流体力学基础

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流体力学基础

流体基础

流体与固体的区别

固体可以通过静态形变来抵抗剪切应力,而流体不能。

流体在连续的剪切应力作用下,会发生连续变形。

连续性假设

流体充满着一个容积时不留任何自由空隙,既没有真空的地方,也没有分子的微观运动。即把流体看做是连绵不断的不留任何自由空隙的连续介质。

连续性假设合理的条件?

气体分子的平均自由行程l与所研究物体的特征尺度L之比及其微小。(努森数Kn = l/L >= 0.1,连续性假设不再适用)

流体特性

一般流体的运动特性包括:温度压力密度粘性声速

温度

描述流体分子热运动的剧烈程度

温度很难定量地下定义。当两个物体在热接触时没有任何可观测的特性发生改变,则它们的温度相同。

与第三个物体温度相等的两个物体,温度相同。

压力

因为热能引起的流体分子随机运动,单个流体分子会撞击置于流体中的物体表面,从而对物体表面产生作用力。压力为单位表面积上这种作用力的度量值

密度

某点流体的密度,等于包围该点的单位体积流体的质量。

密度是气体成分温度压力的函数。

ρ = f(气体成分, T, P)

理想气体状态方程

P = ρ * R_g * T

其中R_g为气体常数,与气体种类有关。

粘性

粘性是对真实流体在剪切变形过程中,产生的剪切应力大小的度量。

剪切应力与横向速度梯度成正比的流体,称为牛顿流体

粘性大小用粘性系数μ表示,它是气体成分温度压力的函数。

对于空气,在温度低于3000K的情况下,粘性几乎只与温度有关,而不受压力影响。

空气密度可以用Sutherland公式估计。

声速

无限小扰动在流体中的传播速度,称为声速。

流动形态

流体流动的形态主要有层流湍流两种。

层流与湍流一般通过雷诺数的大小来区分:

  • Re < 2300: 层流;
  • Re ≥ 2300 && Re ≤ 10000: 过渡区;
  • Re > 10000: 旺盛湍流;

流动类型

流动类型主要包括外流内流

外流为流体围绕固体的流动,内流为流体在固体包围形成的空间内流动。

流动阻力、流动损失

流动阻力

流动阻力是流体流经物体时,沿流线方向施加给物体的合力。

流动阻力与下列变量有关:

  1. 流道几何形状;
  2. 流场;
  3. 流体性质。

对特定形状流道的特定流体,不可压范围内(密度不变),流经流道施加的流动阻力大小只与流场有关。具体地,与流速的分布情况有关。

从微观上,这个流动阻力是流体与流道接触的界面上压力P,在整个流体与流道接触面上的积分值(压力合力)在流动方向上的分量。

根据牛顿第三定律,流动阻力也存在相互作用力。流体给予物体一个阻力F,则物体也给予流体一个逆流向的反作用力-F。在稳态时,如需继续保持稳定流动,围绕物体的流体需受力平衡,取其为控制体,因流体流动只能依靠不均匀的压力驱动,则这个物体施加的反作用力-F需要控制体边界的压力合力来平衡。

也就是说,在一个封闭的流道中(任意构型),如需让流体以特定速度V流过流道,则必须在流道的进出口设置一定的压力差△P,以克服流道壁施加给流体的反作用力-F

ldzl

流动损失

因流体具有粘性,凡是具有速度梯度的地方,就不可避免地存在流动损失。

流动损失的本质是流体的机械能向内能不可逆地转换(也称熵增),体现为流体总压的降低。

流体机械

风机、水泵

风机和水泵可以被看作总压增大器

风机(水泵)这类流体机械,通过叶片的旋转对通过的流体非定常做功,增加其总压。对于气体,通过风扇后静压和动压都可能增大。对于液体,通过泵的总压增大主要体现在动压(流速)增加。

Keywords: Fluid
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