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工程流体力学课件3流体动力学基础•流体动力学概述contents•流体动力学基本概念•流体动力学基本方程的推导目录•流体动力学中的无旋流动和有旋流动•流体动力学中的湍流流动•流体动力学中的边界层理论01流体动力学概述流体动力学的定义流体动力学是研究流体运动规律以及流体与固体相互作用的一门科学它涉及到流体的速度、压力、流体动力学是流体力学的一个密度、粘性等物理量的变化重要分支,与流体静力学、流和相互关系体运动学一起构成了流体力学的基本内容流体动力学的应用领域航空航天能源飞机和航天器的设计和性能分析,气动噪声风力发电、水力发电、燃烧动力学、燃气轮的产生和控制等机等化工交通流体输送、分离、反应等过程的设计和控制汽车、船舶和高速列车的空气动力学设计,以及交通流量的模拟和优化流体动力学的发展历程古代人类对流体的认识可以追溯到古代,如中国的水利工程和灌溉系统,以及古希腊的阿基米德浮力原理等17-19世纪流体力学开始进入快速发展时期,如伯努利方程的提出、斯托克斯的粘性流体运动方程等20世纪随着航空工业和计算机技术的快速发展,流体动力学在数值模拟和实验测量方面取得了重要突破,如湍流模型的发展和应用,计算流体动力学(CFD)的兴起等02流体动力学基本概念流体静力学基础流体静力学是研究流体处于静止状态下的平衡规律的科学流体静力学主要研究流体在静止状态下的压力分布、液体对容器壁的侧压力以及与静止流体接触的固体的受力情况等流体静力学的基本方程是流体平衡微分方程,它描述了流体在静止状态下的受力平衡条件流体平衡微分方程表明,在静止流体中任意一点上的压力与该点上单位体积的质量力和单位面积的外力相平衡流体动力学基本方程流体动力学是研究流体运动规律的科学,其基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程质量守恒方程,也称为连续性方程,表述了流体在运动过程中质量不生不灭的原理动量守恒方程,也称为Navier-Stokes方程,表述了流体动量守恒的原理能量守恒方程,表述了流体能量守恒的原理流体流动的分类根据流动特性,流体流动可以分为层流和湍流两种类型层流是指流体质点仅沿着流动方向作有规则的线状运动,流层之间互不掺混湍流是指流体质点不仅沿着流动方向作线状运动,还伴有随机的脉动,流层之间有掺混现象流体流动的描述方法描述流体流动的方法包括拉格朗日法和欧拉法拉格朗日法是以流体质点作为描述对象,追踪各个质点的运动轨迹,研究其速度、加速度等参数随时间的变化欧拉法是以空间点作为描述对象,研究空间点上流速、压强等参数随时间和空间的变化流体动力学基本方程的推03导牛顿第二定律在流体中的应用牛顿第二定律物体加速度的大小与作用力的大小成正比,与物体的质量成反比在流体中,牛顿第二定律表现为流体微元的加速度与作用在微元上的力之间的关系流体微元受力分析流体微元受到内力(压力、粘性力等)和外力(重力、外部作用力等)的作用根据牛顿第二定律,流体微元的加速度与作用在微元上的力之间的关系可以表示为力的平衡方程质量守恒定律在流体中的应用质量守恒定律物质的质量不会凭空产生也不会消失,只会从一种形式转化为另一种形式在流体中,质量守恒定律表现为流体微元的质量变化率等于进入和离开微元的净质量流量质量守恒方程根据质量守恒定律,流体微元的质量变化率可以表示为流入和流出微元的净质量流量这个方程是流体动力学基本方程之一,用于描述流体的运动特性动量守恒定律在流体中的应用动量守恒定律动量守恒方程系统的总动量保持不变,除非存在外部根据动量守恒定律,流体微元的动量变化作用力在流体中,动量守恒定律表现率可以表示为作用在微元上的力和时间的为流体微元的动量变化率等于作用在微VS变化率这个方程是流体动力学基本方程元上的力之一,用于描述流体的运动特性能量守恒定律在流体中的应用能量守恒定律系统的总能量保持不变,除非存在外部作用力或热源/冷源在流体中,能量守恒定律表现为流体微元的能量变化率等于作用在微元上的力和热源/冷源对微元所做的功能量守恒方程根据能量守恒定律,流体微元的能量变化率可以表示为作用在微元上的力和热源/冷源对微元所做的功的时间变化率这个方程是流体动力学基本方程之一,用于描述流体的运动特性流体动力学中的无旋流动04和有旋流动无旋流动的定义和性质定义无旋流动指的是流场中不存在旋涡的流动性质流线不会相交,流场中没有涡量,速度的散度为零有旋流动的定义和性质定义性质有旋流动指的是流场中存在旋涡的流动流线可能相交,流场中存在涡量,速度的散度不为零无旋流动和有旋流动的应用场景要点一要点二无旋流动有旋流动适用于描述流体在稳态、不可压缩、理想状态下的流动,适用于描述流体在非稳态、可压缩、真实状态下的流动,如管道流动、流体在重力作用下的稳定流动等如流体机械中的叶轮、流体在管道中的瞬态流动等无旋流动和有旋流动的求解方法无旋流动有旋流动可以通过求解偏微分方程或积分方程来求解,需要求解偏微分方程组,如纳维-斯托克斯如拉普拉斯方程、泊松方程等方程(Navier-Stokes equations),该方程组较为复杂,需要采用数值方法进行求解05流体动力学中的湍流流动湍流流动的定义和特征湍流流动的定义湍流流动的特征湍流是一种高度复杂的流动状态,其中流体的速度、压具有随机性和不规则性,流场中存在大大小小的漩涡,力和其它属性随时间和空间变化流动参数随时间变化剧烈,并具有高度的非线性湍流流动的模型化方法雷诺平均法通过引入雷诺应力项来修正牛顿流体的动量方程,从而描述湍流的统计性质湍流模式理论基于湍流的各种假设和模式,对湍流运动进行简化描述的方法直接数值模拟直接对湍流运动进行数值模拟,无需引入任何模型,但计算量大,只适用于简单湍流湍流流动的数值模拟方法有限体积法有限差分法将计算区域划分为一系列控制体积,对每个控将偏微分方程转化为差分方程,通过迭代求解制体积上的未知量进行离散离散点上的数值谱方法利用傅里叶级数或其它正交多项式展开,将未知函数表示为一系列离散的谱系数流体动力学中的边界层理06论边界层理论的定义和特征总结词详细描述边界层理论是研究流体在固体表面附近流动的理论,边界层理论主要关注流体与固体表面之间的相互作用,其特征包括流体的粘性和湍流状态特别是流体的粘性和湍流状态对流动的影响在边界层内,流体的速度和压力变化梯度较大,湍流状态较为明显边界层分离现象和转捩过程总结词详细描述边界层分离现象是指流体在经过曲面或突然扩大区域边界层分离现象通常发生在流体经过曲面或突然扩大区时,流速减小,压力增加,导致流体离开壁面并形成域时,由于流速减小、压力增加,流体逐渐离开壁面并回流的现象转捩过程则是从层流到湍流的过渡过程形成回流转捩过程则是由于流体的粘性和湍流状态的变化,导致流动状态从层流转变为湍流的过程边界层理论的应用场景和求解方法总结词详细描述边界层理论的应用场景包括空气动力学、船舶和车辆边界层理论广泛应用于各种工程领域,如空气动力学流体动力学、生物医学工程等求解方法包括解析法、中的机翼设计和飞行器性能分析,船舶和车辆流体动数值模拟和实验研究力学中的船体设计和车辆空气动力学优化,以及生物医学工程中的血流动力学研究和药物传递系统设计等求解边界层问题的方法包括解析法、数值模拟和实验研究解析法适用于简单几何形状和流动条件的边界层问题求解,而数值模拟和实验研究则适用于更复杂的问题THANKS FORWATCHING感谢您的观看。