1、 6 流体流动微分方程 基本内容基本内容：l掌握连续性方程及其推导掌握连续性方程及其推导l熟悉熟悉Navier-Stokes方程方程l了解了解Euler方程方程 1第1页，共39页。最大优点最大优点在于对定常流动，当已知控制面上流在于对定常流动，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，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。工程问题的求解带来方便。缺点缺点是不能得到控制体内各处流动的细节，而是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
2、的。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。2第2页，共39页。流体流动微分方程包括流体流动微分方程包括:l连续性方程连续性方程l运动方程运动方程 连续性方程连续性方程是流动流体是流动流体质量守恒质量守恒的数学描的数学描述。述。运动方程运动方程则是流动流体则是流动流体动量守恒动量守恒的数学的数学描述。二者都是基于流场中的点建立的微分描述。二者都是基于流场中的点建立的微分方程。方程。3第3页，共39页。6.1 6.1 连续性方程连续性方程zyxvzdzzvvzz)(vydyyvvyy)(vxdxx)v(vxx 连续性方程反映流动过程遵循质量守恒。现取连续性方程反映
3、流动过程遵循质量守恒。现取微元体如图。微元体如图。4第4页，共39页。dxdyvdxdzvdydzvzyx输出微元体的质量流量为输出微元体的质量流量为：dxdydzzvvdxdzdyyvvdydzdxxvvzzyyxx)()()(可得输入微元体的质量流量可得输入微元体的质量流量：5第5页，共39页。则输出与输入之差为则输出与输入之差为：dxdydzzvyvxvzyx)()()(微元体内质量变化率为微元体内质量变化率为：dxdydzt6第6页，共39页。根据质量守恒原理有根据质量守恒原理有：0)()()(tzvyvxvzyx或或0)(tv该式即为直角坐标系下的该式即为直角坐标系下的连续性方程连续
4、性方程。由于未。由于未作任何假设，该方程适用于层流和湍流、牛顿和作任何假设，该方程适用于层流和湍流、牛顿和非牛顿流体。非牛顿流体。7第7页，共39页。对对不可压缩流体不可压缩流体，=常数，有常数，有/t=0，则连，则连续性方程为续性方程为0v不可压缩流体的连续性方程不仅形式简单，而且不可压缩流体的连续性方程不仅形式简单，而且应用广泛，应用广泛，。8第8页，共39页。在直角坐标系中可表示为在直角坐标系中可表示为0zvyvxvzyx对平面流动对平面流动0yvxvyx(柱坐标和球坐标下的连续性方程自学。柱坐标和球坐标下的连续性方程自学。)9第9页，共39页。例题例题：不可压缩流体的二维平面流动，：不
5、可压缩流体的二维平面流动，y方向方向的速度分量为的速度分量为xyyvy2试求试求x方向的速度分量，假定方向的速度分量，假定x=0时，时，vx=0。10第10页，共39页。解：不可压缩流体的平面运动满足连续性方程解：不可压缩流体的平面运动满足连续性方程0yvxvyx由已知条件得由已知条件得012yxvx积分得积分得)()21(yfxyvxvy=y2-y-x11第11页，共39页。根据边界条件根据边界条件x=0时时vx=0代入上式得代入上式得)(0)21(0yfy故有故有0)(yf所以所以xyxxyvx2)21(12第12页，共39页。例题例题：不可压缩流体的速度分布为：不可压缩流体的速度分布为
6、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。所满足的条件。不计重力影响。13第13页，共39页。解：由连续方程可知解：由连续方程可知0yvxu则有则有0 DA又由于流动无旋，则有又由于流动无旋，则有xvyu则有则有0CBu=Ax+By,v=Cx+Dy,w=014第14页，共39页。练习：练习：有一个三维不可压流场，已知其有一个三维不可压流场，已知其x向和向和y向的分速向的分速度为度为)(322zxyzxyvzyxvyx求其求其z向的分速度的表达式。当向的分速度的表达式。当x=0，z=
7、0时，时，vz=2y。NoImage2y2zv2zzx答案：15第15页，共39页。6.26.2不可压缩粘性流体运动微分方程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。向应力和切向应力如图所示。16第16页，共39页。zyxxx xy xzyy yx yz zyzz zxfxfzfy xy xy+xdx xz xz+xdxxxxx+xdx zy zy+zdz zx zx+zdzzzzz+zdzdzdydx yx yx+ydy yz
8、yz+ydyyyyy+ydy17第17页，共39页。对流体微团应用牛顿第二定律，则沿对流体微团应用牛顿第二定律，则沿x轴方向轴方向的运动微分方程为的运动微分方程为DtDvdxdydzdxdydzzdxdydzdxdyydzdxdydzdxxdydzdxdydzfxzxzxzxyxyxyxxxxxxxx)()()(18第18页，共39页。化简后得化简后得DtDv)zyx(1fxzxyxxxx同理得同理得DtDv)yxz(1fDtDv)xzy(1fzyzxzzzzyxyzyyyy以应力表示的运动方程19第19页，共39页。将切应力和法向应力的关系式将切应力和法向应力的关系式zvpxvzvyvpzv
9、yvxvpxvyvzzzzxzxyyyyzyzxxxyxxy2)(2)(2)(代入上式的第一式并整理得：代入上式的第一式并整理得：20第20页，共39页。)(1)(1)(1222222222222222222zvyvxvzpfDtDvzvyvxvypfDtDvzvyvxvxpfDtDvzzzzzyyyyyxxxxx同同理理得得不可压缩粘性流体的运动微分方程，也叫不可压缩粘性流体的运动微分方程，也叫Navier-Stokes方程，简称方程，简称N-S方程。方程。vvtvDtvD)(21第21页，共39页。法国工程师和物理学家。特别对力学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
10、理论有很大贡献。流体力学中的纳维尔纳维尔.斯斯托克斯（托克斯（Navier-StokesNavier-Stokes）方程）方程就用他和斯托克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斯的名字命名的。他首次建立了可以于工程实际的的弹性理论的数学表达式弹性理论的数学表达式。1819年，纳维尔定义年，纳维尔定义了了应力零线应力零线，并修正了伽利略的错误结果。，并修正了伽利略的错误结果。1826年，他提出年，他提出弹性模量弹性模量概念。纳维尔通常被认为是概念。纳维尔通常被认为是现代结构分析的奠基人现代结构分析的奠基人。纳维尔的最大贡献当然。纳维尔的最大贡献当然还是还是N-S方程，流体力学
11、的基本方程。方程，流体力学的基本方程。22第22页，共39页。N-S方程方程理想流体理想流体=0=0理想流体理想流体欧拉运动欧拉运动微分方程微分方程 定常流动定常流动欧拉平衡欧拉平衡微分方程微分方程23第23页，共39页。莱昂哈德莱昂哈德欧拉欧拉 （Leonhard Euler）17071783 瑞士数学家和物理学家。他被称为历史上最伟大的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一两位数学家之一。欧拉是第一个使用欧拉是第一个使用“函数函数”一词来描述包含各种参数一词来描述包含各种参数的表达式的人，例如：的表达式的人，例如：y=F(x)(函数的定义由莱布尼函数的定义由莱布尼兹在兹
12、在1694年给出年给出)。他是把微积分应用于物理学的先驱。他是把微积分应用于物理学的先驱者之一。者之一。欧拉在微积分、微分方程、几何、数论、变欧拉在微积分、微分方程、几何、数论、变分学等领域均做出了巨大贡献。分学等领域均做出了巨大贡献。24第24页，共39页。vpfvvtv21)(各项意义为：各项意义为：非定常项；非定常项；对流项；对流项；单位质量流体的体积力；单位质量流体的体积力；单位质量流体的压力差；单位质量流体的压力差；扩散项或粘性力项扩散项或粘性力项N-S方程的矢量形式为方程的矢量形式为25第25页，共39页。由于引入了广义牛顿剪切定律，故由于引入了广义牛顿剪切定律，故N-S方方程只适
13、用于牛顿流体程只适用于牛顿流体，处理非牛顿流体问题处理非牛顿流体问题时可用以应力表示的运动方程。时可用以应力表示的运动方程。Navier-StokesNavier-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。26第26页，共39页。6.36.3基本微分方程组的定解条件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
14、，确定积分常数，才能得到具体流动问题的特解。27第27页，共39页。1.1.初始条件初始条件 对非定常流动，要求给定变量初始时刻对非定常流动，要求给定变量初始时刻t=t0的的空间分布空间分布),(),(),(),(0000zyxppzyxvvzyxvvzyxvvzzyyxx显然，对于定显然，对于定常流动，不需常流动，不需要初始条件。要初始条件。28第28页，共39页。2.2.边界条件边界条件 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
15、界条件如下：析中最常遇到的三类边界条件如下：（1）固体壁面）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，流体速度贴壁处，流体速度wvv 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wTT 29第29页，共39页。（2）进口与出口）进口与出口 流动的进口与出口截面上的速度与压强的分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。布通常也是需要知道的，如管流。（3）液体）液体-气体交界面气体交界面 液体液体-气体交界面的边界条件主要有两个：气体交界面
16、的边界条件主要有两个：运动学条件运动学条件，即通过交界面的法向速度应相，即通过交界面的法向速度应相等。等。压强平衡条件压强平衡条件，即液体的压强必须与大气压和，即液体的压强必须与大气压和表面张力相平衡。表面张力相平衡。30第30页，共39页。根据这些初始条件和边界条件，我们可对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。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但实际上，只有极少数的问题可求出理论解，解，通常采用数值解法通常采用数值解法。31第31页，共39页。例题例题：不可压缩粘
17、性流体在距离为：不可压缩粘性流体在距离为b的两个大水平板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间作定常层流流动，假定流体沿流动方向的压强降已知，求已知，求:（1 1）两板固定不动两板固定不动;（2 2）下板固定上板以等速下板固定上板以等速U沿流动方向运动；沿流动方向运动；两板间流体运动的速度分布。两板间流体运动的速度分布。流向流向yxb32第32页，共39页。解：由于流体水平运动，则有解：由于流体水平运动，则有0,0zyxfgff由于流动是一维的，有由于流动是一维的，有vy=vz=0；由于流动是定常的，有由于流动是定常的，有0tvtvtvzyx33第33页，共39页。)(1
18、)(1)(1222222222222222222zvyvxvzpfDtDvzvyvxvypfDtDvzvyvxvxpfDtDvzzzzzyyyyyxxxxxvvtvDtvD)(34第34页，共39页。所以所以N-S方程可简化为方程可简化为)2()1()(12222ypgyvxvxpxvvxxxx由连续方程可得由连续方程可得)3(0 xvx35第35页，共39页。将式将式(3)代入式代入式(1)得得)4(22dyvdxpx思考题：为什么上式右端偏导数改写成全导数？思考题：为什么上式右端偏导数改写成全导数？对上式进行两次积分可得对上式进行两次积分可得)5(21212CyCyxpvx36第36页，共39页。下面根据两种情况下的不同边界条件来确下面根据两种情况下的不同边界条件来确定常数定常数C1，C2。（1）两板固定不动）两板固定不动 这时的边界条件为这时的边界条件为0|,0|0byxyxvv代入式代入式(5)可得可得0221CxpbC37第37页，共39页。于是得速度分布于是得速度分布)(212ybyxpvx(2)上板以匀速上板以匀速U沿沿x方向运动方向运动 这时的边界条件为这时的边界条件为Uvvbyxyx|,0|038第38页，共39页。代入式代入式(5)可得可得0221CxpbbUC于是得速度分布于是得速度分布)(212ybyxpybUvx39第39页，共39页。
