第三章流體動(dòng)力學(xué)Chapter3Hydrodynamics

流體動(dòng)力學(xué)是研究流體在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即研究作用在流體上的力與流體流動(dòng)行為之間關(guān)系。 在流體靜力學(xué)中，主要研究作用在靜止或相對(duì)靜止流體體系上的質(zhì)量力(體積力)與表面力的平衡關(guān)系。這種力是外界或通過(guò)外力場(chǎng)作用在流體體系上的，所以稱之為外力。 當(dāng)流體體系處于任意的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，流體除了仍然受到以上提到的力的作用外，根據(jù)牛頓粘性定律，處于不均勻流速流動(dòng)狀態(tài)的流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生抵抗流動(dòng)不均勻性的粘性力。當(dāng)流動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生慣性力。于是，外界作用力、粘性力和慣性力等力的平衡關(guān)系共同決定了特定流體體系的流動(dòng)行為。 流體動(dòng)力學(xué)就是基于有關(guān)的物理定律，通過(guò)建立相應(yīng)的平衡數(shù)學(xué)方程，來(lái)定量描述流體的流動(dòng)行為，如：流動(dòng)方式，速度的方向、大小和分布等。流體動(dòng)力學(xué)所涉及到的三個(gè)基本物理定律：1、3定律在傳熱、傳質(zhì)篇中要用到，如：流動(dòng)傳質(zhì)方程和流動(dòng)傳熱方程；描述流體及流動(dòng)還涉及到一些輔助的定律，如理想氣體定律等。3.1流體動(dòng)力學(xué)有關(guān)基本概念三、流線Streamline流線：在某一時(shí)刻從某質(zhì)點(diǎn)A起流速方向上的相鄰質(zhì)點(diǎn)的依次連線稱為在該時(shí)刻通過(guò)該質(zhì)點(diǎn)A的流線。流線的性質(zhì)：①在任意時(shí)刻下，流場(chǎng)中的任何流線均不相交；②

在非穩(wěn)定流動(dòng)中，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)A的流線的形狀是隨時(shí)間t變化的，只有在穩(wěn)定流動(dòng)中，A質(zhì)點(diǎn)流線的形狀才不會(huì)發(fā)生改變，且與A質(zhì)點(diǎn)的軌跡線重合。四、流管、流束與流量流管：在流場(chǎng)中作一本身不是流線又與流線相交的封閉曲線，通過(guò)這一封閉曲線上各點(diǎn)的流線所構(gòu)成的管狀表面；流束：流管內(nèi)部的流體；有效截面：處處與流線相垂直的流束的截面積；流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)某一有效截面的流體量[m3/s]數(shù)學(xué)上流量的表達(dá)式為：式中：u—為流速，dA—有效截面微元面積流量有體積流量和質(zhì)量流量之分，(3-3)為體積流量,質(zhì)量流量為：平均流速：流過(guò)某一有效截面A的體積流量Vs與有效截面積A的比值稱為通過(guò)該面積的平均流速，表示為：總流：在流動(dòng)邊界內(nèi)的全部液流或氣流稱為總流。按流動(dòng)邊界的性質(zhì)，總流可分為三類，即有壓流、無(wú)壓流和射流。有壓流：流體充滿管道并沿其軸線流動(dòng)。無(wú)壓流：總流邊界的一部分為固體邊界所限制，而另一部分與空氣接觸形成自由面。射流：氣體由管嘴噴射到一個(gè)比較大的空間去，由于氣體脫離了限制它的管道，不再受固體界面的約束，憑著出口時(shí)所具有的動(dòng)量和慣性，在自由空間內(nèi)不斷卷吸周圍的氣體介質(zhì)，從而形成逐漸擴(kuò)展流動(dòng)的噴射流，這種流動(dòng)方式稱為射流。五、動(dòng)量率及動(dòng)量通量

RateofMomentumandMomentumFlux

流體本身具有質(zhì)量，當(dāng)處于流動(dòng)速度時(shí)，流體就具有動(dòng)量，為表示動(dòng)量強(qiáng)度的大小，要定義動(dòng)量率和動(dòng)量通量的概念。動(dòng)量率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體傳輸?shù)膭?dòng)量;動(dòng)量通量：流體在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)單位面積流體所傳輸?shù)膭?dòng)量，其值為：

單位：動(dòng)量率和動(dòng)量通量均為矢量。①對(duì)流動(dòng)量通量

ConvectionalMomentumFlux

流體的流動(dòng)及粘性均會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)量的傳遞，所以相應(yīng)地，動(dòng)量通量又分為對(duì)流動(dòng)量通量和粘性動(dòng)量通量。若流體的質(zhì)量為m，速度為u，則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的就是對(duì)流動(dòng)量通量：

[例]流體沿x軸方向流動(dòng)，速度為ux，流過(guò)的面積Ax=dydz，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)Ax面積的質(zhì)量為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)Ax面的動(dòng)量率為:在x方向的動(dòng)量通量為：②粘性動(dòng)量通量：

ViscousMomentumFlux若流體沿x軸方向流動(dòng)，速度為ux，根據(jù)牛頓粘性定律，粘性力與速度梯度的關(guān)系為：y方向的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積Ay=dxdz的粘性動(dòng)量率為：

y方向的粘性動(dòng)量通量為：式中ρux的單位為（kg/m