流体力学基本方程复习进程.ppt

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1、流体力学基本方程3.1系统和控制体的概念3.1.1系统包含着确定不变的物质的任何集合，称之为系统，系统以外的一切，统称为外界。系统的边界是把系统和外界分开的真实或假想的表面。在流体力学中，系统就是指由确定的流体质点所组成的流体团。3.1.1系统流体系统的边界有如下特点：①系统的边界随着流体一起运动。系统的体积边界面的形状和大小可以随时间变化；②在系统的边界处没有质量交换，即没有流体进入或跑出系统的边界；③在系统的边界上，受到外界作用在系统上的表面力；④在系统边界上可以有能量交换，即可以有能量(热或功)通过边界进入或离开系统。3.1.1

2、系统如果我们使用系统来研究连续介质的流动，那就意味着采用拉格朗日观点，即以确定的流体质点所组成的流体团作为研究的对象。但是对大多数实际的流体力学问题来说，采用欧拉观点更为方便，与此相应，必须引进控制体的概念。3.1系统和控制体的概念3.1.2控制体被流体所流过的相对于某个坐标系来说是固定不变的任何体积称之为控制体。控制体的边界面，称之为控制面。它总是封闭表面。占据控制体的诸流体质点是随着时间而改变的。3.1.2控制体控制面有如下待点：①控制体的边界(控制面)相对于坐标系是固定的；②在控制面上可以有质量交换，即有流体跑进或跑出控制面；③

3、在控制面上受到控制体以外物体加在控制体之内物体上的力；④在控制面上可以有能量交换，即可以有能量(内能、动能、热或功)跑进或跑出控制面。3.2连续性方程连续性方程是质量守恒定律在运动流体中的数学表达式。连续性方程是运动学方程，它与力无关，所以既适用于理想流体也适用于粘性流体。在流动空间中，考察一微元控制体，其体积为dxdydz，对某一固定参考系统，它是固定在空间中的，如下图所示。3.2连续性方程质量守恒定律可表述如下：控制体内流体质量的减少量应等于从控制体净流出的流体质量。控制体内流体的流入与流出yxρuxdzdxdyoz3.2连续性方

4、程(1)控制体内流体质量的变化dt时间中控制体内流体密度的变化为dt时间中控制体内流体质量的减少量为3.2连续性方程(2)通过控制面净流出控制体的流体质量dt时间内在x方向通过左右两个侧面(控制面)净流出的流体质量为同理，dt时间中在y、z方向通过相应控制面净流出的流体质量分别为3.2连续性方程(3)流体流动的连续性方程根据质量守恒定律，由上述分析可得出对于单位时间单位体积空间而言这就是直角坐标系中的连续性方程式，将之写成向量形式即得3.2连续性方程按求和约定，连续性方程可表示成使用恒等式，连续性方程可写成其中：3.2连续性方程对于定

5、常流动，，连续性方程变成按求和约定，上式表示成它表示了单位时间流出单位体积空间的质量等于流入该体积空间的质量，也可以说微元控制体内的流体密度不随时间而改变。3.2连续性方程对于不可压缩流体的流动问题，，不可压缩流体流动的连续性方程为按求和约定，上式表示成上式说明，由于流体微团的密度和质量在流动过程中都不变，所以流体微团的体积在运动中也不会改变。3.2连续性方程在圆柱坐标系(r,θ,z)中，流体流动的连续性方程为在球坐标系(r,θ,φ)中，流体流动的连续性方程为3.3本构方程一般而言，所谓本构方程是指描述物质对所受力的力学响应的方程。对

6、运动的粘性流体而言，应力与变形速度之间的关系称为本构方程。3.3.1流体的表面应力张量为了建立流体动力学方程，需要分析流体微团上所受到的各种作用力。流体微团受到的作用力可以分为两大类：一类是质量力，它是作用在流体所有质点上的非接触力，如重力、惯性力、电磁力等；另一类是表面力，它是作用在流体微团界面上的接触力，如压力、摩擦力等。现只考虑表面力。3.3.1流体的表面应力张量如右图所示的正六面体流体微团，在垂直于x轴的左右两个侧表面上，分别作用有合应力px和流体微团的表面应力张量τxxτxzzpx(x,y,z)τxydydzdxoxy3.3

7、.1流体的表面应力张量此处的下标x表示应力向量作用在与x轴垂直的微元面上。由此可得到作用在垂直于x轴的微元面上的表面力的合力为同理，作用在垂直于y轴和z轴的微元面上的表面力的合力分别为3.3.1流体的表面应力张量综和上述结果，可得到作用于单位体积流体的表面力的合力上式中px、py和pz都是向量，可以将它们沿三个坐标方向分解，即分解成垂直于各微元面的正应力和平行于各微元面的切应力，例如上面图中作用于与x轴垂直的微元面上的应力px可分解成同理3.3.1流体的表面应力张量下标规定：第一个下标代表应力所在平面的外法线方向，第二个下标代表应力的

8、方向。例如，τxy表示作用在与x轴垂直的平面上沿y方向的切应力。由上述分析可见，要完全描述微元体上的应力，则需要九个分量，这九个分量就组成了应力张量，应力张量可表示成3.3.1流体的表面应力张量可以证明，应力张量是二阶对