第五章液体三元流动基本原理w

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,水力学,第五章 液体三元流动基本原理,5.1,概述,工程中绝大多数水利工程可用一元恒定总流方程解决；,实际工程中遇到的二元或三元的流动问题可建立三元流动的基本方程解决；,重点解决恒定平面势流问题（主要用于解决地下水渗流问题）,第,5,章 液体三元流动基本原理,本章内容,5.2,流线与迹线微分方程,5.3,液体三元流动的连续性方程,5.4,液体微团运动的基本形式,5.5,有旋运动简介,5.6,液体恒定平面势流,5.7,边界层简介,第,5,章 液体三元流动基本原理,1.,流线,（,1,）定义,：,流线是某瞬时在流场中绘出的曲线，曲线上各点的速度矢量均与该曲线相切。,5.2,流线与迹线微分方程,（,2,）流线方程,：,由,得出流线微分方程：,t,为流线方程的参数，积分时可视作常数。,2.,迹线,（,1,）定义：迹线是流体质点运动的轨迹。,（,2,）迹线方程,由,得出迹线微分方程：,t,为变量。,例,1,已知用欧拉变数表示的流体运动的速度场为,(,式中，,k,为大于零的常数,),，求流线与迹线。,5.3,液体三元流动的连续性方程,dt,时段,x,y,z,三个方向流出与流入控制体积的液体的质量差为：,1,、方程的推导,哈密顿算子,液体三元流动的连续性方程,质量净流出,质量减少,2,连续性方程的简化,（,1,）恒定流动，不论液体是否压缩,（,2,）不可压缩流体流动，不论是否恒定,（,4,）对于二维恒定不可压缩流动,3,连续性方程的意义,（,1,）质量守恒,（,2,）用连续性方程判别流动能否发生,（,3,）用连续性方程推求某一速度分量,（,4,）与运动微分方程联立求解,例,1,已知二维恒定不可压缩流动速度场为,判别流动是否能发生。,解：,所以该流动能发生。,例,2,已知二维恒定不可压缩流动径向速度分量为,式中,A,为常数，求切向速度分量,解：,1,、液体微团运动形式：,5.4,液体微团运动的基本形式,平移、旋转和变形,2,、液体质点的基本运动形式分析,设微团平行于,xoy,平面的投影面为,ABCD,，,在,t,瞬时，各角点沿,x,y,方向的速度分量,液体质点的基本运动形式,平移,是指液体微团在运动过程中任一线段的长度和方位均不变。,平移速度为,u,x,u,y,线变形,是指液体微团在运动过程中仅存在各线段的伸长或缩短。,线变形率,角变形,角,BAC,的减少量为,平均角变形为,x,角变形率,角变形,和旋转,角变形率,旋转角速度,角变形率,旋转角速度,线变形率分量：,角变形率分量：,旋转角速度分量：,变形率（应变率）张量为：,流体的速度分解定理：流场中任一点处的,速度 为平移速度 、旋转速度 与变形速度 之和。,5.5,有旋运动简介,有旋流动（有涡流动）,类似于流速场引用流线、流管、流束、流量,有旋运动的涡 场引入涡线、涡管、涡束、涡通量的概念来表征。,涡线、涡管、涡束,在某瞬时，在涡场中假想的一条空间几何曲线，在此曲线上，各质点的旋转角速度矢量 都与该点的曲线相切，则定义这条曲线为涡线。,涡线微分方程,涡量、涡通量、速度环量和斯托克斯定理,涡量,:,速度的旋度,。,涡通量（涡旋强度）,速度环量,:,在流场中任取一封闭的曲线 ，把速度沿该封闭曲线的线积分定义为绕曲线,L,的速度环量 ，记作,:,斯托克斯定律：通过某一曲面的涡通量,等于沿该曲面周界的速度环量,。,1,、 流函数定义,5.6,液体恒定平面势流,5.6.1,流函数,由流体平面不可压缩的连续性方程,即,则有,即连续性方程自动满足 称,为流函数,若设,2,、流函数的性质,(1).,=,C,为流线,即流函数等值线就是流线,(2).,平面无旋不可压,流函数满足拉氏方程,为调和函数,(3).,两条流线的流函数值之差等于,这两条流线间所通过的,单宽流量,1,、速度势函数定义,流动无旋,5.6.2,速度势函数,若令,流动无旋自动满足,称,j,为速度势函数,则有,2,、速度势函数的性质,(1),等势线与流线正交,2,、速度势函数的性质,(2),无旋不可压,速度势函数满足拉氏方程,j,为调和函数,代入不可压连续性方程得,例,3,平面速度场,试求,: (1).,是否为可能存在的流动,(2).,求流函数,(3).,是否无旋,解,:,(1).,(2).,例,3,平面速度场,试求,: (2).,求流函数,解,:,例,3,平面速度场,试求,: (1).,是否为可能存在的流动,(2).,求流函数,(3).,是否无旋,解,:,(3).,所以流动无旋,1.,流函数与速度势函数为共轭函数,流函数与速度势函数这一关系，在数学上称为柯西,(,Cauchy,)-,黎曼（,Riemann,）条件，满足这一条件的函数称为,共轭函数,。,5.6.3,流网及其性质,2,、流网的性质,2,每一网格的边长之比，等于流函数和流速势函数的,增量之比,;,1,流网是正交网格,;,2,、流网的性质,3,对于曲边正方形网格，任意两条流线间的单宽流量为常量。,3,、求流网的方法,解析法,实验法（水电比拟法）,手描法,水电比拟法,电场中的物理量与渗流场中的物理量存在着相似关系。,手描法绘制流网的步骤：,1.,按比例绘制流动的边界，,确定边界流线和边界等势线；,2.,按液流的流动趋势试绘流线；,3.,根据流网正交特性绘制等势线。一般绘制成曲边正方形网格,;,4.,检验。加绘网格的对角线加以检验,;,初绘流网，不一定符合要求，重复步骤,2,、,3,进行修正，直至符合要求为止。,5.6.4,基本平面势流及势流叠加原理,不可压液体基本平面势流,1.,平行流,速度场：,流函数：,势函数：,流 线：平行与,x,轴的直线。,等势线：平行与,y,轴的直线。,2.,源与汇,速度场：,流函数：,势函数：,流 线：为一族从原点引出的径向直线,等势线：为以原点为圆心的一族同心圆,极坐标的柯西黎曼条件,3.,势涡,（自由涡）,速度场：,流函数：,势函数：,流 线：为以原点为圆心的一族同心圆,等势线：为一族从原点引出的径向直线,势流叠加原理,设有两个简单势流，其势函数分别为 ，流函数分别为 ，流速分别为 。这两个简单势流叠加后仍然为势流。,势函数：,流函数：,流 速,:,5.7,粘性液体应力特征及应力,变形率关系,用理想液体的势流理论来研究低粘性大雷诺数情况下的粘性液体运动，所得的流速分布在除壁面附近以外的广大区域内是符合实际的，而压强分布几乎在全流场范围内都与实际一致。但在计算阻力等其他问题时，则会得到错误的结果。,对于高粘性或小雷诺数情况下的粘性液体运动，则势流解与实际相差甚远；为此需研究粘性流体的三元流动问题。,本节研究粘性液体流动的应力特征和应力与变形率的一般关系，以便为建立不可压缩粘性液体运动微分方程和以后研究边界层理论打下基础。,液流中一点处的应力状态,在粘性液流中，不但有压应力，而且有切应力存在，故其表面力可以分解成互相正交的一个法向应力,(,正应力,),和两个切向应力。,微小正六面体液体微团各边均趋于零时，正六面体趋于一点。,A,点的三个互相垂直的作用面上，有三个法向应力分量和六个切向应力分量，这九个应力分量就反映了该点的应力状态。,第一个下标表示作用面的法线方向，,第二个下标表示应力的作用方向。,当作用面的外法线方向与坐标,轴指向一致时，应力以顺坐标轴,指向为正，当作用面的外法线方,向与坐标轴指向相反时，应力以,逆坐标轴指向为正。,应力与变形率的关系,牛顿内摩擦定律的应力与变形率成线性关系。假定在粘性液体三元流动一般情况下，应力与变形率之间仍然保持线性关系，略去推导过程直接写出它们之间的关系。,对于法向应力,以上各分式中的第二项为粘件附加压强项。对于不可压缩流体,表明附加压强项与动力粘性系数及线变形率有关。,切应力,上式称为广义牛顿内摩擦定律。,同一点的切应力，当下标互换时，彼此相等。因此，粘性流体中，一点处的,9,个分量中，只有,6,个是彼此独立的 。,法向应力和切应力表达式反应了不可压缩牛顿流体三元流动应力与,变形率的一般关系式。它包括各种特殊情况，讨论如下：,.,当液体静止时，；法向应力为 ；,这里，,p,为静水压强，仅此一个标量就能描述静止液体中一点的应力状态。,2,当液体流动，但粘性效应可以忽略不计计，即为理想液体时，式中粘性项均可略去。同样有 ； 。即在理想液体中，也不存在切应力，而各方向的法向应力的大小就等于理想液流中动水压强,p,。,3,当粘性液体作平面流动（,xoy,平面）， 时，则可简化为牛顿内摩擦定律 。而切应力表达式可看作是牛顿内摩擦定律的三元推广，因此被称为广义牛顿内摩擦定律。,粘性液体三元流动的法向应力特征,当粘性液体流动时由于粘性影响，不仅出现切应力，而且一点处各方向上的法向应力的大小也不等。由法向应力表达式可知，除,-,p,外，还有一项粘性附加压强项。如果把三个法向应力的表达式相加，则得,对于不可压缩流体,式中,p,为粘性液体的动水压强。它的大小是三个坐标方向上法向应力的平均值。一般情况下，它是位置坐标的函数，非恒定流时还是时间的函数。,5.8,液体运动微分方程,在研究液流内部应力特性的基础上，可根据牛顿运动定律，先建立应力形式的运动微分方程,(,应力微分方程,),，再建立不可压缩粘性液体运动微分方程,(,纳维,斯托克斯方程,),、理想液体运动微分方程,(,欧拉方程,),和以时均值表示的粘性液体紊流时均运动微分力程,(,雷诺方程,),。,应力形式的运动微分方程,在粘件液体中取一微小正六面体为控制体分析作用于控制体内液体的力。,1,质量力,单位质量力,f,，在,x,，,y,，,z,坐标铀的投影为,，总质量力,F,在,x,，,y,，,z,坐标铀的投影为 则,2,表面力,单位表面力为：,根据牛顿第二运动定律。其,x,方向的分量式为,上式为以应力形式表示的运动微分方程，,简称应力微分方程。,不可压粘性液体运动微分方程,_ N-S,方程,对于符合牛顿内摩核定律的粘性不可压缩液体，可将反映应力特征的关系式及不可压缩液体的连续性代入应力微分方程，整理可得 ：,右边为外力项：质量力、压力、粘性力；左边为加速度项,:,当地加速度和迁移加速度。各项均对单位质量流体而言。称为不可压缩粘性液体运动微分方程。,欧拉运动方程：对于理想液体。,5.10,边界层概念、边界层分离、绕流阻力,一 边界层概念,二 边界层分离,三 绕流阻力,由图可知：,式中，,为全微分，则有,5.4.2,液体微团速度分解定理,配项得出：,则有：,改写成：,得出矢量表达式（速度分解定理）：,式中,:,为速度矢量,为平移速度矢量,为旋转角速度矢量,为矢径,