第一章流体力学基础 —— 流体的性质及流体运动的描述方法

第一章 流体力学基础——流体的性质及流体运动的描述方法西安建筑科技大学粉体工程研究所

1.1 流体力学概述 • 流体的性质 • 描述流体运动的方法 • 流线与迹线 • 系统与控制体 • 雷诺输运定理 EXIT

流体的性质 流体的基本物理性质流体质点和流体微元的概念流体的连续性——连续介质模型流体的可压缩性与热膨胀性流体的传递性质流体的运动 EXIT

流体的基本物理性质 密度某空间点附近单位体积内流体质量的平均值。 kg/m3 密度的倒数，即单位质量流体所占有的体积。比容 m3/kg EXIT

流体的基本物理性质（多组分流体的浓度） 质量浓度在单位体积中所含某组分i的质量，通常用i表示。 kg/m3 混合流体密度质量分数单位体积中所含某组分i的物质的量，用符号ci表示。摩尔浓度 mol/m3 EXIT

流体质点和流体微元的概念 为了满足数学分析的需要，引入流体质点模型： (1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平移运动; (2)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。流体质点为了描述流体微团的旋转和变形引入流体微元（流体质元、流体元）模型： (1)流体微元为由大量流体质点构成的微小单元（δx，δy，δz）; (2)由流体质点的相对运动形成流体微元的旋转和变形。流体微元 EXIT

流体的连续性——连续介质模型 连续介质模型假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 (1)可用连续性函数B (x, y, z, t)描述流体质点物理量随空间分布和时间变化； (2)可利用物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。说明连续介质假设是对物质分子结构的宏观数学抽象。除了稀薄气体、激波外的绝大多数流动问题，均可用连续介质假设作理论分析。 EXIT

水空气体积模量越大，说明流体越不容易被压缩。液体的可压缩性通常可以忽略。流体的可压缩性与热膨胀性在等温条件下，压强的变化引起流体体积和密度变化的性质。流体的可压缩性通常用等温压缩系数来度量，用T表示。也可以用体积弹性模量来度量，简称为体积模量，用E 表示。在SI制中体积模量的单位是帕(Pa) EXIT

流体的可压缩性与热膨胀性 在等温条件下，压强的变化引起流体体积和密度变化的性质。流体的可压缩性在温度改变时，流体的体积或密度可以改变的性质。流体的热膨胀性通常用热膨胀系数来度量，用 表示。 ＝常数可压缩流体与不可压缩流体 EXIT

流体的传递性质（动量、能量、质量） 动量传递——流体的粘性流体粘性首先表现在相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用。流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687）在《自然哲学的数学原理》一书中提出。牛顿粘性定律 “流体的两部分由于缺乏润滑而引起的阻力（若其他情况一样），同流体两部分彼此分开的速度成正比”; “不过，流体的阻力正比于速度，与其说是物理实际，不如说是数学假设”。 EXIT

普通板 涂腊板细砂板动量传递——流体的粘滞现象（粘性）牛顿内摩擦假设在过了近一百年后，由库仑（C.A.Coulomb,1784）用实验得到证实。库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了三种圆板的衰减时间

动量传递——流体的粘性 三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论: 衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。

动量传递——流体的粘性 牛顿粘性定律负号：若则y=c平面下方流体施加给该面上方流体粘性力的方向与x轴的负方向相同。 —流体的动力学粘性系数，简称粘度，Pas。 —流体的运动粘性系数，m2/s。 EXIT

动量传递——流体的粘性 遵循牛顿粘性定律的流体。牛顿流体所有气体和大多数低分子量的液体均属牛顿型流体。某些高分子溶液、油漆、血液非牛顿流体粘性系数等于零的流体。理想流体当流体的粘性较小（如水、空气等），或各层流体运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力较之其他的作用力（如惯性力等）可忽略不计实际流体粘性流体 EXIT

能量传递——流体的导热现象（导热性） 流体的导热现象：当静止流体中的温度分布不均匀时，流体分子会从温度高的地方向温度低的地方迁移，同时流体的热能也伴随着分子热运动从高温区域向低温区域传递的现象。傅立叶定律热流密度（单位时间单位面积上所传递的热量），w/m2。

质量传递——流体的扩散现象 流体的扩散现象：当流体的密度分布不均匀时，流体的分子会从高密度处向低密度处迁移的现象。自扩散指在单组分流体中，因流体自身密度差所引起的扩散；互扩散多组分的混合流体中，因各组分各自的浓度差而在其他组分中所引起的扩散；菲克定律流体沿y轴方向的质量扩散通量（单位时间通过单位面积的物质质量），kg/(m2s)

三种传递现象的相似性

流体的状态参数与状态方程 一定质量流体容积、压强与绝对温度的状态方程：理想气体：单位质量单组分气体： A、B两组分混合气体：高温压缩气体：

流体分子微观运动自身热运动 流体团宏观运动外力引起统计平均值流体的运动临界体积流体团分子速度的统计平均值曲线 EXIT

描述流体运动的方法 用数学语言来描述流体的运动（方程，数学模型），把真实的物理问题转变为数学问题。拉格朗日法对象为流体质点，描述每个流体质点自始至终的运动过程，即流体质点的位置随时间的变化规律。研究质点的运动轨迹欧拉法对象为空间点，描述空间每一点上的流体运动随时间的变化。研究物理量在空间的分布

用拉格朗日法描述流体的运动 • 拉格朗日坐标运动初始时刻流体质点的位置坐标。说明：① = 0时刻，流体质点的坐标为(a,b,c), (a,b,c)即为拉格朗日坐标。不同的流体质点，(a,b,c)的值不同，所以(a,b,c)应是针对不同质点的一组数。 ②在直角坐标系中，拉格朗日坐标可以用= 0时流体质点的初始位置坐标(x0,y0,z0)表示。 f=f (a,b,c,) 说明：f 为流体质点的某一物理量，上式表示在运动初始时刻坐标为(a,b,c)的流体质点在时刻该物理量的值或表达式。 • 拉格朗日描述

或或用拉格朗日法描述流体的运动将流体质点的物理量具体为流体质点的位置、速度、加速度。位置速度质点速度为质点矢径随时间的变化率

用拉格朗日法描述流体的运动 加速度质点加速度为质点在时刻的速度随时间的变化率

用欧拉法描述流体的运动 • 欧拉坐标固定于空间的坐标系的一组坐标。说明：①用其表示流体质点在不同时刻运动到空间某一点的位置 ②在直角坐标系中，欧拉坐标可以可以直接用直角坐标(x,y,z)表示。 • 欧拉描述

或或用欧拉法描述流体的运动位置速度

——哈密顿算子； 威廉.哈密顿用欧拉法描述流体的运动加速度

用欧拉法描述流体的运动 使用欧拉描述涉及到场的概念。场：如果在全部空间或部分空间里的某一点，都对应着某个物理量的一个确定的值，就说在这个空间里确定了该物理量的一个场。使用欧拉法所描述的各物理量均为空间点坐标和时间的函数——速度场，加速度场，压力场，温度场……

欧拉描述与拉格朗日描述的比较 拉格朗日描述欧拉描述分别描述有限质点的轨迹同时描述所有质点的瞬时参数不能直接反映参数的空间分布直接反映参数的空间分布不能描述流体元的运动变形特性适合描述流体元的运动变形特性拉格朗日观点是重要的流体力学最常用的解析方法

例1.1已知流体运动的拉格朗日描述 求速度与加速度的欧拉描述。欧拉描述与拉格朗日描述的互换拉格朗日描述欧拉描述求解得到a, b, c作为x()，y()，z()的函数，将之代入 f＝f（a，b，c， ），便可得到f的欧拉描述。

欧拉描述与拉格朗日描述的互换 解：利用已知的拉格朗日运动描述和速度与加速度的定义，可得速度与加速度的拉格朗日描述为（1）（2）已知（1）、（2）式 a, b关于（x,y,)的表达式速度与加速度的欧拉描述：

欧拉描述与拉格朗日描述的互换 拉格朗日描述欧拉描述 ①利用速度的定义将速度表达式积分求得矢径的表达式或空间位置坐标表达式： ②利用= 0时代入求得c1，c2,，c3依赖于a,b,c的表达式； ③将c1，c2,，c3的表达式代入矢径和物理量的欧拉描述，即得拉格朗日描述。

欧拉描述与拉格朗日描述的互换 例1.2已知流体运动的欧拉描述和初始条件＝0时求速度和加速度的拉格朗日描述。解：将积分得到：代入初始条件，得：所以

流线与迹线 流体质点运动的轨迹，即流体质点在空间运动时所描绘出来的曲线。迹线迹线的参数方程 x＝x（a，b，c， ） y＝y（a，b，c， ） z＝z（a，b，c， ）消去 xy＝ab 以前面例1.1为例

流线与迹线 迹线的微分方程解释：在已知流体运动的欧拉描述的前提下，可利用速度的定义将速度表达式积分求得矢径的表达式，所以可将速度的定义式变形获得。

流线与迹线 用来描述流场中各点流动方向的曲线。流线切线与速度方向一致的假想曲线。流线的微分方程说明：流线的微分方程虽然与迹线的微分方程具有相同的形式。但这里时间为常数。即流线描述的是某一时刻空间各点的速度分布情况。这是一种欧拉描述。

小结——流线与迹线的比较 迹线流线定义定义质点的运动轨迹质点的运动轨迹切线与速度方向一致的假想曲线切线与速度方向一致的假想曲线拉格朗日法欧拉法参数方程微分方程 为自变量，x,y,z为的函数 x, y, z为自变量，为常数 r()

如何求迹线和流线方程 例1.3 给定速度场ux＝x＋ ，uy＝－y－ ，求① ＝1时过（1，1）点的质点的迹线；② 过（1，1）点的流线。 ① 解：利用迹线的微分方程得：对上述两个微分方程求解，得：迹线方程已知＝1时,该迹线方程过（1，1）点，代入得：将c1和c2值代回上述迹线方程得：

如何求迹线和流线方程 例1.3 给定速度场ux＝x＋ ，uy＝－y－ ，求① ＝1时过（1，1）点的质点的迹线；② 过（1，1）点的流线。 ② 将看作常数，对流线微分方程积分解：得：已知该流线过（1，1）点，代入得：将c2值代回流线方程得：不一样！当=1时，流线方程为：迹线方程为：

什么情况下流线与迹线重合 流线与迹线定常流动！

系统与控制体 一团确定的流体质点的集合，是用拉格朗日法研究流体运动的研究对象。系统说明： 始终包含确定的流体质点; 有确定的质量; 系统的表面（边界的形状和所围空间的大小）常常随质点的运动不断变化; 与外界无质量的交换，但可以有力的相互作用及能量的（热和功）交换;

系统与控制体 在流体所在的空间中，被假想或真实的流体边界包围，既可静止不动也可以运动的某一区域是用欧拉法研究流体运动的研究对象。控制体说明：  控制体的周界称为控制面; 一旦选定后，其形状和大小就固定不变，但其中的流体质点组成可以随时间改变; 控制既可通过控制面与外界交换质量和能量，也可与环境有力的相互作用 ;

系统与控制体 +时刻 时刻系统控制体

控制体CV的边界， 系统S的边界雷诺输运定理将用拉格朗日法描述的系统内物理量随时间变化率转换为按欧拉法计算的方法。推导过程 ①说明： X—某一流体性质物理量（矢量或标量，质量、动量或能量）

经时间后，进入控制体，同时有 离开控制体。随着流体的迁移，物理量X（以质量为例）也发生相应的迁移，分别以进入控制体，离开控制体，有： • 在时刻雷诺输运定理推导过程 ②推导： (1) (2) • (2)-(1), 得：或 • 将上式两端除以 并使

雷诺输运定理 系统内物理量的变化率控制容积内物理量的变化率物理量通过控制面的净流出速率系统和控制容积内物理量变化速率的差等于物理量通过控制容积的净流出速率

小结流体的性质描述流体运动的方法流线与迹线系统与控制体雷诺输运定理 EXIT

第一章 流体力学基础 —— 流体的性质及流体运动的描述方法