工程流体力学周云龙课件
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目录
壹
流体力学基础
贰
流体运动学
叁
流体动力学
肆
流体在管道中的流动
伍
流体机械与设备
陆
工程应用案例分析
流体力学基础
第一章
基本概念与定义
流体分为液体和气体两大类，它们在流动和受力时表现出不同的物理特性。
流体的分类
根据流体的粘性是否随剪切率变化，流体分为牛顿流体和非牛顿流体，如水和番茄酱。
牛顿流体与非牛顿流体
流体力学中，流体被视为连续介质，忽略其分子结构，便于分析流体运动和受力情况。
连续介质假设
流体静力学研究静止流体的平衡状态，涉及压力、浮力等基本概念和方程。
流体静力学基本方程
01
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04
流体的分类
流体可分为液体和气体两大类，液体如水，气体如空气，它们在流动特性上有显著差异。
按状态分类
连续介质假设下，流体被视为连续分布的介质，而实际应用中，如雾滴或沙粒流则为分散介质。
按连续性分类
牛顿流体遵循牛顿黏性定律，如水和空气；非牛顿流体则不遵循，如血液和油漆。
按牛顿流体分类
可压缩流体在压力变化下体积会发生变化，如空气；不可压缩流体如水，在常压下体积几乎不变。
按可压缩性分类
流体静力学原理
流体静压力是指流体在静止状态下各方向上均匀作用的压力，如水压和气压。
流体静压力的概念
帕斯卡定律表明，在封闭容器中，流体各点的压力是相等的，且与容器形状无关。
帕斯卡定律
阿基米德原理说明，浸入流体中的物体所受的向上浮力等于它排开流体的重量。
浮力原理
流体运动学
第二章
运动方程
纳维-斯托克斯方程描述了粘性流体的运动规律，是工程流体力学中分析流体动力学行为的关键方程。
纳维-斯托克斯方程
伯努利方程是流体动力学中一个重要的方程，它将流体的动能、位能和压力能联系起来，适用于不可压缩流体的稳定流动。
伯努利方程
连续性方程是流体运动学的基础，它表达了流体质量守恒的原理，即流体流入和流出的量相等。
连续性方程
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02、
03、
流体动力学相似性
雷诺数是描述流体流动状态的无量纲数，用于判断流体运动的相似性，如管道流动。
雷诺相似准则
01
弗劳德数关联流体的惯性力与重力，常用于水工模型试验中，确保模型与原型的相似性。
弗劳德相似准则
02
马赫数是流体速度与声速之比，用于高速流动中，确保流体动力学相似性的条件之一。
马赫相似准则
03
流体运动的稳定性
流体运动稳定性研究流体在受到扰动后是否能恢复到初始状态，是流体力学中的重要课题。
01
流体运动稳定性概念
通过线性稳定性理论和非线性稳定性理论，分析流体运动在不同条件下的稳定性特征。
02
稳定性分析方法
例如，泰勒-库尔特流体不稳定现象，展示了流体在特定条件下如何失去稳定性。
03
流体动力学不稳定性实例
流体动力学
第三章
伯努利方程
伯努利方程的定义
伯努利方程描述了在理想流体中，流速增加时压力降低的物理现象。
应用实例：飞机机翼
水力发电站
在水力发电站中，伯努利方程用于计算水轮机的功率和效率，指导能量转换。
飞机机翼设计利用伯努利原理，使得机翼上表面流速快于下表面，产生升力。
流体能量守恒
伯努利方程体现了流体在流动过程中，总能量保持不变的原理，即能量守恒。
动量方程
动量守恒原理
动量方程在工程中的应用
动量通量与压力梯度
动量方程的数学表达
动量方程基于牛顿第二定律，描述了流体在受力作用下动量的变化情况。
动量方程通常表示为F=ma，其中F是作用在流体上的合外力，m是流体质量，a是加速度。
动量方程中，动量通量与压力梯度的关系是流体力学分析中的关键点。
例如，在设计船舶推进系统时，动量方程用于计算螺旋桨产生的推力。
流体阻力与升力
01
流体阻力是物体在流体中运动时受到的反向阻力，如飞机机翼在飞行中遇到的空气阻力。
02
升力是流体动力学中使物体上升的力，例如，飞机的机翼设计利用伯努利原理产生升力。
03
在飞行器设计中，通过调整翼型和攻角来平衡阻力和升力，确保飞行的稳定性和效率。
流体阻力的产生
升力的原理
阻力与升力的平衡
流体在管道中的流动
第四章
管道流动基本方程
连续性方程是流体力学中的基础，表明在稳定流动条件下，管道中任一截面的流体质量流量保持恒定。
连续性方程
伯努利方程描述了理想流体沿流线的能量守恒，是分析管道流动中速度、压力和高度关系的重要工具。
伯努利方程
纳维-斯托克斯方程是描述粘性流体运动的偏微分方程组，对于管道流动的复杂情况提供了精确的数学模型。
纳维-斯托克斯方程
层流与湍流
层流表现为流体分层流动，无横向混合，常见于低速流动或粘性大的流体。
层流的特点
湍流流体运动无序且复杂，存在大量涡旋，常见于高速流动或流体粘性小的情况。
湍流的特征
雷诺数是判断流体流动状态的关键无量纲数，其值决定流体是层流还是湍流。
雷诺数的作用
当流速增加