贵州大学工程流体力学期末考试重点.pdf

第一章绪论绪论1.1.1.1.流体流体自然界中容易流动的物质称为流体，它包括液体和气体。从形态上看，流体与固体的主要区别在于固体具有固定的形状，而流体则随容器而方圆。从力学分析的角度看，固体一般可承受拉、压、剪、扭，而流体则几乎不能承受拉力，处于静止状态的流体还不能抵抗剪力，即流体在很小的剪力作用下将发生连续不断的变形。至于气体与液体的差别则主要在于气体容易压缩，而液体难于压缩，另外液体能形成自由表面而气体不能。2.2.2.2.流体连续介质模型流体连续介质模型流体连续介质模型假定流体是由质点（或微团）毫无间隙的组成，其物理性质各向同性，且在空间和时间上具有连续性，因此可采用数学中的连续函数作为分析工具。工程流体力学在研究流体运动时，由于只研究外力作用下的机械运动规律，而流体分子除稀薄气体外，相互间一般是极为密集的，因此将流体视为连续介质既有必要又有可能3.3.3.3.流体的主要物理性质流体的主要物理性质流体的主要物理性质主要包括惯性（密度、重度）、黏滞性（黏度）和压缩性等。其中，表征惯性的密度和重度是大家较为熟悉的，主要掌握与的关系=g 及影响因素，应熟记在常温下，淡水的密度=1000kg/m3 和重度=9800N/m3。黏滞性是流体在运动状态下抵抗剪切变形速率能力的量度，是流体的固有属性，是流体运动中产生机械能损失的根源。流体的黏滞性具有传递运动和阻碍运动的双重性，实际中我们见到的流体流动就是这对矛盾的统一。压缩性（定义：流体因所受压力变化而引起的体积变化或密度变化的现象）了解体积压缩系数（或称体积压缩率）和体积弹性系数（或称体积模量）K 的意义及关系，建立“不可压缩流体”概念。在工程流体力学中，一般视流体为不可压缩。表面张力表面张力是液体自由表面在分子作用半径范围内，由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力。表面张力定义为自由表面内单位长度上所受的横向拉力。4.4.4.4.作用在流体上的力作用在流体上的力在工程流体力学中，通常将作用在流体上的力分为表面力和质量力两大类。表面力作用在被研究流体的表面上，其大小与被作用的面积成正比，如法向压力和切向摩阻力。（平衡流体不存在表面切向力，只有表面法向力）质量力作用在被研究流体的每个质点上，其大小与被研究流体的质量成正比，如重力和惯性力。在工程流体力学中，质量力常用单位质量力表示，所谓单位质量力，是指作用在单位质量流体上的质量力。5.5.5.5.工程流体力学的研究方法工程流体力学的研究方法工程流体力学与其他科学一样，其研究方法一般有实验研究、理论分析和数值模拟三种。观测方法：原型观测、系统实验、模拟实验。第二章第二章流体静力学流体静力学本章主要介绍流体处于平衡状态时的力学规律及静止液体作用于平面和曲面上总压力的计算方法。1.1.1.1.平衡流体的应力特征（流体静压强及其特性）平衡流体的应力特征（流体静压强及其特性）流体处于平衡状态时，表面力只有压力，平衡流体的压力简称为静压力，单位面积上作用的静压力称为静压强。静压强有两个重要特性：静压强垂直于作用面，并沿着作用面内法线方向；平衡流体中任何一点的静压强大小与其作用面的方位无关。2.流体平衡的微分方程及其积分流体处于平衡时的力学规律可以通过建立流体微分方程得到，这就是平衡微分方程的综合形式为：等压面：平衡流体中压强相等的点所组成的平面或曲面称为等压面。等压面的两个性质：（1）等压面与等势面重合（2）等压面恒与质量力正交。3 3 3 3重力作用下流体静压强的分布规律重力作用下流体静压强的分布规律（1）静压强分布规律P=p0+(z0-z)=p0+h几何意义：z位置水头；任一点在基准面 0-0 以上的位置高度，表示单位重量流体从某一基准面算起所具有的位置势能，简称位能。P/测压管高度：表示单位重量流体从压强为大气压算起所具有的压强势能，简称压能（压强水头）。Z+P/测压管水头：单位重量流体的总势能。测压管水头差计算公式：，式中 hp 为 U 形管内液体的两液面高度差。当 U 形管内液体为水银时，上式可变为：(ZA+PA/)-(ZB+PB/)=12.6hp（2）绝对压强、相对压强、真空值以绝对真空状态作为起量点的压强，称为绝对压强，以 p表示，其中p大于 0；以当地大气压起量的压强称为相对压强，以 p 表示，其中p 可“+”可“-”，也可以为 0。两者的关系为：绝对压强 p小于当地大气压强 pa 的数值称为真空值 pv，即：上述三者之间相对关系如下图所示：（3）测压管高度、测压管水头及真空度相对压强用液柱高度表示，称为测压管高度，即：ha=pa/.工程流体力学上，把任一点的相对压强高度（即测压管高度）p/与该点相对于基准面的位置高度之和称为测压管水头。Za=pa/4.4.潜体和浮体的平衡与稳定性潜体和浮体的平衡与稳定性物体的重力 G 与所受浮力 Pz 的相对大小，决定着物体的沉浮：当 GPz 时，物体下沉至底，称为沉体；当 G=Pz 时，物体潜没于液体中的任意位置而保持平衡，称为潜体；当 GPz 时，物体浮出液面，直至液面以下部分所排开的液重恰等于物体的重量才保持平衡，这称为浮体。2-12-1一密闭盛水容器如图所示，一密闭盛水容器如图所示，U U 形测压计液面高于容器内液形测压计液面高于容器内液面面 h=1.5mh=1.5m，求容器液面的相对压强。，求容器液面的相对压强。2-2一封闭水箱如图所示，金属测压计测得的压强值为 4900Pa（相对压强，压力计中心比A点高 0.5m，而A点在液面下 1.5m。求液面的绝对压强和相对压强。第三章第三章流体动力学流体动力学理论理论基础基础流体质点运动的轨迹称为迹线。若某一时刻在流场中画出一条空间曲线，且该时刻曲线上所有质点的流速矢量均与这条空间曲线相切，则称该空间曲线为流线。其性质为：恒定流时流体的形状不随时间变化，且与迹线完全重合。一般情况下，流线不能相交，且只能是一条光滑的曲线。流线簇的疏密反映了速度的大小（流线密集的地方流速大，稀疏的地方流速小）注：流线与迹线是两个完全不同的概念。流线是同一时刻与许多质点的流速矢量相切的空间曲线，而迹线是同一质点在一个时间段内运动的轨迹。3.3.3.3.流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程是质量守恒定律在工程流体力学中的具体表现，属于运动学方程，不涉及任何作用力，对理想流体和实际流体均适用。要判断流体是否存在，只要看其是否满足连续性微分方程即可。（1）连续性微分方程(2）恒定不可压缩总流的连续性方程对于沿程有流量流进或流出情况，总流的连续性方程需作相应的修正，即式中，Q 为流进（取正号）或者流出（取负号）的流量。4.4.4.4.能量（伯努利）方程能量（伯努利）方程能量方程（或称伯努利方程）是能量守恒定律在工程流体力学中的具体表现，是工程流体力学的核心。式中 hw 为单位重量流体在两过流断面间的平均机械能损失，通常称为总流的水头损失。为动能修正系数实际动能与按断面平均流速计算的动能之比值。在工程计算中常取1.0。3-133-133-133-13图示管路由两根不同直径的管子与一渐变连接管组成图示管路由两根不同直径的管子与一渐变连接管组成。已已知知 dA=200mmdA=200mmdA=200mmdA=200mm，dB=400mmdB=400mmdB=400mmdB=400mm，A A A A点相对压强点相对压强 pA=68.6kPapA=68.6kPapA=68.6kPapA=68.6kPa，B B B B 点点相对压强相对压强 pB=39.2kPapB=39.2kPapB=39.2kPapB=39.2kPa，B B B B 点的断面平均流速点的断面平均流速 vB=1m/svB=1m/svB=1m/svB=1m/s，A A A A、B B B B 两两点高差点高差z=1.2mz=1.2mz=1.2mz=1.2m。试判断流动方向，并计算两断面间的水头损。试判断流动方向，并计算两断面间的水头损失失 hwhwhwhw。第五章流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失1.1.1.1.水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。1.沿程阻力和沿程水头损失当限制流动的固体边界，使流体作均匀流动时，流体内部以及流体与固体边壁之间产生的沿程不变的切应力，称为沿程阻力。2.局部阻力和局部水头损失流体因固体边界急剧改变而引起速度重新分布，质点间进行剧烈动量交换而产生的阻力称为局部阻力。3.总水头损失在实际流体总流伯努利方程中，hw 项应包括所取两过流断面间所有的水头损失。2.实际流体流动的两种型态层流、紊流的判别标准临界雷诺数4.圆管中的层流运动第六章第六章 孔口、管嘴和有压管道流动孔口、管嘴和有压管道流动第七章第七章 明渠恒定流动明渠恒定流动明渠流是一种具有自由水面的流动，水面上各点受大气压强作用，其相对压强为零，所以明渠流动又称为无压流动。明渠水流根据其空间点上运动要素是否随时间变化分为恒定流动与非恒定流动；对于明渠恒定流动又根据运动要素是否沿程变化分为均匀流动与非均匀流动。1.明渠的分类（1）按断面形状和尺寸是否沿程变化，可分为棱柱形渠道和非棱柱形渠道（2）按渠道底坡的不同，可分为顺坡、平坡和逆坡渠道2 明渠的水力最优断面和允许流速