流体力学周光炯第三章答案

第三章 流体动力学基础

????3－1 已知速度场为u?2(x?y)i?(x?y)j?(x?z)k (m/s)，求(2，3，1)点的速度和

加速度。

已已知知：：ux?2(x?y)，uy?x?y，uz?x?z 解解析析：：(1) (2，3，1)点的速度为

ux?2(x?y)?10m/s，uy?x?y??1m/s，uz?x?z?1m/s u?ux?uy?uz?10?(?1)?1?10.10m/s (2) (2，3，1)点的加速度为

222222

ax??ux?u?u?u?uxx?uyx?uzx???x?y?z

?0?2(x?y)?2?(x?y)?2?0?6x?2y?6?2?2?3?18m/2s

ay??uy???ux?uy?x?uy?uy?y?uz?uy?z

?0?2(x?y)?1?(x?y)?(?1)?0?x?3y?2?3?3?11m/2saz??uz?u?u?u?uxz?uyz?uzz???x?y?z

?0?2(x?y)?1?0?(x?z)?(?1)?x?2y?z?2?2?3?1?9m/2s a?222ax?ay?az?182?112?92?22.93m/s2

????23－2 已知速度场为

第三章 流体动力学基础

????3－1 已知速度场为u?2(x?y)i?(x?y)j?(x?z)k (m/s)，求(2，3，1)点的速度和

加速度。

已已知知：：ux?2(x?y)，uy?x?y，uz?x?z 解解析析：：(1) (2，3，1)点的速度为

ux?2(x?y)?10m/s，uy?x?y??1m/s，uz?x?z?1m/s u?ux?uy?uz?10?(?1)?1?10.10m/s (2) (2，3，1)点的加速度为

222222

ax??ux?u?u?u?uxx?uyx?uzx???x?y?z

?0?2(x?y)?2?(x?y)?2?0?6x?2y?6?2?2?3?18m/2s

ay??uy???ux?uy?x?uy?uy?y?uz?uy?z

?0?2(x?y)?1?(x?y)?(?1)?0?x?3y?2?3?3?11m/2saz??uz?u?u?u?uxz?uyz?uzz???x?y?z

?0?2(x?y)?1?0?(x?z)?(?1)?x?2y?z?2?2?3?1?9m/2s a?222ax?ay?az?182?112?92?22.93m/s2

????23－2 已知速度场为

Chapter 3 流体运动的基本方程组

本章任务：建立控制流动的基本方程组，确定边界条件。

§3.1系统和控制体

系统（sys）指给定流体质点组成的流体团，相当于质点或刚体力学中的研究对象——物体；系统在流动过程中可以不断改变自己的位置和形状，但维持其连续性，始终由固定的那些流体质点组成。系统与外界可以有力的相互作用，可以有动量和能量交换，但是没有物质交换。

控制体（CV）指流动空间内的一个给定空间区域（子空间），其边界面称为控制面（CS）。控制体一旦选定，其大小、形状和位置都是确定的，有流体不断出入。 物质体元即流体微团。

物质面元可以看成由连续分布的流体质点（看成是没有体积的几何点）构成的面元，物质面元在流动过程中可以变形，但始终由这些流体质点组成。

物质线元可以看成连续分布的流体质点（看成是没有体积的几何点）构成的线元，或者说是连续分布的流体质点的连线线元，物质线元在流动过程中可以变形，但始终由这些流体质点组成。时间线就是物质线。（三者如同面团、薄饼和面条） §3.2雷诺输运定理

设f?r,t?代表流动的某物理量场（可以是密度场、温度场、动量密度分量场、能量密度场等），t时刻某流体团（即系统）占据空间?，取该空间为控制体。t时刻该流

第三章流体动力学基本方程的数学解

3.1平行直线流——精确解流线呈平行直线的流动，称为平行直线流。其特点是流场各点的流速方向是平行的。如果将流动方向作某一个坐标(如x)的方向(可称该坐标为流向坐标),则基本方程会展现为十分简洁的形式，为数学解提拱了很好的条件。

3.1.1平行平板间的定常层流流动设粘度为μ的液体在两平行平板间作定常的定向流动,平板与海平面呈α倾角,平板宽度b与板间距 h之间满足h/b《1。选流向坐标为x轴,按右手系分别选定y,z轴如图3.1所示。在该坐标系下, v u( x, z )i速度矢量质量力矢量 f g sin i g cos kZ L

X

压强

p p( x, z )

h

流体动力学基本方程具体化为: C.E M.E u 0 x

2u 1 p 0 g sin z 2 x0 g cos 1 p z2

(3.1)

在式(3.1)中,非线性的对流项全部消失,使求解动量 u方程的数学难度大为降低。事实上,因 只是z函数， z p u c, p c,即分别为常数。只是 x函数，必有 x z x2 2 2 12

记可积分得到

p p x L

du 1 p ( g sin ) z c1 dz

流体力学标准化作业（三）

——流体动力学

本次作业知识点总结

1.描述流体运动的两种方法 （1）拉格朗日法；（2）欧拉法。 2.流体流动的加速度、质点导数

流场的速度分布与空间坐标(x,y,z)和时间t有关，即

u?u(x,y,z,t)

流体质点的加速度等于速度对时间的变化率，即

a?投影式为

Du?u?udx?udy?udz????Dt?t?xdt?ydt?zdt

?ux?ux?ux?ux?a??u?u?uxyz?x?t?x?y?z??uy?uy?uy?uy? a??u?u?u?yxyz?t?x?y?z???uz?uz?uz?uza??u?u?u?zxyz?t?x?y?z?du?u或 a???(u??)u

dt?tdu?u在欧拉法中质点的加速度由两部分组成， 为固定空间点，由时间变化

dt?t引起的加速度，称为当地加速度或时变加速度，由流场的不恒定性引起。(u??)u为同一时刻，由流场的空间位置变化引起的加速度，称为迁移加速度或位变加速度，由流场的不均匀性引起。

欧拉法描述流体运动，质点的物理量不论矢量还是标量，

流体力学第三章作业

3.1一直流场的速度分布为：

U=(4x2+2y+xy)i+(3x-y3+z)j

(1) 求点（2,2,3）的加速度。 (2) 是几维流动？

(3) 是稳定流动还是非稳定流动？ 解：依题意可知，

Vx=4x2+2y+xy ,Vy=3x-y3+z ,Vz=0

?ax=

?V?V?V?Vx+ vxx+vyx+vzx ?t?X?Y?Z=0+(4x2+2y+xy)(8x+y)+(3x-y3+z)(2+x)

=32x3+16xy+8x2y+4x2y+2y2+x y2+6x-2 y3+2z+3 x2-x y3+xz 同理可求得，

ay=12 x2+6y+3xy-9x y2+3 y5-3 y2z az=0

代入数据得， ax= 436,ay=60, az=0

?a=436i+60j

(2)z轴方向无分量，所以该速度为二维流动

(3)速度，加速度都与时间变化无关，所以是稳定流动。

3.2 已知流场的速度分布为：

??x2yi?3yj?2z2k

（1）求点（3，1，2）的加速度。

（2）是几维流动？

解：（1）由

ax??ux?t?u?uxx?x?u?uxy?y?u?uxz?z

ay?az??uy?t?uz?t?ux?u?u

第三章 流体静力学

【3-2】 图3-35所示为一直煤气管，为求管中静止煤气的密度，在高度差H=20m的两个截面装U形管测压计，内装水。已知管外空气的密度ρa=1.28kg/m3，测压计读数h1=100mm，h2=115mm。与水相比，U形管中气柱的影响可以忽略。求管内煤气的密度。

图3-35 习题3-2示意图

【解】 p1ga? p2gas??HOgh2?p2air s?HOgh1?p1a ir22?p2ai rp1gas??gasgH?p2gas p1ai?r?aigHr?HOgh1?p1air??gasgH?p2gas

2p2gas?p1air??H2Ogh2??airgH

?HOgh1??gasgH??HOgh2??airgH

22?HOh1??HOh2??airH??gasH

22?gas??Hh1?h20.1?0.115???1000??1.28?0.53kg/m3 air2OH20??【3-10】 试按复式水银测压计（图3-43）的读数算出锅炉中水面上蒸汽的绝对压强p。已知：H=3m，h1=1.4m，h2=2.5m，h3=1.2m，h4=2.3m，水银的密度ρHg=13600kg/m3。

450535825

第一章 流体力学基本概念

1、设流体运动以欧拉法给出 ux?ax?t2, uy?by?t2, uz?0 ?a?b?0? 将此转换到拉格朗日观点中去，并用两种观点分别求加速度。 2、对下列流动求其流线和迹线。

?????（1） u?C1cos?t?C2sin?t C1,C2是常矢量，?是常数。

（2）ux??cycx, u?, uz?0 。 yx2?y2x2?y2?a2??a2?（3）ur?V???1?r2??cos?, u???V???1?r2??sin?, uz?0 ，V∞、a是常数。并证

????明r = a是一条流线。

（4）已知 ux?x?t, uy?y?t, uz?0，t = 0时（x, y）=（a, b），求用拉格朗日变数表示的速度分布。

3、已知流场为ux?yzt, uy?zxt, uz?0，问当t = 10时质点在（2,4,3）处的加速度是多少？

4、根据以下拉格朗日法描述的流动，判断是否恒定流？是否有旋流？流体是否可压缩？ （1）x?ae?2t/k, y?bet/k, z?cet/k ;

（2）x?ae?2t/k, y?b?1?t/

力学基础 第三章 刚体力学

第三章 刚体力学

§ 3—1 刚体的定轴转动

在上述两章中，我们介绍了质点运动的一些重要规律，现在简单地介绍具有一定形状和大小的物体的运动规律．当研究物体的运动不能忽略物体的大小和形状时，质点模型就不适用了。这时，可以把物体看作是由若干质点组成的质点系。当这种质点系受到外力的作用时，有的形状和大小随着运动状态的改变而作明显的改变（例如流体和弹性体），有的形状和大小实际上只有微小的变化，例如大多数固体。当固体在运动中其形状和大小的相对改变可以作为次要因素忽略不计时，可以把固体看作是由若干彼此维持固定距离的质点组成，这种理想模型就是刚体．刚体无论在多大的外力作用下，其形状和大小都保持不变，或者说，刚体在任何情况下，刚体内任意两个质点之间的距离保持不变．例如研究地球的自转或飞轮的转动时，我们即可把地球、飞轮看成刚体．刚体也是常用的力学模型．

刚体的最简单的运动是平动和转动．当刚体运动时，如果刚体内任何一条给定的直线，在运动中始终保持它的方向不变，这种运动称为平动（图3—1a）．例如升降机的运动，汽缸

只有部分

2-1 已知某种物质的密度

w 1000kg/m

3

2.94g/cm

3

,

4C

o

时水的密度为

， 试求它的相对密度。

3

33

解:

d

w

2.94 10kg/m1000kg/m

2.94

2-2已知某厂1号炉水平烟道中烟气组分的百分数αco2=13.5%, αso2=0.3%,αo2=5.2%,α（

2

N2

=76%,α

2

H2O

=5%。试求烟气的密度。

3

SO 2.927kg/m

2

3

，

CO 1.976kg/m

3

，

O 1.429kg/m

2

3

，

N 1.251kg/m， H

3

2O

0.804kg/m

）

解: 混合气体的密度

a

ii

i 1

n

0.135 1.976 0.003 2.927 0.052 1.129 0.76 1.251 0.05 0.804=1.341kg/m

3

2-11借恩氏粘度计测得石油的粘度8.5ºE，如石油的密度ρ=850 kg/m3，求石油的动力粘度ºE。（）

解：待测液体在给定温度下的运动粘度与测得的恩氏度的关系：

0.0731E 0.0631/E, cm/s

o

o

2

0.0731 8.5 0.0631/8.5 0.6139

cm

2

/S

0.6139 10

4

850 0.05218

Pa