流体力学基本知识框架（流体力学概念总结）

表面力：又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体表面上的直接施加的接触力它的大小与作用面积成比例 剪力、拉力、压力，下面我们就来说一说关于流体力学基本知识框架?我们一起去了解并探讨一下这个问题吧!

流体力学基本知识框架

表面力：又称面积力，是毗邻流体或其它物体，作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用面积成比例。 剪力、拉力、压力

质量力：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比。 重力、惯性力

流体的平衡或机械运动取决于：

1.流体本身的物理性质（内因）

2.作用在流体上的力（外因）

流体的主要物理性质：

密度：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3 。

重度：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。

流体的密度、重度均随压力和温度而变化。

流体的流动性：流体具有易流动性，不能维持自身的形状，即流体的形状就是容器的形状。静止流体几乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力，仅能抵抗压力。

流体的粘滞性：即在运动的状态下，流体所产生的阻抗剪切变形的能力。流体的流动性是受粘滞性制约的，流体的粘滞性越强，易流动性就越差。任何一种流体都具有粘滞性。

牛顿通过著名的平板实验，说明了流体的粘滞性，提出了牛顿内摩擦定律。

τ=μ(du/dy)

τ只与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。

动力粘度m：反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2

运动粘度n：ν=μ/ρ

流体静压强具有特性

1.流体静压强既然是一个压应力，它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向，即垂直于作用面，并指向作用面。

2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关，即同一点上各方向的静压强大小均相等。

静力学基本方程: P=Po pgh

等压面：压强相等的空间点构成的面

绝对压强：以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强 Pabs

相对压强：以当地大气压为基准起算的压强 P

P=Pabs—Pa（当地大气压）

真空度：绝对压强不足当地大气压的差值，即相对压强的负值 Pv

Pv=Pa-Pabs= -P

测压管水头：是单位重量液体具有的总势能

基本问题：

1、求流体内某点的压强值：p = p0 γh；

2、求压强差：p – p0 = γh ；

3、求液位高：h = （p - p0）/γ

平面上的净水总压力：潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P，大 小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。

注意：只要平面面积与形心深度不变:

1．面积上的总压力就与平面倾角q无关；

2．压心的位置与受压面倾角q无直接关系，是通过yc表现的；

3．压心总是在形心之下，在受压面 位置为水平放置时，压心 与形心重合。

作用在曲面壁上的总压力— 水平分力

作用于曲面上的静水总压力P的水平分力Px等于作用于该曲 面的在铅直投影面上的的投影（矩形平面）上的静水总压力，方向水平指向受力面，作用线通过面积Az的压强分布图体积的形心。

作用在曲面壁上的总压力— 垂直分力

作用于曲面上的静水总压力P的铅垂分力Pz等于该曲面上的 压力体所包含的液体重，其作用线通过压力体的重心，方向 铅垂指向受力面。

压力体

压力体体积的组成：（1）受压曲面本身；

（2）通过曲面周围边缘所作的铅垂面；

（3）自由液面或自由液面的延伸。

压力体的种类：实压力体和虚压力体。

实压力体Pz方向向下；虚压力体Pz方向向上。

帕斯卡原理：静止不可压缩流体内任意一点的压强变化等值传递到流体内的其他各点；

重力场中静止流体 等压面的特点

（1）静止、同一水平面；

（2）质量力仅有重力；

（3）连通；

（4）连通的介质为同一均质流；

拉格朗日方法：是以流场中每一流体质点作为描述对象的方法，它以流体个别质点随时间的运动为基础，通过综合足够多的质点（即质点系）运动来确定整个流体的流动。----质点系法

欧拉法：是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述对象研究流动的方法——流场法。

流体质点的加速度（流速对时间求导）有两部分组成：

1）时变加速度（当地加速度）——流动过程中流场由于速度随时间变化而引 起的加速度；

2）位变加速度（迁移加速度）——流动过程中流场中速度分布不均，因位置变化而引起的加速度。

流线

流线的定义：是表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线，曲线上任一点的切线方向与该点的流速方向重合。

流线的性质：a、同一时刻的不同流线，不能相交。

b、流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。

c、流线簇的疏密反映了速度的大小

迹线

迹线的定义：是指某一质点在某一时段内的运动轨迹线。

层流与紊流

层流：亦称片流，是指流体质点不互相混杂，流体质点作有条不紊的有序的直线运动。

层流特点（1）有序性。

（2）水头损失与流速的一次方成正比 Hf=kv 。

（3）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。

（4）层流遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。

紊流：是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，流体质点沿很不规则无序的路径运动。

紊流特点：① 无序性、随机性、有旋性、混合性。

② 在圆管流中水头损失与流速的1.75~2次方成正比。Hf=kv 1.75~2

③ 在流速较大（雷诺数较大）时发生。

4 紊流发生是受粘性和紊动共同作用的结果

有压流与无压流

（1）有压流：流体充满整个流动空间，在压力作用下的流动。

（2）无压流：流体具有与大气相接触的自由表面（未充满整个流动空间），在重力作用下的流动。

（3）满流：流体充满整个流动空间。

（4）非满流：流体为充满整个流动空间。

有旋流和无旋流

有旋流：亦称“涡流”。流体质点（微团）在运动中不仅发生平动（或形变），而且绕着自身的瞬时轴线作旋转运动。

无旋流：亦称“势流”、“有势流”。流体在运动中，它的微小单元只有平动或变形，但不发生旋转运动，即流体质点不绕其自身任意轴转动。

恒定流与非恒定流

恒定流：是指流场中的流体流动，空间点上各水力运动要素均不随时间而变化。

严格的恒定流只可能发生在层流，在紊流中，由于流动的无序，其实流速或压强总有脉动，但若取时间平均流速（时均流速）

非恒定流：是指流场中的流体流动，空间点上各水力运动要素均随时间的变化而变化。

在非恒定流情况下，流线的位置随时间而变；流线与迹线不重合。

在恒定流情况下，流线的位置不随时间而变，且与迹线重合。

均匀流与非均匀流

均匀流——迁移加速度为0

均匀流中各过水断面上的流速分布图沿程不变，过水断面是平面，沿程各过水断面的形状和大小都保持一样。

例：等直径直管中的液流或者断面形状和水深不变的长直渠道中的水流都是均匀流。

非均匀流——迁移加速度不等于0的流动

非均匀流中流场中相应点的流速大小或方向或同时二者沿程改变，即沿流程方向速度分布不均。（非均匀流又可分为急变流和渐变流）。

渐变流与急变流

渐变流：沿程逐渐改变的流动。

特征：1）流线之间的夹角很小即流线几乎是平行的），同时流线的曲率半径又很大（即流线几乎是直线），其极限是均匀流；

2）过水断面可看作是平面；

3）渐变流的加速度很小，所以惯性力很小，可以忽略不计，质量力只考虑重力作用。

急变流：沿程急剧改变的流动。

特征：1）流线间夹角很大或曲率半径较小或二者兼而有之，流线是曲线。

2）急变流的加速度较大，因而惯性力不可忽略。

元流的伯努利方程

元流伯努利方程的物理意义与几何意义

z: 是元流过流断面上单位重量流体从某一基准面算起所具有的位能，称单位位能。

p/ρg : 是元流过流断面上单位重量流体所具有的压能，称单位压能。

z p/ρg: 是元流过流断面上单位重量流体从某一基准面算起所具有势能，称单位势能。

u 2/ 2g: 是元流过流断面上单位重量流体所具有的动能（kinetic energy），称单位动能。

（1）物理意义：

1）元流各过流断面上单位重量流体所具有的机械能（位能、压能、动能之和）沿流程保持不变；

2）也表示了元流在不同过流断面上单位重量流体所具有的位能、压能、动能之间可以相互转化的关系。

z 是位置水头；

p/ρg 是压强水头；

z p/ρg 是测压管水头；

u 2/ 2g 是速度水头(velocity head)

（2）几何意义：

1）元流各过流断面上总水头H(位置水头、压强水头、速度水头之和)沿流程保持不变。

2）也表示了元流在不同过流断面上位置水头、压强水头、速度水头之间可以相互转化的关系。

皮托管测流速

常见的皮托管是由装有一半圆球探头的双层套管组成，并在两管末端联接上压差计。

探头端点A处开一小孔与内套管相连，直通压差计的一肢；外套管侧表面沿圆周均匀地开一排与外管壁相垂直的小孔(静压孔)，直通压差计的另一肢。

测速时，将皮托管放置在欲测速度的恒定流中某点A，探头对着来流，使管轴与流体运动的方向相一致。流体的速度接近探头时逐渐减低，流至探头端点处速度为零。

恒定总流的伯努利方程

（1）物理意义

位（置势）能 Z：表示过流断面上单位重量流体所具有的重力势能；

压（力势）能 p/ρg：表示过流断面上单位重量的流体所具有的压力势能；

动能 αv2/2g：表示过流断面上单位重量的流体所具有的平均动能；

（2）几何意义

z： 称为断面位置水头；

p/ρg：称为断面压强水头；

αv2/2g： 称为断面速度水头；

z p/ρg：称为断面测压管水头；

z p/ρg u2/2g=H ：称为断面总水头。

这些量都具有长度的量纲[L]，将这些具有水位高度的量称为水头。

总水头线：沿流管各总水头值的连线，是流管坐标的函数。

水头线：沿流管各测压管水头值的连线，是流管坐标的函数。

水力坡度：单位长度上的水头损失。

测压管水头线坡度：单位长度上测压管水头的降低或升高。

对均匀流动，则总水头线与测压管水头线平行，即J = JP

能量方程（伯努力方程）适用条件

1）恒定流动；

2）流体不可压缩；

3）质量力只有重力作用；

4）两过水断面处为均匀流或渐变流；

5）流量沿程不变；

6）两过水断面间无能量输入输出。

产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。

ｈｗ：单位重量流体的平均能量损失称为水头损失。

沿程阻力和沿程水头损失：

沿程阻力：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流动阻力只有沿程不变的切应力形成的阻力。

沿程水头损失：由沿程阻力作功而引起的水头损失。

沿程水头损失hf：主要由于“摩擦阻力”所引起的，随流程的增加而增加。

局部阻力和局部水头损失

局部阻力：液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化，从而产生的阻力称为局部阻力。

局部水头损失：由局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失。

局部阻力水头损失hj ：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，水流还要重新调整结构以适应新的均匀流条件所造成的。

水头线图的绘制方法：

1、绘制总水头线。总水头线总是沿程下降。在有局部水头损失的地段，有较集中的下降；在有沿程水头损失的地段，则逐渐的下降。在有外加能量的地点，则有一个集中的上升。

2、绘制测压管水头线。测压管水头线比总水头线处处低一个流速水头值。测压管水头线可能沿程下降，也可能会升高。

3、利用已知边界条件作为水头线的起点和终点。

注意：

1、理想流动流体的总水头线为水平线；

2、实际流动流体的总水头线恒为下降曲线；

3、测压管水头线可升、可降、可水平。

4、若是均匀流，则总水头线平行于测压管水头线，即J=JP。

3、流态的判别准则 —— 临界雷诺数Rec

雷诺实验揭示了水流的两种流动状态：层流和紊流;并测定了流动损失及水流速度与流态之间的关系。

（1）临界流速判别：因不同的管径大小、流体种类和流体温度，得到的临界流速不同。

（2）临界雷诺数判别：

临界流速v与过流断面的特性几何尺寸(管径)d、流体的动力粘度μ和密度ρ有关，这四个量可以组成一个特征数(量纲一的量或无量纲数)称雷诺数 Re

雷诺数的物理意义：雷诺数是以宏观特征量表征的流体质点所受惯性力与粘性力之比。

粘性底层：圆管作湍流运动时，靠近管壁处存在着一薄层，该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力可以忽略，速度近似呈线性分布， 这一薄层就称为粘性底层。（随雷诺数增大而减小）

紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。

绝对粗糙度(Δ):粗糙突出管壁的平均高度。

相对粗糙度:管壁的绝对粗糙度Δ与管径ｄ的比值.

尼古拉兹实验

1. 实验目的：研究沿程阻力系数λ与雷诺数Re和管壁相对粗糙度Ks/d之间的关系，揭示λ的变化规律。

第1区——层流区， l=f(Re) 。l=64/Re，沿程损失与流速的一次方程正比。

第2区——层流转变为紊流的过渡区。l=f(Re) ，范围较小，一般按水力光滑区处理。

第3区——水力光滑管区。紊流状态，Re>3000, l=f(Re) ，水头损失与流速的1.75次方成比例。

第4区——由“光滑管区”转向“粗糙管区”的紊流过渡区，l=f(Re, D/d) 。

第5区——水力粗糙管区或阻力平方区。 l=f（D/d），水流处于发展完全的紊流状态，水流阻力与流速的平方成正比，故又称阻力平方区。

当量粗糙度

把直径相同、紊流粗糙区λ值相等的人工粗糙管的粗糙突起高度Ks定义为该管材工业管道的当量粗糙。

附面层（边界层）：粘度小的流体（如水和空气）绕过物体运动时，摩擦阻力主要发生在紧靠物体表面的一个流速梯度很大的流体薄层内，粘性影响起主要作用。

形状阻力：指流体绕曲面体或具有锐缘棱角的物体流动时，附面层要发生分离，从而产生旋涡所造成的阻力。这种阻力与物体形状有关，故称为形状阻力。

卡门涡街

当 Re≈40 时

黏性流体绕过圆柱体，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对旋转方向相反的对称旋涡；

Re ＝ 40－70

对称旋涡位置已不稳定，尾流有周期 性振荡；

Re ≈90 时，

旋涡从柱体后部交替释放出来，形成有规则的交错排列的旋涡组合，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街.

绕流阻力

细长流线型物体，以平板为例，绕流阻力主要由摩擦阻力来决定，阻力系数与雷诺数有关;

钝头曲面物体，以圆柱和圆球为例，绕流阻力既与摩擦阻力有关，又与压差（形状）阻力有关。在低雷诺数时，主要为摩擦阻力，阻力系数与雷诺数有关。在高雷诺数时，主要为压差（形状）阻力。

有压管流：管道中流体在压力差作用下的流动。

有压管道：输送有压液流的管道。

有压恒定管流：当管流的所有运动要素均不随时间变化的管流。

有压非恒定管流：管流的运动要素随时间变化的管流。

孔口出流：在容器壁上开孔，水经孔口流出的水力现象就称为孔口出流。

孔口的分类：根据d/H的比值大小分：大孔口、小孔口

大孔口：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心以上的水头高H的比值大于0.1，即d/H>0.1时，需考虑在孔口射流断面上各点的水头、压强、速度沿孔口高度的变化，这时的孔口称为大孔口。

小孔口：当孔口直径d（或高度e）与孔口形心 以上的水头高度H的比值小于0.1，即d/H<0.1时，可认为孔口射流断面上的各点流速相等， 且各点水头亦相等，这时的孔口称为小孔口。

根据出流条件分：自由出流、淹没出流

自由出流：若经孔口流出的水流直接进入空气中，此时收缩断面的压强可认为是大气压强，即pc = pa ，则该孔口出流称为孔口自由出流。

淹没出流：若经孔口流出的水流不是进入空气，而是流入下游水体中，致使孔口淹没在下游水面之下，这种情况称为淹没出流。

根据孔口壁是否对水流运动有影响分为——薄壁孔口与厚壁孔口

薄壁孔口：当孔口具有锐缘时，孔壁与水流仅在一条周线上接触，即孔口的壁厚对出流并不发生影响，这种孔口称为薄壁孔口。

厚壁孔口：当孔口孔壁与水流接触具有一定长度，即孔口的壁厚对出流有一定影响时，称这种孔口为厚壁孔口。

根据孔口水头变化情况分：恒定出流、非恒定出流

恒定出流：当孔口出流时，水箱中水量如能得到源源不断的补充，从而使孔口的水头不变，此时的出流称为恒定出流。

非恒定出流：当孔口出流时，水箱中水量得不到补充，则孔口的水头不断变化，此时的出流称为非恒定出流。

管嘴出流：在孔口上对接长度为3～4倍孔径的短管，经此短管并在出口断面满流流出的水力现象称为管嘴出流。

按管嘴的形状可分为：

1）流线形外管嘴：无收缩扩大，阻力系数最小。

2）圆柱形外管嘴：先收缩后扩大到整满管。

3）圆锥形收缩管嘴：较大出口流速。如：消防用喷嘴。

4）圆锥形扩张管嘴：较大过流能力，较低出口流速。

管嘴出流的正常工作条件：

1.作用水头Ho小于等于9m。 Ho过大，真空高度过大，空气从管嘴吸入，不能正常出流。

2.管嘴长度l=(3-4)d。 l过短，有空气进入，不能形成真空；l过长，沿程水头损失不能忽略。

在相同水头H0的作用下，同样断面面积的管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。

结论：圆柱形管嘴收缩断面处真空度可达作用水头的0.75倍。这就相当于把管嘴的作用水头增大了75%，这就是为什么相同直径、相同作用水头下的圆柱向外管嘴的流量比孔口大的原因。

短管的水力计算

有压管流与无压流：

有压管流：管道中流体在压强差作用下的流动称为有压管流。

有压管道 ：输送有压液流的管道。

有压恒定管流：当管流的所有运动要素均不随时间变化的管流。

有压非恒定管流：管流的运动要素随时间变化的管流。

无压流：流体在重力作用下发生运动，具有自由表面，也称明渠流；

长管：指管道中以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重小，可以忽略的管道。

短管：沿程水头损失和局部水头损失比例相当，计算时都不可忽略的管道

有压管中的水击

1、水击现象：在管道系统中，当某种外界因素（闸阀急速开启或关闭，水泵的开停机）使管道流速发生变化时，从而引起管道中压强交替升降，压力波在管道中的传播，产生水力冲击的现象。

直接水击：当关闭阀门时间小于或等于一个相长时，最早由阀门处产生的向上传播而后又反射回来的减压顺行波，在阀门全部关闭时还未到达阀门断面，在阀门断面处产生的可能最大水击压强将不受其影响，这种水击称直接水击。

间接水击：当关闭阀门时间大于一个相长时，从上游反射回来的减压波会部分抵消水击增压，使阀门断面处不致达到最大的水击压强，这种水击称为间接水击。

正水击：当管道阀门迅速关闭时，管中流速迅速减小，压强显著增大，这种水击称为正水击。

负水击：当管道阀门迅速开启时，管中流速迅速增大，压强显著减小，这种水击称为负水击。

2、水击产生的因素：水流惯性，水体压缩性，管壁弹性是引起水击现象的力学因素。

3、水击破坏：水击产生的高压会导致输送管道破裂，闸门等管道装置损坏；水泵与电机的损坏；水击引起的低压，产生真空，使薄壁钢管由失稳而扭曲，管中水体汽化发生断流，引起弥合水击

水击危害的预防

1、设置空气室，或安装具有安全阀性质的水击消除阀；

2、设置调压塔：减小水击压强及缩小水击的影响范围；

3、延长阀门关闭时间；（缓闭止回阀）

4、缩短有压管路的长度；（用明渠代替）

5、减小管内流速（如加大管径）。

明渠：是人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。

明渠流：具有露在大气中的自由液面的槽内液体流动称为明渠流（明槽流）或无压流

明渠流动的特点：

1、具有自由液面，p0=0，无压流（满管流则是有压流）。

2、重力是流动的动力，重力流（管流是压力流）

3、渠道的坡度影响水流的流速、水深。

4、边界突然变化时，影响范围大。

明渠的分类

1、按明渠的断面形状和尺寸是否变化分

梯形：常用的断面形状

矩形：用于小型灌溉渠道当中

抛物线形：较少使用

圆形：为水力最优断面，常用于城市的排水系统中

复合式：常用于丰、枯水量悬殊的渠道中

棱柱形渠道：断面形状和尺寸沿程不变的长直 明渠称为棱柱形渠道。h=f(i)

非棱柱形渠道：断面形状和尺寸沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道。 h=f(i,s)

2、按底坡分

底坡i——渠道底部沿程单位长度的降低值。

平坡：i=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。

正坡：i>0，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。

逆坡：i<0，明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。

明渠均匀流的发生条件

1）底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形渠道；

2）渠道必须为顺坡(i>0)；

3）渠道中没有建筑物的局部干扰；

4）明渠中的水流必须是恒定的，沿程无水流的汇入、汇出，即流量不变。

明渠均匀流的特征

1）过水断面的形状和尺寸、断面平均流速、流量和水深沿程不变。

2）总水头线、测压管水头线（水面坡度）和渠底线互相平行

水力最优断面：是指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。

说明：1、具有水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R最大，即湿周X最小的断面能通过最大的流量。

2、i，n，A给定时，湿周P最小的断面是圆形断面，即圆管为水力最优断面。

渠道允许流速

为了防止渠道中发生冲刷淤积，保证渠道稳定的输水能力,设计时应保证：

Vmax>V>Vmin

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