词条 | 流体动力学 |
释义 | liuti donglixue 流体动力学(卷名:力学) fluid dynamics 流体力学的一个分支,研究作为连续介质的流体在力作用下的运动规律及其与边界的相互作用。广义地说,研究内容还包括流体和其他运动形态的相互作用。流体动力学与流体静力学的差别在于前者研究运动中的流体;流体动力学与流体运动学的差别在于前者考虑作用在流体上的力。流体动力学包括液体动力学和气体动力学两大部分。它的研究方法也和流体力学一样有理论、计算和实验三种。三种方法取长补短,相互促进。 流体动力学的研究主要包含下述内容: 应力张量 A面上的面力分布密度 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 根据无粘性流体对于剪切变形没有抗拒能力和静止流体不能承受剪应力的事实可以断言:在无粘性流体或静止流体中,剪应力为零,而正应力(即法向应力)pxx=pyy=pzz=-p。p称为无粘性流体或静止流体的压力函数,它表征无粘性流体或静止流体在任一点的应力状态。 应力张量和变形速率张量的关系 牛顿的粘性定律 ![]() ![]() ![]() 动量方程和能量方程 动量方程是动量守恒的数学表达式,它的矢量形式为: ![]() ![]() ![]() 涡旋的动力学性质 涡旋的动力学性质主要体现在开尔文定理和亥姆霍兹定理上。如果流体是无粘性、正压的(见正压流体),且外力有势,则涡旋不生不灭,而且涡线、涡管总是由相同的流体质点组成,涡管强度不随时间变化。只有流体的粘性、斜压性和外力无势这三个因素才能使涡旋产生、发展变化和消亡。 伯努利积分和拉格朗日积分 无粘性的、正压的流体在有势外力作用下,其运动方程在定常和无旋两特殊情形下可以积分出来。运动方程的这两个第一积分分别称为伯努利积分(见伯努利定理)和拉格朗日积分。它们(特别是伯努利积分)无论在流体力学的理论研究或实际应用上都十分有用。 动量定理 对于大部分流体力学问题,为了了解整个流场的情况,需要在一定的初始条件和边界条件下解微分形式的流体力学基本方程组。但是,有时只需要知道某些整体性的特征量(例如流体对于在其中运动着的物体的反作用力和整个流动系统的能量损失等),就可以利用积分形式方程组中的整体性定理──动量定理和动量矩定理,根据边界上给定的流动参数直接求出感兴趣的特征量,而不需要解微分方程。上述方法简单易行,在流体动力学中有着广泛的应用。定常运动时的动量方程和动量矩方程采取下列形式: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 现以圆管突然扩大时的能量损失问题为例,说明动量定理的应用。对于圆管从截面积A1逐渐扩大到截面积A2的情况(图a), ![]() ![]() p2=p1-ρv2(v2-v1)。 (4)由式(3)和式(4),再利用连续性方程v1A1=v2A2,就可得到: ![]() ![]() 各类流体运动 流体的运动根据不同的标准可分为:层流和湍流;边界层流动(见边界层)和外部位势流动;无粘性流动和粘性流动;不可压缩流动和可压缩流动等等。分述如下: ①观察圆管内或边界层内的定常流动,发现粘性流体运动存在着两种性质截然不同的运动形态,即层流和湍流。层流的特征是流体运动平滑规则,相邻流体分层滑动互不掺混,流体质点的迹线(见流线)光滑,而且流场稳定,没有或很少有脉动。湍流的特征则完全相反,流体呈极不规则的涡旋型流动,各部分流体激烈掺混,伴随着横向动量、质量、能量的传递,质点的迹线杂乱无章,而且流场随机脉动,极不稳定。层流和湍流在一定条件下可以相互转化(见流体运动稳定性)。 ②根据L.普朗特的理论,对于高雷诺数的流体运动,粘性的作用局限在物面附近很薄的一层内,这个薄层称为边界层。边界层以外的流体运动可以看作是无粘性的。于是问题可化为先求解边界层外的无粘性流动的速度和压力,然后再研究边界层流动,将粘性和壁面粘附条件考虑进去。研究边界层流动具有特别重要的意义,因为物体表面的摩擦阻力和流动分离形成压差阻力等都取决于边界层内的流动特性。 ③普朗特的边界层理论为研究无粘性流动的合理性提供了理论依据。将流动分为无粘性流动和粘性流动不仅为理论研究所必需,而且也具有实际意义。 ④当气体流动速度较低时,密度变化不大,气体和液体一样可近似地按不可压缩流体处理。如果气流的速度超过大约声速的40%或者考虑特殊条件下的液体运动(如水下爆炸、水击、波在水中传播等),则必须考虑气体和液体的压缩性影响。 近年来,由于科学技术的飞速发展,形成了一系列流体力学的新分支学科,如物理-化学流体动力学、电流体动力学、磁流体力学、生物流体力学、(见生物流变学)、爆炸力学、地球流体力学、旋转流体和分层流体流动、非牛顿流体力学、多相流体力学、宇宙气体动力学、相对论流体力学等。 |
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