热工与流体力学基础 教学课件 作者 蒋祖星 第三章流体动力学基础.ppt

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1、第三章　流体动力学基础第一节　流体流动的基本概念一、稳定流动与非稳定流动二、迹线和流线1.迹线与流线的概念第三章　流体动力学基础某一流体质点在运动过程中的不同时刻所占据的空间点所连成的线称为迹线。或者说迹线是流体质点运动所走过的轨迹线。因拉格朗日法是研究个别流体质点在不同时刻的运动情况的，因而可以说，迹线是从拉格朗日法中引出的。此研究方法正是通过流体运动的迹线来获得流体的运动要素的。图3-1　流线的画法第三章　流体动力学基础2.流线的基本特性根据流线的概念，可得到流线的几个基本特性。1)稳定流动时，流线的形状和位置不随时间而变

2、。2)稳定流动时，迹线与流线相重合；而非稳定流动时，迹线与流线一般不会重合。3)流线不能相交。4)流线不能有转折。三、流管、流束与总流1.流管与流束如图3⁃3所示，在流场中任意画一封闭的曲线（不与流线重合），经过曲线上的所有点作流线，由这些流线组成的管状流道称为流管。流管内部流动的流体称为流束。第三章　流体动力学基础2.微小流束与总流垂直于流束的断面称为过流断面。沿流束方向可作无数过流断面。过流断面可能为平面（或近似平面），也可能为曲面，如图3⁃4所示。图3-3　流管和流束第三章　流体动力学基础1)在某一瞬间，微小流束形状不变

3、，外部流体不能直接流入，内部流体也不能流出。2)微小流束过流断面上的流动参数可以认为是均匀分布的，即认为流速和压力等运动参数只沿流动方向发生变化。四、流量和平均流速1.流量单位时间内通过（微小流束或总流）某一过流断面的流体体积称为体积流量，用符号Q表示，单位为m3/s或L/s等。单位时间内通过过流断面的流体重量称为重量流量，用符号G表示，其单位为KN/s和t/h等。第三章　流体动力学基础2.平均流速从式（3⁃1）可知，要计算总流的流量，需要确定在总流过流断面上的速度分布规律。当流速wg在断面上的分布不容易确定或不需要确定时，可

4、以引入断面平均流速v来代替式（3⁃1）中的点的流速wg。第三章　流体动力学基础图3-5　平均流速的含义第三章　流体动力学基础第二节　稳定流动的连续性方程自然界一切物质的运动都遵循质量守恒原理，流体运动也不例外。连续性方程就是质量守恒原理在流体力学中的具体应用。第三章　流体动力学基础图3-6　稳定流动连续性方程分析第三章　流体动力学基础第三章　流体动力学基础第三章　流体动力学基础图3-7　例3-1图解：1)根据连续性方程可得第三章　流体动力学基础2)由于各断面面积之比不变，流量增加一倍时，各断面的流速也应相应增大一倍。第三节　伯

5、努利方程第三章　流体动力学基础伯努利方程又称为稳定流动能量方程，它是能量守恒定律在流体力学中的具体应用。不可压缩流体一元稳定流动能量方程反映了流体在管道中流动时流速、压力和位置高度之间的变化关系，在工程上有广泛的实用价值。下面从功能原理出发，建立不可压缩流体一元稳定流动时的能量方程。一、不可压缩流体稳定流动微小流束的伯努利方程1.不可压缩理想流体稳定流动微小流束的伯努利方程第三章　流体动力学基础如图3⁃8所示，在理想流体稳定流动的流场中取一微小流束，并截取其中1⁃1断面与2⁃2断面之间的流段来研究。设1⁃1断面和2⁃2断面的过

6、流断面面积为dA1和dA2，断面形心点距某一水平基准面0⁃0的垂直距离分别为z1和z2，两断面上压力分别为p1和p2，流速分别为1和2。若经过dt时段，微小流束段由原来的1⁃1与2⁃2移动到新的位置1′⁃1′与2′⁃2′，两断面所移动的距离分别为ds1=1dt和ds2=2dt。根据理论力学中的动能定律，微小流束内的流体在dt时段内动能的增量，应等于作用于该流段的各种外力所做的功。外力所做的功包括表面力和质量力两部分所做功之和。第三章　流体动力学基础图3-8　微小流束伯努利方程的推导(1)表面力做功　作用于微小流束流段上的表面力

7、包括两部分，第三章　流体动力学基础一部分是微小流束的侧面上的流体动压力，另一部分是微小流束两端过流断面上的流体动压力，其中侧面动压力的方向与流体流动的方向垂直，其做功量为零。(2)质量力做功　设作用于流体上的质量力只有重力。(3)动能增量。第三章　流体动力学基础第三章　流体动力学基础2.不可压缩实际流体稳定流动微小流束的伯努利方程第三章　流体动力学基础二、均匀流过流断面上的压力分布将微小流束能量方程式中各项在断面上积分，便可得到总流的能量方程。为此，首先分析均匀流的概念及其过流断面上的压力分布。第三章　流体动力学基础图3-9　

8、渐变流和急变流三、实际流体总流的伯努利方程第三章　流体动力学基础(1)∫(z+p/ρg)ρgdQ第三章　流体动力学基础图3-10　稳定流动总流能量方程的推导(2)∫AρgdQ第三章　流体动力学基础(3)∫Qhl′ρgdQ第三章　流体动力学基础第三章　流体动力学基础第三章　流体