高等流体力学复习题与答案

《高等流体力学》复习题一、基本概念1．什么是流体，什么是流体质点？答：在任何微小剪切应力作用下，都会发生连续不断变形的物质称为流体。宏观无限小，微观无限大，由大量流体分子组成，能够反映流体运动状态的集合称为流体质点。2.什么事连续介质模型？在流体力学中为什么要建立连续介质这一理论模型？答：认为流体的每一点都被确定的流体质点所占据，其中并无间隙，于是流体的任一参数（密度、压力、速度等）都可表示为空间坐标和时间的连续函数(,,,)xyzt，而且是连续可微函数，这就是流体连续介质假说，即流体连续介质模型。建立“连续介质”模型，是对流体物质结构的简化，使在分析流体问题得到两大方便：第一、可以不考虑流体复杂的微观粒子运动，只考虑在外力作用下的微观运动；第二、能用数学分析的连续函数工具。3．给出流体压缩性系数和膨胀性系数的定义及表达式。答：压缩性系数：单位体积的相对减小所需的压强增值。(/)/dd膨胀性系数：在一定压强下，单位温度升高所引起的液体体积的相对增加值。(/)(/)/vadVVdTddT4．什么是理想流体，正压流体，不可压缩流体？答：当流体物质的粘度较小，同时其部运动的相对速度也不大，所产生的粘性应力比起其它类型的力来说可以忽略不计时，可把流体近似地看为是无粘性的，这样无粘性的流体称为理想流体。部任一点的压力只是密度的函数的流体，称为正压流体。流体的体积或密度的相对变化量很小时，一般可以看成是不可压缩的，这种流体就被称为不可压缩流体。5．什么是定常场；均匀场；并用数学形式表达。答：如果一个场不随时间的变化而变化，则这个场就被称为定常场。其数学表达式为：)(r如果一个场不随空间的变化而变化，即场中不显含空间坐标变量r，则这个场就被称为均匀场。其数学表达式为：)(t6．分别用数学表达式给出拉格朗日法和欧拉法的流体加速度表达式。答：拉格朗日法：xxuatyyuatzzuat（点）欧拉法：()duuauudtt（场）7:理想流体运动时有无切应力？粘性流体静止时有无切应力？静止时无切应力是否无年限？为什么？答：理想流体运动时无切应力;粘性流体静止时无切应力。但是，静止时无切应力，而有粘性，因为粘性是流体的固有特性。8流体有势运动指的是什么？什么是速度势函数？无旋运动与有势运动有何关系？[答]：如果流体运动是无旋的，则称此流体运动为有势运动。对于无旋流动来说，其速度场总可以由某个速度标量函数（场）的速度梯度来表示，即，则这个标量函数（场）称为速度场的速度势函数。无旋运动与有势运动的关系：势流运动与无旋运动是等价的，即有势运动是无旋的，无旋运动的速度场等同于某个势函数的梯度场。9:什么是流函数？存在流函数的流体具有哪些条件（性质）？答：1:由平面不可压缩流体的连续性知：即=0，即+=0,我们设法找出这样一个可微的标量函数（x，y，t），使得=，Uy=-.这时我们称标量函数（x，y，t）为不可压缩流动(Uy)的流函数。2：流函数的性质：①流函数加减一个常数C，所描述的流动相同②流函数的等值线=c是流线，即是说其切线与其流动方向一致，事实上，在=c上有ddx+dy=-Uydx+Uxdy=0于是有=，可见，等值线的切线方向与速度方向一致，即为流线③在平面上，任意2点M和M0间任意连线上的速度通量仅与流函数在这2点值的差有关，即Q=Uydx+Uxdy)=dx+dy)==④：在单连通域上的不可压缩流体过其上任意封闭曲线L上的通量为零，并且相应的流函数在其上单值；过任意2点间连线上的速度通量与这2点的连线的路径无关；而在多连通域上，过任意封闭曲线的速度通量则科恩那个不为零，流函数也可能是多值的。10：半面流动中用复变位势描述的流体具有哪些条件（性质）？答：复位势W（z）相差一个常数C，所描述的平面流动不变。复位势W（z）的等值线族W（z）=C为等势线族=c和等流线族=c。它们在复平面上组成相互正交的曲线网。共轭附属度=在复平面上的沿Zo到Z这2点间任意曲线上的复积分为Γ+iQ的实部为Z0到Z这2点间曲线上的速度环量，虚部为Z0到Z这两点间曲线上的速度通量或流量。在单连通域上复位势w（z）是单值的，在复连通域上w（z）可能多值。对于不可压缩流体的平面无旋运动，其势函数和流函数都应该满足Laplace方程，即=0，=0.11:什么是第一粘性系数和第二粘性系数？在什么条件下可以不考虑第二粘性系数？Stokes假设的基本事实依据是什么？[答]：第一粘性系数μ：反映了剪切变形对应力量的贡献，因此称为剪切变形粘性系数；第二粘性系数μ’：反映了体变形对应力量的贡献，因而称为体变形粘性系数。对于不可压缩流体，可不考虑第二粘性系数。Stokes假设的基本事实依据：平均法向正应力就是压力函数的负值，即体变形粘性系数。12作用在流体微团上的力分为哪两种？表面应力τij的两个下标分别表示？τij的正负如何规定？答：作用在流体微团上的力分为体力和面力。τij两下标：第一个字母表示应力所在面的外法线方向，第二个字母表示应力分量的方向。τij正负：应力分量在作用面法线方向的分量称为正应力。13从分子运动学观点看流体与固体比较有什么不同？答：⑴若物质分子的平均动能远小于其结合能，即：1/2mv2＜＜ΔE，这时物质分子间所形成的对偶结构十分稳定，分子间的运动被严格地限定在很小的围，物质的分子只能在自己的平衡位置周围运动。这时物质表现为固态。⑵若物质分子的平均动能远大于其结合能，即：1/2mv2＞＞ΔE，物质分子间几乎不能形成任何对偶结构，这时候，物质表现为气态。⑶若物质分子的平均动能与其结合能大致相等，即：1/2mv2≈ΔE，其分子间的对偶结构不断的遭到破坏，又不断地形成新的对偶结构。这时，物质分子间不能形成固定的稳定的对偶结构，而表现出没有固定明确形状的也液态。14试述流体运动的Helmhottz速度分解定律并给出其表达式。答：流体微团一点的速度可分解为平均速度分量与转动运动分量和变形运动分量之和，这称为流体微团的Helmhottz速度分解定律。表达式：rr0δδωSVV15流体微团有哪些运动形式？它们的数学表达式是什么？答：rr0δδωSVV。⑴平均运动：0VV⑵转动运动：rδω；V0r21ω⑶变形运动：rS16什么是随体导数（加速度）、局部导数（加速度）及位变导数（加速度）？答：随机导数：流体质点在其运动过程中的加速度所对应的微商。局部导数：流体位置不变时的加速度所对应的微商。位变导数：质点位移所造成的加速度所对应的微商。17什么是流体的速度梯度量？试述其对称和反对称量的物理意义。答：⑴对流体微团M，其中0r处的速度为0V，那么r处的速度可以表示为j0xδjxVVV或者jjiiixxuUUδ0即)(0VrVVδ，这里，Vxuji为二阶量，它是速度的梯度，因此，称之为速度梯度量。⑵速度梯度量可以分解为对称和反对称部分，即SAxuVjinnpmmp反对称量的物理意义：A表征流体微团旋转运动，所对应的矢量ω为流体微团的角速度矢量。A=021212102121210zvyzuxzvyyuxvzuxyuxvωωωω=000121323ωωωωωω=εijkωkvtreeezyx032121ωωωω对称量的物理意义：S表征了流体微团的变形运动，其中，对角线上的元素（ε1ε2ε3）表示了流体微团在3个坐标轴上的体变形分量，而三角元素（21θ1，21θ2，21θ3）表示了流体单元微团在3个坐标平面上的角变形分量的一半。S=zzvyzuxzvyyvyuxvzuxyuxvxuωωωωω212121212121=312123231212121212121εθθθεθθθε18.某平面上的应力与应力量有什么关系？nmmnpp的物理含义是什么？[答]：教材P71应力np与应力量P的关系：Pnpnpijn，即：空间某点处任意平面上的应力等于这点处的应力量与该平面法向单位矢量的左向积。nmmnpp的物理意义：ijijjjiijijinnmnpmmpnmpnmpmPnp)(mnmpnpnPm)(应力量的对称性，使得在以n为法线的平面上的应力np在m方向上的投影等于（=）在以m为法线的平面上的应力mp在n方向上的投影。19.什么是广义的牛顿流体和非牛顿流体？[答]：教材P86-87牛顿摩擦定律：流体微团的运动变形的的大小与其上所受的应力存在线性关系。遵从或近似遵从牛顿摩擦定律的一类流体称为牛顿流体。不遵从牛顿摩擦定律的流体称为非牛顿流体。广义牛顿摩擦定律：偏应力量的各分量与速度梯度量的各分量间存在线性关系。遵从或近似遵从广义牛顿摩擦定律的一类流体称为广义牛顿流体。20.粘性流动和理想流动的壁面边界条件有何不同？[答]：粘性流动壁面边界条件Ｖｎ＝０，Ｖτ≠０理想流动壁面边界条件Ｖｎ＝０，Ｖτ＝０21.在理想有势的流动假设条件下，绕流物体产生的升力主要受那些因素的影响，有何规律？[答]：教材P141影响升力的主要因素：环量Γ,来流速度V∞，密度ρ。Ry=ρV∞Γ升力的大小准确地与环量Γ成正比，与来流速度V∞及密度ρ成正比，其方向为在来流速度方向上按逆环量方向旋转900。22．什么是层流运动、湍流运动、雷诺数和临界雷诺数？[答]：层流流动是平稳有规律的流动状态，流体介质各部分之间分层流动，互不掺混，流体部的微团具有连续而平滑的迹线，流场中各种有关物理量（参数）的变化较为缓慢，表现出明显的连续性和平稳性。湍流流动是极不规则的流动形态，流体介质各部分之间，各层之间有着剧烈的掺混，其流体部微团的运动迹线很不规则，杂乱无章，表征流体运动状态的各种物理量也表现出不同程度的跃变和随机性。雷诺数：流体运动中，惯性力与粘性力的无量纲比值vdvdRe下临界雷诺数：从湍流状态到层流状态的转折点；上临界雷诺数：从层流状态到湍流状态的转折点。23．圆管中定常不可压层流和湍流运动的速度分布规律是什么？[答]：层流：)(4220rRlppul（1）定常流动的速度沿径向的分布规律，由式（1）可以看出，流动截面上的速度分布是一抛物回转面。湍流：光滑圆管中的速度分布：394.5)lg(756.5**yUUu粗糙圆管中的速度分布与光滑圆管中的速度分布相同，只是改变方程的常数。24.流动相似的条件是什么？简述定理的容。答：教材P178-179如果2个不稳定流动系统的均时性准数Ho相等，则其速度场随时间的变化率是相似的。不变量ultlutHo如果2个不稳定流动系统的傅鲁德准数Fr相等，则对应的流体质点的压力势能和动能相似，相应的重力和惯性力也存在相似关系。不变量22Fugluglr如果2个流动系统的欧拉维数Eu相等，则相应的压力场相似，相应的惯性力场也存在相似关系。不变量2upEu如果2个流动系统的雷诺维数Re相等，则相应的速度场（或速度分布）是相似的。不变量ululeR定理：描述其物理过程的各物理量之间的关系可表示为相应的相似准数n21，，，之间的函数关系：0Sn21，，，。此关系式称为准则关系式或准则方程式。25.流体的阻力可分为哪几种？管路中因阻力引起的损失通常分为哪几种？影响管路损失系数的主要因素有哪些？答：粘性