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流体的有旋流动和无旋流动
第四章 流体的有旋流动和无旋流动 在上一章中我们阐述了流体流动的一些基本概念,导出了流体流动的连续性方程、欧拉运动方程、伯努利方程和动量方程等,为解决工程实际问题奠定了一定的理论基础。本章将进一步讨论流体的有旋流动和无旋流动。 第一节 流体微团运动的分析 我们知道,刚体的运动一般可以分解为移动和转动两部分。但流体与刚体不同,流体受力便会发生运动状态的变化,即流体具有流动性,极易变形。因此,流体微团在运动过程中不但会发生移动和转动,而且还会发生变形运动。所以,在一般情况下流体微团的运动可以分解为移动、转动和变形运动三部分。变形运动又分为线变形运动和角变形运动两种情况。下面我们分别讨论这几种运动情况。 一、移动 在流场中取一微元平行六面体的流体微团,各边长分别为dx、dy、dz,形心a处的速度为,沿三个坐标轴的速度分量分别为ux、uy、uz,如图4-1所示。如果微团内各点的速度在坐标轴上的分量也都是ux、uy和uz,那么整个流体微团就只有移动,也就是说流体微团只能从一个位置移动到另一个新的位置,而其形状和大小及方位并不改变。 图4-1 微团移动分析 图4-2 微团旋转运动分析 二、转动 同上在流场中取一微元平行六面体的流体微团,转动前流体微团的各边分别与坐标轴平行,为讨论方便起见,我们先讨论流体微团绕垂直于xoy平面的轴(z轴)转动的情况,如图4-2所示。设O点在x轴和y轴方向的速度分量分别为ux和uy。当A点在y轴方向的分速度不同于O点在y轴方向的分速度及B点在x轴方向的分速度不同于O点在x轴方向的分速度时,流体微团才会发生旋转。A点在y轴方向的分速度和B点在x轴方向的分速度可按泰勒级数展开,并略去高阶无穷小量而得到,它们分别为和,它们相对于O点的对应分速度(相对于O点的线速度)分别为和,所以它们相对于O点的角速度(逆时针方向旋转为正)应为 A点上 B点上 而对于微团中其它各点绕z轴转动的角速度(如C点等)则是由该点y向的分速度在x轴方向的变化量和x向的分速度在y轴方向的变化量共同产生的。因此,我们可以把整个微团绕z轴转动的分角速度用OA与OB在xoy平面内的平均角速度来表示,即 同理,可求得流体微团绕x轴和y轴转动的角速度分量ωx和ωy的三个分量分别为 (4-1) 而 (4-2) 写成向量形式为 (4-3) 式中:为哈米尔顿算子,为速度的旋度,在流体力学中也称为流场的涡量,一般用表示,即。那么涡量在各坐标轴上的分量可表示为 (4-4) 而 (4-5) 当涡量,即ωx=ωy=ωz=0时 因此,用上述类似的分析方法可以得到圆柱坐标系下的流体微团的旋转角速度及涡量的计算公式,即 (4-6) (4-7) (4-8) (4-9) 写成向量式为 (4-6a) (4-8a) 三、线变形运动 线变形运动是指流体微团的形状随时间在变化,而微团的形心位置和方位并不改变的一种变形运动。所以线变形运动又称作体变形运动。对于不可压缩流体来说,流体微团的线变形运动并不改变其体积的大小。 图4-4 微团线变形运动分析 流体微团的线变形速度是用直线距离上单位时间内单位长度的伸长量(或缩短量)来表示的。线变形速度在各个坐标轴上的分量分别用εx、εy、εz表示。如图4-4所示,在流场中任取一流体微团,形心点为O,OA平行于x轴,长度为dx,OB平行于y轴,长度为dy,OC平行于z轴(垂直于纸面),长度为
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