1、实验流体力学实验流体力学陈应华陈应华华中科技大学华中科技大学 土木学院力学系土木学院力学系绪绪 论论第第1章章 流体力学基础流体力学基础第第2章章 实验的基本理论实验的基本理论第第3章章 运动流体中的压差测量运动流体中的压差测量第第4章章 风洞和水槽试验风洞和水槽试验第第5章章 热线风速仪与湍流测量热线风速仪与湍流测量第第6章章 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术第第7章章 粒子图像测速技术粒子图像测速技术第第8章章 流动显示方法流动显示方法实验流体力学实验流体力学 参 考 教 材 1 朱仁庆，扬松林，杨大明，实验流体力学，国防工业出版社，北京，2005。2 戴昌晖，流体流动测量，航空工业出
2、版社，北京，1991。3 徐有恒，穆晟，基础流体实验，复旦大学出 版社，上海，1990。4 周光坰，流体力学上、下册，高等教育出版 社，北京，2003。实验流体力学实验流体力学 绪 论 实验流体力学是和理论流体力学、计算流体力学并列的流体力学三大分支之一，也是实验力学的重要组成部分。可以这样说，一个国家的科学技术水平常常反映在实验室中。因此，实验流体力学的研究情况在一定意义上反映着整个流体力学学科的水平。3.利用模拟技术解决工程实际问题及研究相应的流动规律。4.发展实验仪器和测量方法。2.2.研究各种流动现象的本构关系。1.1.不断研究流体运动中的新现象和探索其规律。一一.实验流体力学的主要任
3、务：.完整地建立了流体静力学理论。.提出了流体与物体运动之间的相对性原理。主要成就：主要成就：1.1.第一时期17世纪中叶以前。二二.实验流体力学发展简史：.定性地研究了管流与某些无压流动。.初步发展了各种流体机械，等等。.发展了基本实验设备、仪器和显示与测量技术。2.2.第二时期17世纪中叶至20世纪初叶。.发现伯努利与达西等定律和湍流与空化等现象。主要成就：主要成就：.研究了在流体中运动的物体（包括圆球、平板、船舶、炮弹、翼型等）所受的力，特别是阻力。.详细和系统地研究了圆管层流流动。.提出了流体的动力相似理论。3.3.第三时期20世纪初叶以后。主要成就：主要成就：.进一步发展了实验设备、
4、仪器和显示与测量技术。.发现更多的流动新现象（比如分离、湍斑、湍塞、相干结构、贝尔德现象等）。.提出边界层概念并开展这方面研究。.研究典型物体（如圆球、圆柱、平板、流线型物体等）的绕流问题和圆管、渠道中的流动。.围绕航空、航天的需要研究翼型、机翼，廻转体与组合体的空气动力特性。.研究流动过渡和湍流现象。.验证理论（如NS方程、边界层概念、边界层动量积分关系式等）。.在实验中大量应用计算技术。第第1 1章章 流体力学基流体力学基础础1-11-1 流体与流体力学流体与流体力学1-21-2 流体的粘性流体的粘性1-31-3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法1-41-4 迹线和流线迹线和流线1-5
5、1-5 伯努利方程伯努利方程1-61-6 伯努利方程应用举例伯努利方程应用举例1-71-7 湍流与复杂流动湍流与复杂流动流体力学基础流体力学基础、等离子态和超固态等离子态和超固态牛顿流体：牛顿流体：油、水、空气等油、水、空气等1-1 流体与流体力学一一.研究对象研究对象物质状态：物质状态：固态、液态、气态固态、液态、气态1.1.实验流体力学实验流体力学 直接解决生产问题，检验和建立理论；直接解决生产问题，检验和建立理论；发现新现象；发现新现象；普适性较差，受到费用和环境限制。普适性较差，受到费用和环境限制。三三.研究方法研究方法二二.发展历史发展历史2.2.理论流体力学理论流体力学 建立简化的
6、数学模型时需要一定的假设，建立简化的数学模型时需要一定的假设，必须证实简化模型的合理性；必须证实简化模型的合理性；由于数学上的困难，能获得解析解的问题由于数学上的困难，能获得解析解的问题 的数量有限。的数量有限。3.3.计算流体力学计算流体力学 计算机性能提高，计算方法改进，作用计算机性能提高，计算方法改进，作用 越来越大；越来越大；数值计算是近似方法，需要用实验和分数值计算是近似方法，需要用实验和分 析的结果验证方法的可靠性；析的结果验证方法的可靠性；数值方法对复杂而又缺乏完善数学模型数值方法对复杂而又缺乏完善数学模型 的问题是无能为力的。的问题是无能为力的。四四.基本原理基本原理质量守恒定
7、律质量守恒定律 能量守恒定律能量守恒定律牛顿运动定律牛顿运动定律热力学定律热力学定律流体在微小剪切力作用下不能保持形状，具有流动性。流体在微小剪切力作用下不能保持形状，具有流动性。固体可以在静止固体可以在静止状态承受切向力状态承受切向力固体摩擦力与流体粘性阻力的不同表现固体摩擦力与流体粘性阻力的不同表现流体以持续变流体以持续变形承受切向力形承受切向力1-2 1-2 流体的粘性流体的粘性 流体粘性形成原因：流体粘性形成原因：（）两层液体之间的粘性力决定于分子内聚力（）两层液体之间的粘性力决定于分子内聚力（）两层气体之间的粘性力（）两层气体之间的粘性力决定于决定于分子动量交换分子动量交换粘附在固壁
8、上的流体质点与固壁一起运动粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动 壁面无滑移假定：壁面无滑移假定：大量实验证实了大量实验证实了壁面无滑移假定壁面无滑移假定温度对流体粘度的影响大，温度对流体粘度的影响大，压强对粘度的影响小压强对粘度的影响小流体的分类流体的分类（1 1）牛顿流体和非牛顿流体）牛顿流体和非牛顿流体（2 2）粘性流体和理想流体）粘性流体和理想流体（3 3）可压缩流体和不可压缩流体）可压缩流体和不可压缩流体(按流体的物理性质按流体的物理性质)1-3 1-3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法一一.流体质点的速度：流体质点的速度：),(),(tzyxtzyxpp第第1章章 流体力学基流体
9、力学基础础 欧拉法中的速度函数是定义在空间点上的，它们欧拉法中的速度函数是定义在空间点上的，它们是空间点坐标（是空间点坐标（x,y,z）的函数。的函数。)t z,y,x,(w )t z,y,x,(v )t z,y,x,(u wvukwjviuV第第1章章 流体力学基流体力学基础础 由速度分布求加速度：由速度分布求加速度：tot01)(limvva上式中用粗体字母表示矢量。上式中用粗体字母表示矢量。kwjviuV 设某个质点，设某个质点，t t 时刻位于（时刻位于（x,y,zx,y,z），），速度为：速度为：),(0tzyxVt+t t+t 时刻位于时刻位于(x+x,y+y,z+z)x+x,y+
10、y,z+z)，速度为：，速度为：),(1ttzzyyxxVV0和和V1的关系为：的关系为：zzVyyVxxVttVVV01 加速度：加速度：而：而：zzyyxxttVVVVVV01注意到：注意到：wtzvtyutxttt000lim,lim,lim因此：因此：zwyvxutVVVVatot01)(limvva若用粗体字母表示矢量，则：若用粗体字母表示矢量，则：dtdzwyvxutVVVVVa加速度的投影值：加速度的投影值：dtduzuwyuvxuutuaxdtdvzvwyvvxvutvaydtdwzwwywvxwutwaz二二.质点加速度和质点导数：质点加速度和质点导数：质点加速度质点加速度
11、质点速度矢量对时间的变化率。质点速度矢量对时间的变化率。VVtVzVwyVvxVutVdtVda)(局部加速度对流加速度 质点的加速度包括两个部分：质点的加速度包括两个部分：（1 1）局部加速度）局部加速度（时变加速度，当地加速度时变加速度，当地加速度）特定特定空间点上速度对时间的变化率；空间点上速度对时间的变化率；（2 2）对流加速度）对流加速度（迁移加速度迁移加速度）对应于质点空间对应于质点空间位置改变所产生的速度变化。位置改变所产生的速度变化。质点导数质点导数 质点物理参数对时间的变化率。质点物理参数对时间的变化率。物理参数的物理参数的质点导数质点导数 =局部导数局部导数 +对流导数对流
12、导数 zwyvxutdtdzwyvxutdtd:例如zpwypvxputpdtdp对流加速度：对流加速度：由于截面面积变化，流体质点的由于截面面积变化，流体质点的速度沿流程变化。速度沿流程变化。举举例例局部加速度：局部加速度：随着流量变化，不同时间经过同一随着流量变化，不同时间经过同一点的流体质点速度不同。点的流体质点速度不同。流量随时间变化的变截面管流动流量随时间变化的变截面管流动1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法三三.流动的分类：流动的分类：.恒定流（定常流动）：恒定流（定常流动）：.非恒定流（非定常流动）：非恒定流（非定常流动）：，等等。或这时：),(),(tzyxpptzyx
13、uu，等等。，特征：00tptwtvtu流场中各点处的所有流动参数均不随时间而变化的流动。流场中各点处的所有流动参数均不随时间而变化的流动。流场中各点的流体质点的所有流动参数中只要有一个随时流场中各点的流体质点的所有流动参数中只要有一个随时间而变化，这样的流动就称为间而变化，这样的流动就称为非非恒定流。恒定流。1.1.恒定流与非恒定流：恒定流与非恒定流：?0?0tptu定常流动和非定常流动举例：空间点上的流动参数是否随时间变化？空间点上的流动参数是否随时间变化？1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法2.2.均匀均匀流、非流、非均匀均匀流、渐变流、急变流：流、渐变流、急变流：.均匀均匀流与
14、非流与非均匀均匀流：流：.渐变流与急变流：渐变流与急变流：3.3.一元一元流动、流动、二元二元流动、流动、三元三元流动：流动：若流体的流动参数是空间三个坐标和时间的函数，这种若流体的流动参数是空间三个坐标和时间的函数，这种流动称为流动称为三元三元流动；若流动参数是两个坐标和时间的函数，流动；若流动参数是两个坐标和时间的函数，这种流动称为这种流动称为二元二元流动；若流动参数是一个坐标和时间的流动；若流动参数是一个坐标和时间的函数，这种流动称为函数，这种流动称为一元一元流动。流动。在给定时刻，流场中各流线都是平行直线的流动称为在给定时刻，流场中各流线都是平行直线的流动称为均匀均匀流；否之，则为非流
15、；否之，则为非均匀均匀流。流。在非在非均匀均匀流中，各流线是接近于平行直线的流动称为渐流中，各流线是接近于平行直线的流动称为渐变流变流（或称缓变（或称缓变流）；否之，则为急变流。流）；否之，则为急变流。喷管内粘性流体流动的速度分布实际流动实际流动 u=u(x,y,z,t)三元流动三元流动流动参数的变化与几个空间坐标有关？流动参数的变化与几个空间坐标有关？1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法喷管内粘性流体流动的速度分布考虑轴对称，考虑轴对称，u=u(r,x,t)二元流动二元流动流动参数的变化与几个空间坐标有关？流动参数的变化与几个空间坐标有关？1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法
16、喷管内粘性流体流动的速度分布考虑平均流速考虑平均流速 V=V(x,t)一元流动一元流动流动参数的变化与几个空间坐标有关？流动参数的变化与几个空间坐标有关？1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法绕无限翼展的二元流动绕无限翼展的二元流动 z x y 1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法绕有限翼展的三元流动绕有限翼展的三元流动 z x y1.3 描述流体运动的方法描述流体运动的方法1-41-4 迹线和流线迹线和流线第第1章章 流体力学基流体力学基础础1.1.迹线、流线与脉线的定义迹线、流线与脉线的定义：迹线：给定流体质点在一段连续时间内的运动轨迹。迹线：给定流体质点在一段连续时间内的运
17、动轨迹。流线：某瞬时流线：某瞬时,如果流场中的某一条曲线上每一点的切如果流场中的某一条曲线上每一点的切线都与该点的流体质点的速度方向相同线都与该点的流体质点的速度方向相同,则称此曲线为该瞬则称此曲线为该瞬时的一条时的一条 流线流线。流线和迹线流线和迹线的区别：的区别：流线和迹线的区别：流线和迹线的区别：t1abcaVbVcVaat1+tt1+2t质点质点a的轨迹的轨迹t=tt=t1 1的流线的流线迹线-流体质点的运动轨迹线。流线 -处处与质点速度矢量相切的空间曲线。2.2.流线的特征：流线的特征：u1 1）.流线上任一点的流体质点的运动方向与该点流线相切。流线上任一点的流体质点的运动方向与该点
18、流线相切。u2 2）.流线一般为光滑曲线流线一般为光滑曲线。u3 3）.流线与流线一般不相交。流线与流线一般不相交。u4 4）.恒定流时流线恒定流时流线、迹线与迹线与脉线脉线重合。重合。3.3.流线微分方程：流线微分方程：设流线微段为：设流线微段为：kdzjdyidxds 脉线（或称染色线）：相继通过流场同一空间点的流体质脉线（或称染色线）：相继通过流场同一空间点的流体质点所连成的曲线。点所连成的曲线。该点的流体速度为：该点的流体速度为：kwjviuV因为因为V/dsV/ds，因此因此,两矢量的分量对应成比例：两矢量的分量对应成比例：wdzvdyudx曲率半径曲率半径微团速度微团速度1-5 1
19、-5 伯努利方程伯努利方程一一.理想流体沿流线的伯努利方程理想流体沿流线的伯努利方程CgVgpz22第第1章章 流体力学基流体力学基础础CgVgpz22沿流线单位重量流体的机械能守恒沿流线单位重量流体的机械能守恒应用条件应用条件理想、理想、沿流线适用沿流线适用重力流体、重力流体、不可压缩、不可压缩、定常、定常、（无旋流动，伯努利方程在全流场适用）（无旋流动，伯努利方程在全流场适用）二二.伯努利方程的物理意义伯努利方程的物理意义第第1章章 流体力学基流体力学基础础 一一.皮托管测量流速皮托管测量流速1-6 1-6 伯努利方程应用举例伯努利方程应用举例ghV2PB 静压静压VPA 总压总压第第1章
20、章 流体力学基流体力学基础础)(22gppzzgVVBABABA皮托管测速原理皮托管测速原理B A（1）用伯努利方程求）用伯努利方程求速度速度与压强的关系与压强的关系pA 总压pB 静压0AVgVgpzgVgpzBBBAAA2222第第1章章 流体力学基流体力学基础础B A)(2gppzzgVBABAB)1(2ghVB z=0ghppzzgBABA)()()(AAgzp 速度修正系数速度修正系数（2）测量静压强差）测量静压强差Bp)(hzgBgh等压面上两点的静压强等压面上两点的静压强代入测速公式代入测速公式第第1章章 流体力学基流体力学基础础二二.皮托管设计原则皮托管设计原则pPuUPt2)
21、(21PuUPt2222高阶项222/1222111/)(2UuUuPPUt1.确定静压孔位置确定静压孔位置2.估计速度脉动影响估计速度脉动影响第第1章章 流体力学基流体力学基础础第第1章章 流体力学基流体力学基础础第第1章章 流体力学基流体力学基础础第第1章章 流体力学基流体力学基础础第第1章章 流体力学基流体力学基础础1-7 1-7 湍流与复杂流动湍流与复杂流动1.1.湍流的特征湍流的特征5.5.物体阻力物体阻力4.4.边界层分离边界层分离3.3.边界层流动边界层流动2.2.湍流速度分布湍流速度分布习习 题题1-1 1-1 画出皮托管结构示意图；画出皮托管结构示意图；1-2 1-2 说明皮托管用途和设计原理说明皮托管用途和设计原理。第第1章章 流体力学基流体力学基础础
