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流体微团的运动分析

时间:2022-10-20 百科知识 版权反馈
【摘要】:流体微团在运动过程中不仅有平移和转动,它还具有与刚体不同的另一种运动形式,即变形。因此,流体微团的一般运动可以分解为四部分,即整体的平移运动、绕自身瞬时转动轴的旋转运动、线变形运动和角变形运动。单位时间内的角变形就是∠DAB的变化,它表示为所有流体微团都没有旋转运动的流动称为无旋流动。流体微团是否有自身的旋转运动与它们的运动轨迹是直线还是曲线是两个不同的概念。乘客的运动轨迹是圆周,但并没有发生自转。
流体微团的运动分析_工程流体力学(Ⅱ

刚体的一般运动可以分解为相对于参考点的平移运动和绕瞬时转动轴的旋转运动。流体微团在运动过程中不仅有平移和转动,它还具有与刚体不同的另一种运动形式,即变形。变形又可以分解为线变形和角变形两部分。因此,流体微团的一般运动可以分解为四部分,即整体的平移运动、绕自身瞬时转动轴的旋转运动、线变形运动和角变形运动。

1.速度的分解

2.线变形率

由于线变形而在点C所产生的x方向的速度就是线段DC在单位时间内x方向投影长度的变化,它又表示为

3.角变形率分别表示为

当Δβ和Δα的大小不一样时,微团不仅有角变形还有整体的旋转,于是可以把微团的变形分解为角变形和旋转两个部分,如图7-3所示。单位时间内的角变形就是∠DAB的变化,它表示为

4.旋转角速度

5.有旋流动和无旋流动

所有流体微团都没有旋转运动的流动称为无旋流动。对于无旋流动,每一流体微团的旋转角速度都等于零,因此在流场中的每一点都有

流动有旋时,流体的某些微团(或者质点)有旋转运动,其旋转角速度不为零。在有旋流动中,流体质点的运动轨迹并不一定是曲线;在无旋流动中,流体质点的运动轨迹也不一定是直线。流体微团是否有自身的旋转运动与它们的运动轨迹是直线还是曲线是两个不同的概念。下面两个例子能够很好地说明这一点。

例7-1给定速度场u=ky,v=0,w=0,分析流体质点的运动轨迹,并判断该速度场所定义的流动是有旋的还是无旋的。

解 只有x方向的速度分量不等于零,所有流体质点的运动轨迹都是与x轴平行的直线。这种流动也称为平行直线流动。由所给速度计算旋转角速度,可得

图7-5 在平行直线流中的有旋流动

三个角速度分量都等于零,流动无旋。流体质点在做圆周运动的过程中并没有发生自转,如图7-6所示。流体质点的这种运动类似于游乐场摩天轮上乘客的运动,当摩天轮巨大的转轮绕水平轴旋转时,悬挂在轮周上的座椅都绕水平轴做旋转运动,座椅上的乘客头始终向上,脸朝着一个不变的方向。乘客的运动轨迹是圆周,但并没有发生自转。

图7-6 流体质点做圆周运动时的无旋流动

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