第四章粘性流体动力学基础ppt课件.ppt

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1、第4章粘性流体动力学基础4.1、流体的粘性及其对流动的影响4.2、粘性流体的应力状态4.3、广义牛顿内摩擦定理（本构关系）4.4、粘性流体运动方程---Navier-Stokes方程4.5、粘性流体运动的基本性质4.6、雷诺实验、层流与湍流本章基本要求了解流体的粘性及其对流动的影响2.了解粘性流体的应力状态3.了解广义牛顿内摩擦定理（本构关系）4.了解粘性流体运动方程---N-S方程，掌握N-S方程各项所代表的意义了解雷诺实验，掌握层流与湍流的特征与区别4.1、流体的粘性及其对流动的影响1、流体的粘滞性在静止状态下，流体不能承受剪力。但是在运动状态下，流体可以承受剪力，

2、而且对于不同种流体所承受剪力大小是不同的。流体的粘滞性是指，流体在运动状态下抵抗剪切变形能力。流体的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动。因此，流体的粘滞性是指抵抗流体质点之间的相对运动能力。流体抵抗剪切变形能力，可通过流层之间的剪切力表现出来。（这个剪切力称为内摩擦力）。流体在流动过程中，必然要克服内摩擦力做功，因此流体粘滞性是流体发生机械能损失的根源。牛顿的内摩擦定律（Newton，1686年）F=µAU/h（UhF）4.1、流体的粘性及其对流动的影响流层之间的内摩擦力与接触面上的压力无关。设表示单位面积上的内摩擦力（粘性切应力），则µ-----流体的动力粘性系数

3、。（量纲、单位）：[µ]=M/L/Tkg/m/sNs/m2=Pa.s；=µ/---流体的运动粘性系数。量纲、单位：[]=L2/Tm2/s。水：1.13910-6空气：1.46110-5一般流层速度分布不是直线，而是曲线，如图所示。F=µAdu/dy=µdu/dydu/dy----表示单位高度流层的速度增量，称为流速梯度。4.1、流体的粘性及其对流动的影响流体切应力与速度梯度的一般关系为11--=0+µdu/dy22-=µ（du/dy）^0.533--=µdu/dy44--=µ(du/dy)^25—理想流体µ=05du/dy4.1、流体的粘性及其对

4、流动的影响1---binghan流体，泥浆、血浆、牙膏等2---伪塑性流体，尼龙、橡胶、油漆、绝缘3---牛顿流体，水、空气、汽油、酒精等4---胀塑性流体，生面团、浓淀粉糊等5---理想流体，无粘流体。2、粘性流体运动特点自然界中流体都是有粘性的，因此粘性对流体运动的影响是普遍存在的。但对于具体的流动问题，粘性所起的作用并不一定相同。特别是象水和空气这样的小粘性流体，对于某些问题忽略粘性的作用可得到满意的结果。因此，为了简化起见，提出了理想流体的概念和理论。以下用若干流动事例说明粘性流动与无粘流动的差别。（1）绕过平板的均直流动4.1、流体的粘性及其对流动的影响当理想

5、流体绕过平板（无厚度）时，平板对流动不产生任何影响，在平板表面，允许流体质点滑过平板，但不允许穿透平板（通常称作为不穿透条件）。平板对流动无阻滞作用，平板阻力为零。但如果是粘性流体，情况就不同了。由于存在粘性，紧贴平板表面的流体质点粘附在平板上，与平板表面不存在相对运动（既不允许穿透，也不允许滑动），这就是说，在边界面上流体质点必须满足不穿透条件和不滑移条件。随着离开平板距离的增大，流体速度有壁面处的零值迅速增大到来流的速度。这样在平板近区存在着速度梯度很大的流动，因此流层之间的粘性切应力就不能忽略，对流动起控制作用。这个区称为边界层区。平板对流动起阻滞作用，平板的阻力

6、不为零。即4.1、流体的粘性及其对流动的影响（2）圆柱绕流理想流体绕流圆柱时，在圆柱上存在前驻点A，后驻点D,最大速度点B、C。中心流线在前驻点分叉，后驻点汇合。根据Bernoulli定理，流体质点绕过圆柱所经历的过程为在A-B（C）区，流体质点在A点流速为零，压强最大，以后质点的压强沿程减小，流速沿程增大，到达B点流速最大，压强最小。该区属于增速减压区，顺压梯度区；在B（C）-D区，流体质点的压强沿程增大，流速沿程减小，到达D点压强最大，流速为零。该区属于减速增压区，逆压梯度区。在流体质点绕过圆柱的过程中，只有动能、压能的相互转换，而无机械能的损失。在圆柱面上压强分布

7、对称，无阻力存在。（著名的达朗贝尔佯谬）。4.1、流体的粘性及其对流动的影响粘性流体绕圆柱时的绕流特点：物面近区由于粘性将产生边界层，由A点到B点的流程中将消耗部分动能用于克服摩擦阻力做功，机械能损失。丧失部分机械能的边界层流动无法满足由B点到D点压力升高的要求，在BD流程内流经一段距离就会将全部动能消耗殆尽（一部分转化为压能，一部分克服摩擦阻力做功），于是在壁面某点速度变为零（S点）。流体将从这里离开物面进入主流场中，这种现象称为边界层分离，S点称为分离点。分离点下游流体发生倒流，形成了旋涡区。4.1、流体的粘性及其对流动的影响旋涡区的