在研究流体运动时,要涉及液体和气体,气体比液体可压缩得多;但是,在任何一个具体的流动过程中,压缩是否发生到显著的地步,对于显著的压缩,必有可观的压强变化。如果气流的速度不大,气体所展布的高度不高,流动有效断面又不太大,则压强的变化就远比平均压强小,于是体积的变化就很小,为了简化计算,体积的变化一般就可以完全忽略不计。在这种情形下,气体的流动就与不可压缩的液体的流动毫无区别。假设1%的体积变化认为可以忽略,就可以将关于不可压缩液体流动的公式应用到常温下的空气、天然气等的流动中去。例如,只要它的流动速度不超过约50m/s,而高度不超过100m时就可以应用,何况在速度为150m/s时,体积的改变只约为10%。但当流速变得和声速(约340m/s)同数量级的时候,体积的变化就很可观,而使流动状况(流场特征)起显著的变化。当流速超过声速的时候,流动的特征甚至完全不同于平常液体的一般情况。
在本书中,除了第8章、第11章讨论体积变化不可忽略的一元流动基本理论外,本章及以后其余章节,均讨论体积变化忽略不计的情形。
与静止或相对静止情况不同,流体在流动的时候,流体的黏滞性将发生作用。因此,在流动中除了受质量力、压力外,还受到流体抵抗变形的黏性阻力(内摩擦力)的作用。由于黏滞性的作用,在流动流体中,任一点上的压强(称为动压强)不仅与该点的所在空间位置有关,也与方向有关,这就与静压强有所区别。但是,经理论推导证明(见第10章),流动流体中任一点在三个正交方向的压强的平均值为一常数,即
式中p是一常数,它不随这三个正交方向的选取而变化。这个平均值就作为点的压强值。在本章及以后的章节中,流动流体的动压强和流体的静压强,一般在概念和命名上不予区别,一律称为压强。
由于流体具有黏滞性,流体与固体壁面有黏附作用,因此,流体在固体壁面上没有滑移现象,在垂直于流动方向上常有速度梯度,如图3.1所示。因此,实际流体流动时至少是二元的,一般情况下多为三元流。例如,将飞机模型放在风洞中,使风洞中的风呈均匀流动,这时飞机周围的流动是三元的复杂流动,如图3.2所示。但是,三元流的分析一般是非常困难的,所以多用二元模型来代替,作为二元流动进行分析。如上例的飞机,可用像图3.3所示的那样翼型周围的流动来分析,就可作为二元流动来处理。在许多实际工程问题中,流体的运动参数(速度、压强、密度等)在正交于主流方向上的变化与沿主流方向的变化比较起来很小,因而可以忽略不计,这时可以将它简化为一元流。例如,管道中的流体主要沿管轴方向流动,河渠中的水流主要沿河渠主流轴线方向流动。虽然严格来讲是属于二元流动,但是它们的流速常常用断面平均流速(见图3.4)来描述,认为断面上各点的速度是均匀分布,其运动参数只沿主流方向变化。这样,就可以沿流动的主流方向选取坐标(一般情况下是曲线坐标),将整个流股(总流)作为研究对象,分析运动参数沿主流方向的变化规律及相互关系,从而可使问题大为简化,避免复杂的数学分析。这样的处理,从实际应用的目的往往是足够正确的。
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图3.1 二元流
图3.2 三元流动
图3.3 二元流动(翼型)
图3.4 一元流动
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