流体力学中的假设模型有雷诺实验、尼古拉兹实验等。
1、描述雷诺实验。雷诺实验的装置由水箱引出玻璃管,末端装有阀门,在水箱上部的容器中装有密度和水接近的颜色的水,打开小水箱阀门,颜色水就可经针管注入玻璃管中。
2、简述尼古拉兹实验。为便于分析粗糙的影响,尼古拉兹将经过筛选的均匀砂粒,紧密地贴在管壁表面,做成人工粗糙。由上分析得出,雷诺数和水相对粗糙是沿程摩阻系数的两个影响因素。
流体力学:力学的一个分支,主要研究在各种力的作用下,流体本身的静止状态和运动状态以及流体
流体力学三大方程
流体力学三大方程:连续性方程、能量方程、动量方程。
1、流体力学,是力学的一门分支,是研究流体(包含气体、液体及等离子体)现象以及相关力学行为的科学。以宏观的角度来考虑系统特性,而不是微观的考虑系统中每一个粒子的特性。
2、能量方程是分析计算热量传递过程的基本方程之一,是对非等温流动系统进行能量衡算所得的数学关系式,在:流体微元中的内能增量等于通过热传导进入微元体的热量、微元体中产生的热量及周围流体对微元体所作功之和。
3、流体力学中的连续性方程是什么意思?在物理学里,连续性方程乃是描述守恒量传输行为的偏微分方程。与全域性的守恒定律相比,这种守恒定律比较强版。它描述任意有限区域内的守恒量;也可以以微分形式表达(使用散度算符),描述任意位置的守恒量。
理论分析的步骤大致如下:
①建立“力学模型”:
一般做法是:针对实际流体的力学问题,分析其中的各种矛盾并抓住主要方面,对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有:连续介质(见连续介质假设)、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体(见粘性流体)、平面流动等。
②建立控制方程:
针对流体运动的特点,用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来,从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外,还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程),或者其他方程。
这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。流体运动在空间和时间上常有一定的限制,因此,应给出边界条件和初始条件。整个流动问题的数学模式就是建立起封闭的、流动参量必须满足的方程组,并给出恰当的边界条件和初始条件。
③求解方程组:
在给定的边界条件和初始条件下,利用数学方法,求方程组的解。由于这方程组是非线性的偏微分方程组,难以求得解析解,必须加以简化,这就是前面所说的建立力学模型的原因之一。力学家经过多年努力,创造出许多数学方法或技巧来解这些方程组(主要是简化了的方程组),得到一些解析解。
④对解进行分析解释:
求出方程组的解后,结合具体流动,解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较,以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。
科学家是怎么研究流体的?两大假设你知道吗?
对于现实生活中流体的研究,实际上是比较困难的,所以我们需要对流体做出许多假设。
那么本文就将介绍流体力学中最重要的两个假设。
首先是 连续介质假设。
我们知道流体都是由一个个分子所组成的,比如水就是由一个个水分子所组成。从这个角度看起来,流体不是连续的,因为分子之间存在着间隙。
那么如果我们要对流体进行研究,就必须要对流体中的每一个分子都进行研究。
这当然是可行的,但是会消耗太多的运算资源,不值得如此去做。
由此就有了连续介质假设,这一理论是采用流体质点作为流体的一个研究对象。
所谓流体质点是一个宏观上无穷小,而微观上无穷大的模型。
在这里,我们以水作为例子,弱水三千,我们只取一瓢饮。那么这所谓的一瓢水相对于弱水三千而言,自然是非常小的。
实际上的流体质点,仅仅只是一个非常小的流体微团而已,它的体积远远小于1毫升。所以它相对于我们自然生活中所可以碰到的水而言,完全可以说是微不足道的。这就是我们把流体质点作为一个微观上无穷小的物质的原因。
流体质点虽然非常小,但是在其中的水分子就更加小了。所以哪怕是这么微小的一个流体质点,其内部也含有大量的水分子。因为这一流体质点中蕴含有数量极其巨大的水分子,所以可以称其为是微观上无穷大的。
这边可以总结一下,无穷小和无穷大是根据不同对象而言的。正如我们相对于蚂蚁而言是非常庞大的,但是我们相对于恒星而言又是极其渺小的。
宏观指的就是我们在生活中遇到的流体,从它们的角度来看,流体质点是非常微小的。微观指的是流体分子,从它们的角度来看,流体质点又是无穷大的。
有了流体质点以后,我们接下来只要去研究流体质点就可以了。所以流体质点的产生大大减少了我们的运算量。
而且流体从流体质点的角度来看是连续的,这样许多表征流体宏观特性的物理量也就是连续的了。
当然,如果我们确实想要研究流体中一个分子的运动情况,那也是可以的。
只不过在大部分情况下,我们需要了解的是流体各个物理量的统计平均值。这句话的意思是我们不想知道一个分子具体是怎么运动的,我们需要知道的是整个流体是怎么运动的。
在这种情况下,使用流体质点就完全足够了。
但是有的时候这一假设也是不成立的,比如在流体比较稀薄的时候。
我们知道在空气中含有水分子的,但是水分子的含量相对而言比较少。所以如果我们截取某一体积的空气,把这一部分作为一个流体质点来研究水的运动情况,那是绝对不行的。因为这样一个流体质点中所含有的水分子太少了,所以它不可以被视为是微观上无穷大的。
换句话说,在比较稀薄的流体当中,是没有办法应用流体连续介质假设的。
接下来我们再来看一下壁面无滑移。我们知道,在一根管子中,流体是流过这样一根管子的。 那么这就带来一个问题,在管子壁面处的流体是否是向前运动的呢?
答案是否定的,在壁面处的流体是完全静止的,而且在壁面附近流体的速度也是小于平均速度的。
目前而言,大家可以认为是壁面把流体给拖住了。就像你在向前跑的时候,有人拽住你一样,壁面也会拉住流体分子。当然在后续的学习中,我们会了解到边界层的概念,这就比较复杂了。
流体力学的基本假设?
流体力学有一些基本假设,基本假设以方程的形式表示。例如,在三维的不可压缩流体中,质量守恒的假设的方程如下:在任意封闭曲面(例如球体)中,由曲面进入封闭曲面内的质量速率,需和由曲面离开封闭曲面内的质量速率相等。(换句话说,曲面内的质量为定值,曲面外的质量也是定值)以上方程可以用曲面上的积分式表示。
流体力学假设所有流体满足以下的假设:
·质量守恒
·动量守恒
·连续体假设
在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体,也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体,气体则不是。有时也会假设流体的黏度为零,此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零,而且流体被容器包围(如管子),则在边界处流体的速度为零。
流体力学三大方程是什么?适用条件是什么?
一、流体力学之流体动力学三大方程分别指:
1、连续性方程——依据质量守恒定律推导得出。
2、能量方程(又称伯努利方程)——依据能量守恒定律推导得出。
3、动量方程——依据动量守恒定律(牛顿第二定律)推导得出的。
二、适用条件:
流体力学是连续介质力学的一门分支,是研究流体(包含气体,液体以及等离子态)现象以及相关力学行为的科学纳维-斯托克斯方程基于牛顿第二定律,表示流体运动与作用于流体上的力的相互关系。纳维-斯托克斯方程是非线性微分方程。
其中包含流体的运动速度,压强,密度,粘度,温度等变量,而这些都是空间位置和时间的函数。一般来说,对于一般的流体运动学问题。
需要同时将纳维-斯托克斯方程结合质量守恒、能量守恒,热力学方程以及介质的材料性质,一同求解。由于其复杂性,通常只有通过给定边界条件下,通过计算机数值计算的方式才可以求解。
扩展资料:
流体力学的发展历程:
流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。中国有大禹治水疏通江河的传说。秦朝李冰父子(公元前3世纪)领导劳动人民修建了都江堰,至今还在发挥作用。大约与此同时,罗马人建成了大规模的供水管道系统。
对流体力学学科的形成作出贡献的首先是古希腊的阿基米德。他建立了包括物体浮力定理和浮体稳定性在内的液体平衡理论,奠定了流体静力学的基础。此后千余年间,流体力学没有重大发展。
15世纪意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题。
17世纪,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学,却是随着经典力学建立了速度、加速度,力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
参考资料来源:百度百科-流体动力学基本方程
参考资料来源:百度百科-流体力学
流体力学的研究方法
可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面: 根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等,利用数学分析的手段,研究流体的运动,解释已知的现象,预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下:
①建立“力学模型”
一般做法是:针对实际流体的力学问题,分析其中的各种矛盾并抓住主要方面,对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有:连续介质(见连续介质假设)、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体(见粘性流体)、平面流动等。
②建立控制方程
针对流体运动的特点,用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来,从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外,还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程),或者其他方程。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。流体运动在空间和时间上常有一定的限制,因此,应给出边界条件和初始条件。整个流动问题的数学模式就是建立起封闭的、流动参量必须满足的方程组,并给出恰当的边界条件和初始条件。
③求解方程组
在给定的边界条件和初始条件下,利用数学方法,求方程组的解。由于这方程组是非线性的偏微分方程组,难以求得解析解,必须加以简化,这就是前面所说的建立力学模型的原因之一。力学家经过多年努力,创造出许多数学方法或技巧来解这些方程组(主要是简化了的方程组),得到一些解析解。
④对解进行分析解释
求出方程组的解后,结合具体流动,解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较,以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。 前面提到的采用简化模型后的方程组或封闭的流体力学基本方程组用数值方法求解。电子计算机的出现和发展,使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性。数值方法可以部分或完全代替某些实验,节省实验费用。数值计算方法最近发展很快,其重要性与日俱增。
四种研究方法之间的关系:
解决流体力学问题时,现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。实验需要理论指导,才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之,理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据以建立流动的力学模型和数学模式;最后,还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外,实际流动往往异常复杂(例如湍流),理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难,得不到具体结果,只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。