大气流体力学23节.pptx

1质量力质量力质量力质量力1 定义：质量力是指作用于所有流体质点的力。如重力、万有引力、电磁力等。2 性质：（1）质量力是一种长程力：它随相互作用的元素之间的距离的增加而减小，但对于一般流体的特征运动距离而言，质量力均能显示出来。（2）质量力是一种分布力，分布于流体块的整个体积内，流体块所受的质量力与其周围有无其他流体无关。通常情况下，作用于流体的质量力通常就是指重力。第第1页页/共共50页页2如果 表示单位质量的流体的质量力：其中 是作用在质量为 的流体块上的质量力。不难看出，可以看做质量力的分布密度。例如：对处于重力作用的物体而言，质量力的分布密度就是重力加速度 。第第2页页/共共50页页3表面力表面力表面力表面力1定义：表面力是指流体内部之间或者流体与其他物体的接触面上所受到的相互作用力。如流体内部的粘性力和压力、流体与固体接触面上的摩擦力等。第第3页页/共共50页页4表面力的性质（1）表面力是一种短程力：源于分子间的相互作用。表面力随相互作用元素之间的距离增加而迅速减弱，只有在相互作用元素间的距离与分子距离同量级时，表面力才显现出来。（2）流体块内各部分之间的表面力是相互作用而相互抵消的。（3）表面力也是一种分布力，分布在相互接触的界面上。第第4页页/共共50页页5定义单位面积上的表面力（即：表面应力）为：其中 是作用于某个流体面积上 的表面力例如：流体受到的表面力为压力，就是压强。第第5页页/共共50页页6 矢量 是质量力的分布密度，它是时间和空间点的函数，因而构成了一个矢量场。而矢量 为流体的应力矢量，它不但是时间和空间点的函数，并且在空间每一点还随着受力面元的取向不同而变化。所以要确定应力矢量 ，必须考虑点的矢径 、该点受力面元的方向（或者说面元的法向单位矢量 ）以及时间 t。确切地说应力矢是两个矢量（、）和一个标量的函数t。质量力和表面力的比较质量力和表面力的比较质量力和表面力的比较质量力和表面力的比较质量力和表面力有着本质的差别。第第6页页/共共50页页72 2 2 2、应力张量、应力张量、应力张量、应力张量 取如图所示的流体四面体元，分析其受力情况。MxyzABC第第7页页/共共50页页8MxyzABC为了区分不同面元所受到的表面力，将 应力矢量的下标取其受力面元的外法向方向，并且规定为外法向流体对另一部分流体施加的应力。第第8页页/共共50页页9根据牛顿第二定律，MxyzABC第第9页页/共共50页页10根据作用力与反作用力原理，有以下关系式：第第10页页/共共50页页11第第11页页/共共50页页12xyzABC考虑各面元间的关系：第第12页页/共共50页页13将其在直角坐标系中展开，则有：第第13页页/共共50页页14引进应力张量：第第14页页/共共50页页15对应力分量的下标作如下规定：对应力分量的下标作如下规定：对应力分量的下标作如下规定：对应力分量的下标作如下规定：第一个下标第一个下标第一个下标第一个下标表示受力面元的外法向方向；表示受力面元的外法向方向；表示受力面元的外法向方向；表示受力面元的外法向方向；第二个下标第二个下标第二个下标第二个下标表示受到的应力矢量所投影的方向。表示受到的应力矢量所投影的方向。表示受到的应力矢量所投影的方向。表示受到的应力矢量所投影的方向。应力分量应力分量应力分量应力分量 的物理含义：的物理含义：的物理含义：的物理含义：例2-2-1说明应力、表示的物理含义。第第15页页/共共50页页16第第16页页/共共50页页17法应力和切应力的简单介绍法应力和切应力的简单介绍法应力和切应力的简单介绍法应力和切应力的简单介绍 通常应力矢量也可以表示为：切应力法应力第第17页页/共共50页页183 3、应力张量与流体运动状态间的关系、应力张量与流体运动状态间的关系第第18页页/共共50页页19第第19页页/共共50页页20第第20页页/共共50页页21广义牛顿粘性假设广义牛顿粘性假设牛顿粘性定律建立了粘性应力与流速分布之间的关系，但它的不足在于仅仅适用与流体直线运动。那么，当流体做任意运动时，其关系式如何？牛顿将以上的粘性应力与形变率的关系推广到任意粘性流体运动，即广义牛顿粘性假设：第第21页页/共共50页页22第第22页页/共共50页页23第第23页页/共共50页页24第第24页页/共共50页页25说明：根据广义牛顿粘性假设的应力张量计算得到的应力包含了流体压力和流体粘性力两部分即：不可压流体第第25页页/共共50页页26第第26页页/共共50页页27第三节第三节 运动方程运动方程流体的运动方程（普遍形式）纳维-斯托克斯（N-S）方程（具体形式）欧拉方程（理想流体的运动方程）静力方程（最简单情形的运动方程）第第27页页/共共50页页28在运动流体中选取一小六面体体元，其边长分别为：为了导出流体的运动方程，首先来分析小体元的受力情况。一、流体的运动方程一、流体的运动方程一、流体的运动方程一、流体的运动方程根据牛顿第二定律：xyz第第28页页/共共50页页29第第29页页/共共50页页30小体元所受到前后侧面的沿x方向上表面力合力：x x 方向受到的表面力合力分析方向受到的表面力合力分析周围流体对小体元的六个表面都有表面力的作用后侧面：x前侧面：xyz第第30页页/共共50页页31因此，周围流体通过六个侧面作用于小体元沿x方向的表面力合力为：右左侧面：上下侧面：xyz第第31页页/共共50页页32根据牛顿运动定律：小体元受到的合外力等于其质量与加速度的乘积。x x 方向合力分析方向合力分析单位质量流体在 x 方向的运动方程方程可以简化为：第第32页页/共共50页页33单位质量流体在 y 方向的运动方程单位质量流体在 z 方向的运动方程同理可得：第第33页页/共共50页页34矢量形式或者：流体运动方程的普遍形式第第34页页/共共50页页35分析对象：流体中以界面 包围的体积为 的流体块根据牛顿第二定律流体运动方程的普遍形式第第35页页/共共50页页36应用奥高公式，将以上曲面积分转化为体积分，则有：当曲面面元向内无限收缩时，即体积元趋向于零：第第36页页/共共50页页37二、纳维二、纳维-斯托克斯（斯托克斯（Navier-StokesNavier-Stokes）方程）方程流体运动方程的普遍形式纳维-斯托克斯(N-S)方程(流体运动方程的具体形式)广义牛顿粘性假设第第37页页/共共50页页38流体运动方程的普遍形式广义牛顿粘性假设这就是适合牛顿粘性假设的流体运动N-S方程。法国工程师Navier英国数学家Stokes第第38页页/共共50页页39第第39页页/共共50页页40定义 流体运动学粘性系数，记作 。直角坐标系中形式为：对于不可压流体N-S方程简化为：第第40页页/共共50页页41其中 是单位质量流体的加速度，为单位质量流体所受的质量力。压力梯度力粘性（粘滞）力方程物理意义的讨论：方程物理意义的讨论：第第41页页/共共50页页42方程右端的第二项 ，对于某一流体块，有从而得到：即为周围流体通过单位质量流点的表面，对其所产生的压力周围流体通过单位质量流点的表面，对其所产生的压力的合力矢量的合力矢量，其效果相当于单位质量流点上的质量立，将其，其效果相当于单位质量流点上的质量立，将其称为称为压力梯度力，它是由于正压力引起的压力梯度力，它是由于正压力引起的。第第42页页/共共50页页43第第43页页/共共50页页443 3、欧拉方程、欧拉方程理想流体（不考虑流体粘性），则纳维-斯托克斯方程：可以简化，相当于去掉方程中含有粘性的项。于是，方程简化为：欧拉方程：理想流体的运动方程第第44页页/共共50页页45第第45页页/共共50页页46如流体静止时，即流体的速度和加速度的个别变化均为零，作用于流体的力应该达到平衡。此时，可得如下形式方程：即所谓的静力方程静力方程静力方程静力方程。4 4、静力方程、静力方程第第46页页/共共50页页47第第47页页/共共50页页48第第48页页/共共50页页49第第49页页/共共50页页50第第50页页/共共50页页