流体动力学基础运动流体与固体壁面间的作用力层流和紊流课件

回顾,伯努利方程 （ ）1=（ ）2+hw1-2,第三章 流体动力学基础,本章主要内容,描述流体运动的方法 流场的若干概念 质点导数与系统导数 流体运动的基本物理定律及基本方程 平行直线流断面上的压强关系式 定常流动中的机械能关系 运动流体与固体壁面间的作用力 层流与湍流,第七节 运动流体与固体壁面间的作用力,上节导出了伯努利方程机械能关系式，要分析运动流体与固体壁面的相互作用力，还必须从流体系统的受力及运动的角度来建立相应的关系动量方程。,推导依据：牛顿第二定律,在流场中取一固定的有限体积V，它的表面积为S,t 时刻，占据该体积的流体系统具有的动量为,作用在体积V 上的总质量力为,作用在表面S上总的表面力为,于是，动量定理可写为,动量定理,应用系统导数关系，上式可改写为,对于定常流，控制体内流体的动量不随时间变化,动量方程的表达式为,动量方程是一个矢量方程，计算时采用分量形式的表达式方便,动量方程分量形式的表达式,定常流动动量方程的特点 在计算过程中只涉及控制面上的流动参数，而不必考虑控制体内部的流动状况。,一维流动动量方程的简化形式,一维不可压缩流体定常流动的动量方程为,上式的分量形式为,适当地选择体（控制面）； 完整地表达出控制体和控制面上的外力； 注意流动方向和投影的正负号。,应用时注意：,求解运动流体与固体壁面相互作用力的一些讨论,方程可改写为,动量方程,为此，可按如下步骤求解运动流体与固壁间的作用力,求解运动流体与固壁间的作用力的具体步骤,例题3-12示意图,依据力平衡关系，有,将数据代入方程得,第八节 层流与湍流,一、雷诺实验,黏性流体的流动存在着两种不同的流动状态，即层流和紊流。在1883年 英国物理学家雷诺（Reynolds）,雷诺实验示意,层流,湍流（或紊流）,各流体层之间互不干扰，互不相混，整个流场中呈一 簇互相平行的流线，如图（a）所示。,流动处于完全无规则的混乱状态，流场中，流体质点作复杂的无规则的运动，如图（c）。,二、雷诺数和临界雷诺数,特定流体 特定管道,流体的流动状态是层流还是紊流，不仅与流体的断面平均流速有关，还与管径、流体密度和粘度有关，上述几个因素用一个无量纲数雷诺数表示为,层流,湍流,?,特定流体 特定管道,层流,湍流,三、层流流动的特征,四、湍流流动的特征,湍流是一种随机的、非定常的、由各种尺寸的漩涡组成的三维有旋流动。在湍流中，流体各点的流动参数随时间和空间作随机变化。,右图为湍流流场中用高精度的热风速仪测量得到的某一点流体质点运动速度,该点的速度有两个特征：1）速度随时间的变化呈现无规则的随机性脉动；2）存在着一个平均值，脉动围绕在平均值附近进行，则其速速可表示为：,湍流流动中，任意流动参数，均可表示为,在湍流中，各流动参数采用上述方式表达后，流体力学的基本方程的形式将相应发生改变。,五、湍流时均运动的概念,在湍流流场中，各点的运动参数都表现出随机脉动的特征。但就工程应用而言，流场中流动参数瞬间小幅度的随机脉动不具有实质性的工程意义，起作用的是流动参数的时均值。,湍流定常流与非定常流,湍流定常流：流场中任意点上流动参数的时均值不随时间改变,湍流非定常流：流场中任意点上流动参数的时均值随时间的 变化而变化。,湍流时均运动用各参数的时均值来表述的湍流运动。,湍流定常流,湍流非定常流,