文档介绍：工程流体力学
第七章理想不可压缩流体的有旋流动和无旋流动
第七章理想不可压缩流体的有旋流动和无旋流动
本章内容:在许多工程实际问题中,流动参数不仅在流动方向上发生变化,而且在垂直于流动方向的横截面上也要发生变化。要研究此类问题,就要用多维流的分析方法。本章主要讨论理想流体多维流动的基本规律,为解决工程实际中类似的问题提供理论依据,也为进一步研究粘性流体多维流动奠定必要的基础。
第一节流体流动的连续性方程
当把流体的流动看作是连续介质的流动,它必然遵守质量守恒定律。对于一定的控制体,必须满足式(3-22)。它表示在控制体内由于流体密度变化所引起的流体质量随时间的变化率等于单位时间内通过控制体的流体质量的净通量。
首先推导在笛卡儿坐标系中微分形式的连续性方程。
图7-1 微元六面体
设该微元六面体中心点O(x, y, z)上流体质点的速度为、、,
密度为,于是和轴垂直的两个平面上的质量流量如图所示。
在方向上,单位时间通过EFGH面流入的流体质量为:
(a)
单位时间通过ABCD面流出的流体质量:
(b)
则在方向单位时间内通过微元体表面的净通量为(b)-(a),即
(c1)
同理可得和方向单位时间通过微元体表面的净通量分别为:
(c2)
(c3)
因此,单位时间流过微元体控制面的总净通量为:
(c)
微元六面体内由于密度随时间的变化而引起的质量的变化率为:
(d)
将式(c),(d)代入式(7-1),取→0,
则可得到流场中任一点的连续性方程的一般表达式为:
或
(7-1)
(7-1a)
连续性方程表示了单位时间内控制体内流体质量的增量等于流体在控制体表面上的净通量。它适用于理想流体和粘性流体、定常流动和非定常流动。
在定常流动中,由于
(7-2)
(7-3)
或
(7-3a)
对于不可压缩流体( =常数)
在其它正交坐标系中流场中任一点的连续性方程和柱坐标系中的表示式为:
(7-4)
对于不可压缩流体
(7-4a)
式中为极径; 为极角。
球坐标系中的表示式为:
(7-5)
(7-5a)
式中为径矩; 为纬度; 为径度。
【例7-1】已知不可压缩流体运动速度在, 两个轴方向的分量为, 。且在处,有。试求轴方向的速度分量。
【解】对不可压缩流体连续性方程为:
将已知条件代入上式,有
又由已知条件对任何, ,当时, 。故有
第二节流体微团的运动分析
流体与刚体的主要不同在于它具有流动性,极易变形。因此,流体微团在运动过程中不但象刚体那样可以有移动和转动,而且还会发生变形运动。一般情况下,流体微团的运动可以分解为移动,转动和变形运动。
图7-2 流体微团运动速度分量
如图7-2所示,在流场中任取一微元平行六面体,其边长分别为 dx、dy、dz,微元体中心点沿三个坐标轴的速度分量为、、。顶点E的速度分量可按照泰勒级数展开,略去二阶以上无穷小项求得,如图。
为了简化讨论,先分析流体微团的平面运动,如图7-3。该平面经过微元平行六面体的中心点且平行于xoy面。由于流体微团各个点的速度不一样,在dt时间间隔中经过移动、转动和变形运动(包括角变形运动和线变形运动),流体微团的位置和形状都发生了变化。具体分析如下:
图7-3 流体微团的平面运动