流体运动方程与能量方程-西安建筑科技大学.PPT

* * * * * * * * * * * * * * * * 第一章 流体力学基础——流体运动的微分方程 西安建筑科技大学 粉体工程研究所 * EXIT 质量传递——连续性方程 动量传递——纳维－斯托克斯方程 能量传递——能量方程 状态方程 流体运动微分方程组 所有流体运动传递过程的通解 质量守恒定律 动量定理 能量守恒定律 * 1.3 流体运动的微分方程 EXIT 质量守恒定律——连续性方程 动量定理——纳维-斯托克斯方程 能量守恒定律——能量方程 定解条件 * EXIT 1.3.1 质量守恒定律——连续性方程 质量既不能产生，也不会消失，无论经历什么形式的运动，物质的总质量总是不变的。 质量守恒在易变形的流体中的体现——流动连续性。 18世纪，达朗贝尔推导不可压缩流体微分形式连续性方程 在控制体内不存在源的情况下，对于任意选定的控制体 单组分流体运动过程中质量守恒定律的数学描述： 流入控制体 的质量速率 流出控制体 的质量速率 控制体内的 质量累计速率 = A B * ?时刻A点流体密度为 ，速度 沿x，y，z三坐标轴的分量为 EXIT 1.3.1 质量守恒定律——连续性方程 连续性方程的推导 边长为dx，dy，dz 的控制体微元 单位时间内通过左侧控制面流入微元控制体的质量（即质量流量） x方向 通过右侧控制面流出微元控制体的质量速率 * EXIT A：流入与流出微元控制体的质量速率之差 x方向 y方向 z方向 B：微元控制体内的质量累计速率 ?时刻 密度 质量 ? ＋d ? 时刻 * EXIT 本方程适用于单组分流体的任意流动形态。 散度 * EXIT 1.3.2 动量定理——纳维-斯托克斯方程 对一给定的流体系统，其动量的累积速率等于作用于其上的外力总和 。 雷诺输运定理 系统内物理量的变化率 控制容积内物理量的变化率 物理量通过控制面的净流出速率 C A + = 作用在控制体中流体的合外力 动量通量通过控制面的净变化率 控制体内流体动量 对时间的变化率 = + B * EXIT A:控制体内流体动量对时间的变化率 ?时刻A点流体密度为 ，速度 沿x，y，z三坐标轴的分量为 边长为dx，dy，dz 的控制体微元 ?时刻 ? ＋d ? 时刻 动 量 * EXIT B:动量通量的净变化率 ABCD面， 时间内流入的动量 EFGH面， 时间内流出的动量 时间经此两相对面元的动量净流出量为 同理 * 经全部控制面的恒定流动量通量的净变化率为 微元流体系统的动量变化率为： A+B + 应用连续性方程 * C:作用在控制体中流体的合外力 作用于微元六面体上的力包括质量力和表面力 质量力：设A点单位质量力为 ，则微元上的质量力为 表面力：分别考虑六个面上的应力(图a和b） a. 作用在微元上的应力 b. 作用在微元x方向应力 * 作用于ABCD、AEHD、 AEFB面上的应力分别为 作用于EFGH、BFGC、DHGC面上的应力分别为 * 所有这六个面上的力在x，y，z轴上的投影分别是 作用在微元六面体上的全部表面力 作用在微元六面体上的力 = + * 根据动量定理 约去 ，得 运动方程的微分形式 将式1.54和1.57带入化简可得动量方程 * 或 纳维—斯托克斯（Navier—Stokes）方程 上式中粘性系数为常数 * N-S方程的化简 当流体不可压，且无粘性： 当流体不可压： EXIT 1.3.3 能量守恒定律——能量方程 对于某一控制体中流体所做的功和加给该流体的热量之和与流体的能量增加值相等。 对于任意选定的控制体 流体运动过程中能量守恒定律的数学描述： 流入控制 体的净能 量速率 控制体对环境的做功速率 控制体内的 能量累计速率 A D 环境输入的热量速率 B C ?时刻A点流体密度为 ，速度 ，沿x，y，z三坐标轴的分量为 ，温度为 EXIT 能量方程的推导 对于边长为dx，dy，dz 的控制体微元，采用欧拉法推导 单位质量流体的能量为 ，则单位时间内通过左侧控制面流入微元控制体的能量 A项. 流入控制体净能量速率：x方向 通过右侧控制面流出微元控制体的能量速率 同理可得其它两个方向的方程 x方向 y方向 z方向 流入控制体的净能量速率，A项为 B项.热交换 对于微元控制体，热量交换主要由对流和传导引起，忽略辐射 x方向 y方向 z方向 代傅立叶定