1、在连续介质假设下，讨论描述流体运动的方法，根据运动要素的特性对流动进行分类。本章的讨论是纯运动学意义上的，不涉及流动的动力学因素。连续方程是质量守恒定律对流体运动的一个具体约束，也在本章的讨论范围之中。,EXIT,第三章 流体运动学,EXIT,31 描述流动的方法,32 有关流场的几个基本概念,33 连续性方程,34 流体微团运动的分析,第三章 流体运动学,描述流体运动的困难 拉格朗日法 欧拉法 流体质点的加速度、质点导数,31 描述流动的方法,EXIT,质点间的约束,强,无,弱,一.描述流体运动的困难,质点数,N个,无穷,无穷,EXIT,离散 质点系,刚体,流体,EXIT,六个自由度运动,编
2、号，逐点描述 3N个自由度,困难：无穷多质点 有变形 不易显示,EXIT,t1,t2,t3,t4,t5,二.拉格朗日法,EXIT,t6,以研究单个流体质点运动过程作为基础，综合所有质点的运动，构成整个流体的运动。,拉格朗日法是质点系法，它定义流体质点的位移矢量为：,(a,b,c)是拉格朗日变数，即 t=t0 时刻质点的空间位置，用来对连续介质中无穷多个质点进行编号，作为质点标签。,流体在运动过程中其它运动要素和物理量的时间历程也可用拉格朗日法描述，如速度、密度等：,EXIT,易知,指定空间位置,不同流体质点,三.欧拉法,EXIT,以研究流场中各个空间点上运动要素的变化情况作为基础，综合所有的空
3、间点的情况，构成整个流体的运动。,欧拉法是流场法，它定义流体质点的速度矢量场为：,(x,y,z)是空间点（场点）。流速 u 是在 t 时刻占据(x,y,z)的那个流体质点的速度矢量。,流体的其它运动要素和物理特性也都可用相应的时间和空间域上的场的形式表达。如加速度场、压力场等：,EXIT,欧拉（L.Euler,1707-1783，瑞士）,拉格朗日（J-L.Lagrange，17361813，意大利),EXIT,着眼于流体质点，跟踪质点描述其运动历程,着眼于空间点，研究质点流经空间各固定点的运动特性,布哨,跟踪,EXIT,欧拉法是描述流体运动常用的一种方法。,EXIT,如果流场的空间分布不随时间
4、变化，其欧拉表达式中将不显含时间 t，这样的流场称为恒定流。否则称为非恒定流。,欧拉法把流场的运动要素和物理量都用场的形式表达，为在分析流体力学问题时直接运用场论的数学知识创造了便利条件。,四.流体质点的加速度、质点导数,速度是同一流体质点的位移对时间的变化率，加速度则是同一流体质点的速度对时间的变化率。,通过位移求速度或通过速度求加速度，必须跟定流体质点，应该在拉格朗日观点下进行。,EXIT,若流动是用拉格朗日法描述的，求速度和加速度只须将位移矢量直接对时间求一、二阶导数即可。,求导时a,b,c 作为参数不变，意即跟定流体质点。,EXIT,跟定流体质点后，x,y,z 均随 t 变，而且,若流
5、场是用欧拉法描述的，流体质点加速度的求法必须特别注意。,用欧拉法描述，处理拉格朗日观点的问题。,EXIT,位变加速度,由流速不均匀性引起,由流速不恒定性引起,EXIT,分量形式,EXIT,B,A,A,B,uAdt,uBdt,举例,EXIT,32 有关流场的几个基本概念,EXIT,恒定流、非恒定流 迹线和流线 流管和流量 均匀流、非均匀流；渐变流、急变流 流动按空间维数的分类 系统和控制体,一.恒定流、非恒定流,例如，恒定流的流速场：,恒定流的时变加速度为零，但位变加速度可以不为零。,EXIT,某一流体质点在不同时刻占据的空间位置。,二.迹线和流线,EXIT,迹线,迹线是流体质点运动的轨迹，是与
6、拉格朗日观点相对应的概念。,拉格朗日法中位移表达式,即为迹线的参数方程。t 是变数，a,b,c 是参数。,EXIT,这是由三个一阶常微分方程组成的方程组，未知变量为质点位置坐标（x,y,z），它是 t 的函数。给定初始时刻质点的位置坐标，就可以积分得到迹线。,在欧拉观点下求迹线，因须跟定流体质点，此时欧拉变数 x,y,z 成为 t 的函数，所以迹线的微分方程为,EXIT,t时刻,uA,uB,uC,A,B,C,D,表示某时刻流动方向的曲线。,uD,EXIT,流线,流线是流速场的矢量线，是某瞬时对应的流场中的一条曲线，该瞬时位于该曲线上的流体质点之速度矢量都和曲线相切。流线是与欧拉观点相对应的概念
7、。有了流线，流场的空间分布情况就得到了形象化的描绘。,EXIT,根据定义，流线的微分方程为,实际上这是两个微分方程，其中 t 是参数。可求解得到两族曲面，它们的交线就是流线族。,其中,EXIT,在非恒定流情况下，流线一般会随时间变化。在恒定流情况下，流线不随时间变，流体质点将沿着流线走，迹线与流线重合。,迹线和流线最基本的差别是：迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线，与拉格朗日观点对应，而流线是同一时刻、不同流体质点速度矢量与之相切的曲线，与欧拉观点相对应。即使是在恒定流中，迹线与流线重合，两者仍是完全不同的概念。,根据流线的定义，可以推断：除非流速为零或无穷大处，流线不能相交，也不能转折。
8、,EXIT,已知直角坐标系中的速度场 ux=x+t；uy=-y+t；uz=0,试求t=0 时过 M(-1,-1)点的流线。,ux=x+t；uy=-y+t；uz=0,(x+t)(-y+t)=C,t=0 时过 M(-1,-1)：C=-1,积分,由流线的微分方程：,t=0 时过 M(-1,-1)点的流线：,EXIT,例-1,解,xy=1,t=0 时过 M(-1,-1)：C1=C2=0,已知直角坐标系中的速度场 ux=x+t；uy=-y+t；uz=0,试求t=0 时过 M(-1,-1)点的迹线。,ux=x+t；uy=-y+t；uz=0,求解,x+y=-2,由迹线的微分方程：,x=-t-1y=t-1,消
9、去t，得迹线方程：,EXIT,例-2,解,迹线,流线,x,y,o,t=0 时过 M(-1,-1)点的流线和迹线示意图,EXIT,M(-1,-1),流动线条和流动显示,流动线条(flow lines)包括四种：流线（streamline)、迹线(pathline)、烟线(streakline)、时线(timeline),烟线(streakline)定义：由先后连续地经过同一场点的流体质点所组成的曲线。,时线(timeline)定义：由确定流体质点组成的流体线。,流动往往靠流动线条来显示，而在实验中比较容易得到的流动线条是烟线和时线。,EXIT,通常用摄象机能拍到什么流动线条？应该怎么拍？,思 考
10、?,EXIT,流线,L,流管,三.流管和流量,在流场中，取一条不与流线重合的封闭曲线L，在同一时刻过 L上每一点作流线，由这些流线围成的管状曲面称为流管。,与流线一样，流管是瞬时概念。,根据流管的定义易知，在对应瞬时，流体不可能通过流管表面流出或流入。,EXIT,与流动方向正交的流管的横断面,过流断面为面积微元的流管叫元流管，其中的流动称为元流。,过流断面为有限面积的流管中的流动叫总流。总流可看作无数个元流的集合。总流的过流断面一般为曲面。,dA1,dA2,u1,u2,过流断面,EXIT,称为质量流量，记为Qm，单位为 kg/s.流量计算公式中，曲面 A 的法线指向应予明确，指向相反，流量将反
11、号。闭曲面的法向一般指所围区域的外法向。,通过流场中某曲面 A 的流速通量称为流量，记为 Q，它的物理意义是单位时间穿过该曲面的流体体积，所以也称为体积流量，单位为 m3/s.,dA,u,A,n,EXIT,总流过流断面上的流速与法向一致，所以穿过过流断面 A 的流量大小为，其中 u为流速的大小。,EXIT,定义体积流量与断面面积之比 为断面平均流速，它是过流断面上不均匀流速 u 的一个平均值，假设过流断面上各点流速大小均等于v，方向与实际流动方向相同，则通过的流量与实际流量相等。,位变导数？,均匀流,非均匀流,四.均匀流、非均匀流；渐变流、急变流,均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流
12、线要么是曲线，要么是不相平行的直线。,EXIT,为什么？,判别,o,以下的流动是均匀流：,应注意将均匀流与完全不随空间位置而变的等速直线流动相区别，前者是流动沿着流线方向不变，后者是流动沿着空间任何方向不变。后者是均匀流的一个特例。,EXIT,例如,在实际流动中，经常会见到均匀流，如等截面的长直管道内的流动、断面形状不变，且水深不变的长直渠道内的流动等。,恒定均匀流的时变加速度和位变加速度都为零，即流体质点的惯性力为零，将作匀速直线运动。若总流为均匀流，其过流断面是平面。这些均匀流的运动学特性，将给以后处理相关的动力学问题带来便利，因此在分析流动时，特别关注流动是否为均匀流的判别。,EXIT,
13、是否接近均匀流？,渐变流,流线虽不平行，但夹角较小；流线虽有弯曲，但曲率较小。,急变流,流线间夹角较大；流线弯曲的曲率较大。,渐变流和急变流是工程意义上对流动是否符合均匀流条件的划分，两者之间没有明显的、确定的界限，需要根据实际情况来判定。,是,否,EXIT,急变流示意图,EXIT,流线间夹角较大,流线弯曲的曲率较大,五.流动按空间维数的分类,一维流动二维流动三维流动,平面流动,轴对称流动,任何实际流动从本质上讲都是在三维空间内发生的，二维和一维流动是在一些特定情况下对实际流动的简化和抽象，以便分析处理。,EXIT,流场与某一空间坐标变量无关，且沿该坐标方向无速度分量的流动。,u0,u0,二维
14、流动,EXIT,直角系中的平面流动：,大展弦比机翼绕流,z,r,o,子午面,EXIT,柱坐标系中的轴对称流动：,液体在圆截面管道中的流动,流动要素只取决于一个空间坐标变量的流动,在实际问题中，常把总流也简化为一维流动，此时取定空间曲线坐标 s 的值相当于指定总流的过流断面，但由于过流断面上的流动要素一般是不均匀的，所以一维简化的关键是要在过流断面上给出运动要素的代表值，通常的办法是取平均值。,s,其流场为,s 空间曲线坐标,元流是严格的一维流动，空间曲线坐标 s 沿着流线。,EXIT,一维流动,六.系统和控制体,由确定的流体质点组成的集合称为系统。系统在运动过程中，其空间位置、体积、形状都会随
15、时间变化，但与外界无质量交换。,有流体流过的固定不变的空间区域称为控制体，其边界叫控制面。不同的时间控制体将被不同的系统所占据。,站在系统的角度观察和描述流体的运动及物理量的变化是拉格朗日方法的特征，而站在控制体的角度观察和描述流体的运动及物理量的变化是欧拉方法的特征。,EXIT,占 据,有限体积 系统 流体团,微分体积 系统流体微团,最小的 系统流体质点,有限体积 控制体,微元 控制体,场点,大 小,EXIT,33 连续性方程,EXIT,三维流动的连续性微分方程 不可压缩流体运动的连续性微分方程 恒定总流的连续性方程,连续性方程 质量守恒定律对流体运动的一个基本约束,用欧拉观点对质量守恒原理
16、的描述：连续介质的运动必须维持质点的连续性，即质点间不能发生空隙。因此，净流入控制体的流体质量必等于控制体内因流体密度变化而增加的质量。,EXIT,一.三维流动的连续性微分方程,净流入前后这一对表面的流体质量为,在时间段dt 里，从 abcd 面流入微元体的流体质量为,从abcd面流出的流体质量为,EXIT,dx,dy,dz,uz,a,b,c,d,a,b,c,d,同理可知，在时间段dt 里，沿着 y 方向和 z 方向净流入左右和上下两对表面的流体质量分别为,和,uy,EXIT,三维流动的连续性微分方程,在时间段dt 里，微元内流体质量的增加,根据质量守恒原理,简化,或写成,EXIT,恒定流动的
17、连续方程,EXIT,极坐标中平面流动的连续方程,对于不可压缩流体的流动（不论是恒定或非恒定），连续方程为,EXIT,速度场的散度为零,二.不可压缩流体运动的连续性微分方程,不可压缩流体,速度场的散度,流体微团在三个互相垂直方向上的线变形速率之和，也是流体微团的体积膨胀率。,连续方程 表明不可压缩流体微团在三个互相垂直方向上的线变形速率的总和必为零，若在一个方向上有拉伸，则必有另一个方向上的压缩，在运动过程中其体积不会发生变化。,EXIT,EXIT,恒定条件下：总流管的形状、位置不随时间变化。总流内的流体是不存在空隙的连续介质，其密度分布恒定，所以这段总流管内的流体质量也不随时间变化。没有流体穿
18、过总流管侧壁流入或流出，流体只能通过两个过流断面进出控制体。,控制体：上游过流断面 A1 和下游过流断面 A2 之间的总流管,A1,A2,Qm,Qm,三.恒定总流的连续性方程,通过恒定总流两个过流断面的质量流量相等。,恒定总流连续方程,即,或,通过恒定总流两个过流断面的体积流量相等。,根据质量守恒定律即可得出结论：在单位时间内通过 A1 流入控制体的流体质量等于通过 A2 流出控制体的流体质量。,又若流体不可压，=const,EXIT,对于不可压缩流体，根据连续方程，容易理解为什么流线的疏密能够反映流速的大小。,在有分流汇入及流出的情况下，连续方程只须作相应变化。质量的总流入=质量的总流出。,
19、EXIT,34 流体微团运动的分析,EXIT,流体微团运动分析亥姆霍兹速度分解定理 有旋流动和无旋流动,考察和分析流体质点之间的相对位移和相对运动。,谈及相对运动就必须把讨论问题的尺度从流体质点扩大到流体微团。,给出在同一时刻流体微团中任意两点速度之间的关系。,分析流体微团的运动形式。,EXIT,考察 在 M 点的一阶台劳展开，以 x 方向分量为例。,三.亥姆霍兹速度分解定理,EXIT,dr,同理,EXIT,合并成矢量形式,流体微团中任意两点间速度关系的一般形式,亥姆霍兹速度分解定理,EXIT,主对角线上三个元素是线变形速率,其余的是角变形速率,流体的变形速率张量，是二阶对称张量,EXIT,流
20、体旋转角速度矢量，它恰是流速场的旋度矢量的一半。,旋度,EXIT,亥姆霍兹速度分解定理各项的物理意义,:点的流速；:点的流速；:流体变形率张量 对两点相对运动速度的贡献，包括线变形和角变形；:流体平均旋转角速度 引起的两点相对运动速度。,EXIT,变形速度 转动速度 适用范围,流体,刚体,流体速度分解与刚体速度分解的异同,EXIT,唯一的标准是看流速场是否满足，写成分量形式为：,四.有旋流动和无旋流动,旋度,这个分类是 很重要的,EXIT,判别,有旋流动和有势流动的判别仅在于流速场的旋度是否为零。不要根据流线是直线或曲线来直观判别，以免出错。,流线是圆周，无旋,流线是直线，有旋,x,y,o,EXIT,
