计时速,v,p=,108km/h,，拟通过风洞中模型实验来确定此轿车在公路上以此速行驶时的空气阻力。已知该风洞系低速全尺寸风洞,(C,l,=3/2),，并假定风洞试验段内气流温度与轿车在公路上行驶时的温度相同，试求：风洞实验时，风洞实验段内的气流速度应安排多大？,解：首先根据流动性质确定决定性相似准则数，这里选取,Re,作为决定性相似准则数，,Re,m,=Re,p,，即,C,v,C,l,/C,=1,，,再根据决定型相似准数相等，确定几个比尺的相互约束关系，这里,C,=1,，所以,C,v,=C,l,-1,，由于,C,l,=l,p,/l,m,=3/2,，那么,C,v,=v,p,/v,m,=1/C,l,=2/3,最后得到风洞实验段内的气流速度应该是,v,m,=v,p,/C,v,=108/(2/3)=162km/h=45m/s,例,2,在例,1,中，通过风洞模型实验，获得模型轿车在风洞实验段中的风速为,45m/s,时，空气阻力为,1000N,，问：此轿车以,108km/h,的速度在公路上行驶时，所受的空气阻力有多大？,例题,1,例,1,已知管流的特征流速,V,c,与流体的密度,、,动力粘度,和管径,d,有关，试用瑞利量纲分析法建立,V,c,的公式结构,.,解,式中,k,为无量纲常数。,其中，各物理量的量纲为：,假定,例题,1,代入指数方程，则得相应的量纲方程,根据量纲齐次性原理，有,解上述三元一次方程组得：,故得：,其中常数,k,需由实验确定,.,例题,2,例,2,实验发现，球形物体在粘性流体中运动所受阻力,F,D,与球体直径,d,、球体运动速度,V,、,流体的密度,和动力粘度,有关，试用,定理量纲分析法建立,F,D,的公式结构,.,解,选基本物理量,、,V,、,d,，,根据,定理，上式可变为,其中,假定,例题,2,对,1,：,解上述三元一次方程组得,：,故,例题,2,代入 ，并就,F,D,解出，可得：,式中 为绕流阻力系数，由实验确定。,同理：,例题,3,例,3,已知溢流坝的过流量,Q,1000m,3,/s,若用长度比尺,C,L,60,的模型,(,介质相同,),进行实验研究，试求模型的流量,Q,.,解,溢流坝流动，起主要作用的是重力，应选择弗劳德准则进行模型设计,.,例题,3,由,Fr,准则,：,