流體力學復習提綱本課件旨在幫助您復習流體力學的基本概念和理論。1.流體力學概述研究流體流體力學研究流體（液體和氣體）的靜止和運動狀態，以及流體與物體相互作用的力學規律。廣泛應用流體力學在航空航天、機械工程、土木工程、環境工程等多個領域有著廣泛的應用。基本原理流體力學主要研究三大基本原理：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。1.1流體的定義和性質流體的定義流體是指能夠流動、變形并能承受剪切力的物質。流體包括液體和氣體。流體的性質密度粘度表面張力壓縮性流體的運動流體運動可以是層流或湍流，這取決于流體的速度、粘度和流動路徑的幾何形狀。1.2流體力學的基本原理質量守恒定律流體在運動過程中，其質量保持不變，這體現了流體的質量守恒性。動量守恒定律流體系統在運動過程中，動量保持不變，動量定律描述了流體運動的趨勢和變化。能量守恒定律能量守恒定律表明，流體系統能量的總量保持不變，能量可以轉化形式，但總量不變。牛頓粘性定律流體的粘性是指流體抵抗變形的能力，牛頓粘性定律描述了粘性流體的應力與變形速率的關系。2.流體靜力學流體靜力學研究靜止流體的平衡狀態及其規律。主要內容包括靜止流體壓力、浮力等。2.1靜止流體的壓力11.壓力定義靜止流體內部各點由于分子間作用力而產生的力稱為壓力。22.壓力單位壓力的國際單位是帕斯卡(Pa)，1Pa=1N/m2。33.壓力測量壓力測量儀器，例如壓力計，用于測量靜止流體的壓力。44.壓力特點靜止流體中，壓力的大小與深度成正比，與流體的密度有關。2.2裝置內的壓力分布靜止流體中的壓力靜止流體內部各個方向上的壓力相等，稱為靜壓。靜壓的大小與流體深度成正比，即越深，壓力越大。壓力分布規律靜止流體中，壓力沿深度方向線性增加，而在同一深度處，壓力分布均勻。2.3浮力和浮力定律浮力浮力是指浸沒在流體中的物體所受到的向上托力。阿基米德原理物體所受的浮力等于它排開流體的重量。浮力定律物體浮沉條件：浮力大于重力，物體上浮；浮力等于重力，物體懸浮；浮力小于重力，物體下沉。3.流體運動學流體運動學主要研究流體的運動規律，而不考慮引起運動的原因。內容包括流體運動的描述、流體運動的幾何特征、流體運動的動力學特性等。3.1流線和流管1流線在流場中，與流體質點運動方向始終相切的曲線稱為流線。2流管由無數條流線組成的管狀區域稱為流管。3流線特點流線不會相交，流管內流體的質量守恒。4應用流線和流管概念有助于理解流體運動規律，例如，它們可以用來分析流體在管道中的流動。3.2流體速度場流體速度場定義流體速度場描述了流體中每個點的速度。矢量場流體速度場是一個矢量場，它具有大小和方向。變化與時間流體速度場可以隨時間變化，取決于流體運動。3.3流體流量和流速流量流量是指流體在單位時間內通過某一截面的體積，常用Q表示。流量是描述流體運動的重要參數之一。流量的單位是立方米每秒（m3/s）或升每秒（L/s）。流速流速是指流體在某一點上的速度，常用v表示。流速是描述流體運動速度的重要參數之一。流速的單位是米每秒（m/s）。流體動力學流體動力學是流體力學的重要分支，研究流體的運動規律及其與周圍環境的相互作用。流體動力學應用廣泛，例如飛機設計、水力發電、管道輸送等。4.1伯努利方程能量守恒伯努利方程是流體力學中的重要方程，它描述了理想流體在流動過程中的能量守恒。壓力能方程包含三個主要能量項：壓力能、動能和勢能，它們相互轉換，但總能量保持不變。應用范圍伯努利方程可用于分析各種流體流動問題，例如管道流動、機翼升力、噴嘴和擴散器的設計。4.2動量定理和動量方程動量定理流體系統動量變化率等于作用于該系統外力的合力。動量方程動量定理的微分形式，用于分析流體流動中的動量變化。應用計算流體對物體的作用力分析流體流動中的能量損失設計高效的流體機械4.3能量方程能量守恒能量方程描述流體運動中能量守恒原理。應用案例水力發電站利用水流的勢能轉化為動能，再轉化為電能，體現了能量方程的實際應用。管道流動管道流動是流體力學中一個重要的研究領域，在工程實際應用中十分普遍。管道流動是指流體在管道內流動，其流動方式和特性受管道形狀、尺寸、流體性質以及流動條件等因素的影響。5.1管道阻力損失1摩擦阻力流體與管道壁面摩擦導致的能量損失。2局部阻力流體通過管道局部變化，例如彎頭、閥門等造成的能量損失。3阻力損失計算通過公式計算管道阻力損失，常用的公式有達西-魏斯巴赫公式和謝齊公式。5.2管網分析管網的組成管網由管道、閥門、泵等組成，用于輸送液體或氣體。管網可以是單一的管道系統，也可以是復雜的網絡系統。管網分析方法常用的管網分析方法包括節點分析法、回路分析法、特征線法等。這些方法可以用于計算管網中的流量、壓力、流速等參數。管網分析的應用管網分析可以用于設計和優化管網系統，以提高輸送效率，降低能耗。管網分析還可以用于故障診斷和安全評估。6.邊界層理論邊界層是指流體流過物體表面附近的一層薄薄的流體層。在邊界層內，流體速度從物體表面上的零速度逐漸增加到遠離物體表面的自由流速度。6.1邊界層的概念粘性流體粘性流體在流動時，流體層之間會產生摩擦力。這種摩擦力會導致流體速度在靠近固體表面的地方減小。邊界層形成當流體經過固體表面時，靠近表面的流體速度會減小，形成一個薄薄的層，稱為邊界層。粘性影響邊界層內的流體受到粘性的顯著影響，流速梯度很大。流動特性邊界層內流動特性復雜，需要進行特殊分析和研究。6.2邊界層的性質粘性層邊界層是靠近固體表面的流體層。流體運動受到固體表面的摩擦力影響。速度梯度邊界層內流體速度發生變化。速度梯度是邊界層的重要特征。厚度變化邊界層厚度會隨著流體性質和流動條件而變化。邊界層厚度會影響流體的阻力。7.湍流理論湍流是流體運動的一種復雜形式，廣泛存在于自然界和工程應用中。湍流的特點是流體運動的隨機性和不規則性，以及能量耗散和混合增強。7.1湍流的特點無序運動湍流中，流體質點運動方向和速度隨機變化，流動狀態難以預測。高能量耗散湍流由于流體質點間劇烈摩擦，能量耗散率比層流高，形成紊亂流動狀態。混合增強湍流的劇烈運動，促使流體質點間充分混合，有利于物質傳遞和熱量交換。廣泛存在自然界中，河流、海洋、大氣等大部分流動都屬于湍流，對工程應用影響重大。7.2湍流模型雷諾應力模型利用雷諾應力的統計平均值建立模型，描述湍流流動中脈動速度的影響。k-ε模型基于湍動能和湍動能耗散率兩個變量，模擬湍流流動的動力學過程。大渦模擬直接模擬大尺度渦旋，小尺度渦旋通過模型參數化處理，對湍流流動進行數值模擬。8.流體機械流體機械是利用流體能量進行能量轉換或傳遞的設備。主要包括泵、風機、壓縮機、水輪機等，它們在工業生產、農業灌溉、交通運輸等方面具有廣泛的應用。8.1基本類型和工作原理水力渦輪機水力渦輪機將水流的動能和勢能轉化為機械能，廣泛應用于水力發電站。風力渦輪機風力渦輪機利用風能驅動葉片旋轉，將風能轉化為機械能，進而用于發電。汽輪機汽輪機利用高溫高壓蒸汽推動葉片旋轉，將熱能轉化為機械能，主要應用于火力發電站。燃氣輪機燃氣輪機利用燃燒燃料產生的高溫高壓燃氣推動葉片旋轉，將化學能轉化為機械能，應用于發電、航空等領域。8.2性能參數和特性曲線11.效率效率是指流體機械輸出功率與輸入功率之比。效率越高，表示能量利用率越高。22.揚程揚程是流體機械克服重力或其他阻力將流體提升的高度。揚程越高，表示流體機械的輸送能力越強。33.流量流量是指流體機械在單位時間內輸送的流體體積。流量越大，表示流體機械的輸送能力越強。44.功率功率是指流體機械單位時間內所做的功。功率越大，表示流體機械的輸送能力越強。9.流體測量技術流體測量技術是流體力學研究的重要組成部分，用于測量流體的各種物理量。流體測量技術在工業生產、科學研究、環境監測等領域具有廣泛的應用。9.1基本流量測量方法流量計流量計是測量流體流量的儀器，根據測量原理可分為多種類型。渦街流量計渦街流量計利用流體流過障礙物時產生的渦街頻率來測量流量。電磁流量計電磁流量計利用法拉第電磁感應定律測量導電流體流量。超聲波流量計超聲波流量計利用聲波在流體中的傳播時間變化來測量流量。9.2流速測量技術11.壓力差法利用流體流動產生的壓力差來測量流速，例如文丘里管和皮托管。22.熱線風速儀通過測量熱線傳感器在流體