流体力学第6章流体运动微分方程.ppt

1 6流体流动微分方程基本内容 掌握连续性方程及其推导 熟悉Navier Stokes方程了解Euler方程 2 控制体分析最大优点在于对定常流动 当已知控制面上流动的有关信息后 就能求出总力的分量和平均速度 而不必深究控制体内各处流动的详细情况 给一些工程问题的求解带来方便 缺点不能得到控制体内各处流动的细节 而这对深入研究流体运动是非常重要的 这一章中我们将推导微分形式的守恒方程 3 流体流动微分方程包括 连续性方程运动方程连续性方程是流体质量守恒的数学描述 运动方程是流体动量守恒的数学描述 二者都是基于流场中的点建立的微分方程 4 6 1连续性方程 连续性方程反映流动过程遵循质量守恒 现取微元体如图 5 输出微元体的质量流量为 输入微元体的质量流量 6 则输出与输入之差为 微元体内质量变化率为 7 根据质量守恒原理有 或 该式即为直角坐标系下的连续性方程 由于未作任何假设 该方程适用于层流和湍流 牛顿和非牛顿流体 8 对不可压缩流体 常数 有 t 0 则连续性方程为 不可压缩流体的连续性方程不仅形式简单 而且应用广泛 很多可压缩流体的流动也可按常密度流动处理 9 在直角坐标系中可表示为 对平面流动 柱坐标和球坐标下的连续性方程自学 10 例题 不可压缩流体的二维平面流动 y方向的速度分量为 试求x方向的速度分量 假定x 0时 vx 0 11 解 不可压缩流体的平面运动满足连续性方程 由已知条件得 积分得 vy y2 y x 12 根据边界条件x 0时vx 0代入上式得 故有 所以 13 例题 不可压缩流体的速度分布为u Ax By v Cx Dy w 0若此流场满足连续性方程和无旋条件 试求A B C D所满足的条件 不计重力影响 14 解 由连续方程可知 则有 又由于流动无旋 则有 则有 u Ax By v Cx Dy w 0 15 练习 有一个三维不可压流场 已知其x向和y向的分速度为 求其z向的分速度的表达式 当x 0 z 0时 vz 2y 16 6 2不可压缩粘性流体运动微分方程在运动着的不可压缩粘性流体中取微元平行六面体流体微团 作用在流体微元上的各法向应力和切向应力如图所示 17 dz dy dx 18 对流体微团应用牛顿第二定律 则沿x轴方向的运动微分方程为 19 化简后得 同理得 以应力表示的运动方程 20 将切应力和法向应力的关系式 代入上式的第一式并整理得 21 同理得 不可压缩粘性流体的运动微分方程 也叫Navier Stokes方程 简称N S方程 22 法国工程师和物理学家 特别对力学理论有很大贡献 流体力学中的纳维尔 斯托克斯 Navier Stokes 方程就用他和斯托克斯的名字命名的 他首次建立了可以于工程实际的弹性理论的数学表达式 1826年 他提出弹性模量概念 纳维尔通常被认为是现代结构分析的奠基人 纳维尔的最大贡献当然还是N S方程 流体力学的基本方程 克劳德 路易 纳维尔ClaudeLouisNavier1785 1836 23 乔治 斯托克斯GeorgeGabrielstokes1819 1903 英国力学家 数学家 1845年斯托克斯在 论运动中流体的内摩擦理论和弹性体平衡和运动的理论 中给出粘性流体运动的基本方程组 后称纳维 斯托克斯方程 流体力学中最基本的方程组 斯托克斯在数学方面以场论中关于线积分和面积分之间的一个转换公式 斯托克斯公式 而闻名 纳维从分子假设出发 将欧拉流体运动方程推广 1821年获得粘性流体运动方程 1845年斯托克斯从连续系统的力学模型和牛顿关于粘性流体的规律出发 给出粘性流体运动的基本方程组 后称纳维 斯托克斯方程 24 25 莱昂哈德 欧拉 LeonhardEuler 1707 1783瑞士数学家和物理学家 他被称为历史上最伟大的两位数学家之一 另一位是卡尔 弗里德里克 高斯 欧拉是第一个使用 函数 一词来描述包含各种参数的表达式的人 例如 y F x 函数的定义由莱布尼兹在1694年给出 他是把微积分应用于物理学的先驱者之一 欧拉在微积分 微分方程 几何 数论 变分学等领域均做出了巨大贡献 26 各项意义为 非定常项 对流项 单位质量流体的体积力 单位质量流体的压力差 扩散项或粘性力项 N S方程的矢量形式为 27 由于引入了广义牛顿剪切定律 故N S方程只适用于牛顿流体 处理非牛顿流体问题时可用以应力表示的运动方程 Navier Stokes方程是不可压流体理论中最根本的非线性偏微分方程组 是描述不可压缩粘性流体运动最完整的方程 是现代流体力学的主干方程 28 6 3基本微分方程组的定解条件N S方程有四个未知数 vx vy vz和p 将N S方程和不可压缩流体的连续性方程联立 理论上可通过积分求解 得到四个未知量 一般而言 通过积分得到的是微分方程的通解 再结合基本微分方程组的定解条件 即初始条件和边界条件 确定积分常数 才能得到具体流动问题的特解 29 1 初始条件对非定常流动 要求给定变量初始时刻t t0的空间分布 30 2 边界条件所谓边界条件 是包围流场每一条边界上的流场数值 不同种类的流动 边界条件也不相同 流体流动分析中最常遇到的三类边界条件如下 1 固体壁面粘性流体与一不渗透的 无滑移的固体壁面相接触 在贴壁处 流体速度 若流体与物面处于热平衡态 则在物面上必须保持温度连续 31 2 进口与出口流动的进口与出口截面上的速度与压强的分布通常也是需要知道的 如管流 3 液体 气体交界面液体 气体交界面的边界条件主要有两个 运动学条件 即通过交界面的法向速度应相等 压强平衡条件 即液体的压强必须与大气压和表面张力相平衡 32 根据这些初始条件和边界条件 我们可对基本微分方程组积分 并确定积分常数 得到符合实际流动的求解结果 但实际上 只有极少数的问题可求出理论解 通常采用数值解法 33 例题 不可压缩粘性流体在距离为b的两个大水平板间作定常层流流动 假定流体沿流动方向的压强降已知 求 1 两板固定不动 2 下板固定上板以等速U沿流动方向运动 两板间流体运动的速度分布 34 解 由于流体水平运动 则有 由于流动是一维的 有vy vz 0 由于流动是定常的 有 35 36 所以N S方程可简化为 由连续方程可得 37 将式 3 代入式 1 得 对上式进行两次积分可得 38 下面根据两种情况下的不同边界条件来确定常数C1 C2 1 两板固定不动这时的边界条件为 代入式 5 可得 39 于是得速度分布 2 上板以匀速U沿x方向运动这时的边界条件为 40 代入式 5 可得 于是得速度分布