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第六章势流理论

时间:2020-06-14    下载该word文档
第六章 势流理论
课堂提问:
为什么上弧旋与下弧旋乒乓球的应对方法不同
本章内容:
1 势流问题求解的思路 2.库塔----儒可夫斯基条件 3. 势流的迭加法
绕圆柱的无环绕流,绕圆柱的有环绕流 4.布拉休斯公式
5.库塔----儒可夫斯基定理 学习这部分内容的目的有二:
其一,获得解决势流问题的入门知识,即关键问题是求解速度势。求出速度势之后,可按一定的步骤解出速度分布、压力分布,以及流体和固体之间的作用力。
其二,明确两点重要结论:
1)园柱体在理想流体中作等速直线运动时,阻力为零(达朗贝尔疑题);升力也为零。 2)园柱本身转动同时作等速直线运动时,则受到升力作用(麦格鲁斯效应) 本章重点:
1 平面势流问题求解的基本思想。 2 势流迭加法
3 物面条件,无穷远处条件
4 绕圆柱有环流,无环流流动的结论,即速度分布,压力分布,压力系数分布,驻点位置,流线图谱,升力,阻力,环流方向等。
5 四个简单势流的速度势函数,流函数及其流线图谱。 6 麦马格鲁斯效应的概念
7 计算任意形状柱体受流体作用力的卜拉修斯定理 8 附加惯性力,附加质量的概念

本章难点:
1.绕圆柱有环流,无环流流动的结论,即速度分布,压力分布,压力系数分布,驻点位置, 流线图谱,升力,阻力,环流方向等。 2.任意形状柱体受流体作用力的卜拉修斯定理 3.附加惯性力,附加质量的概念 §6-1 几种简单的平面势流
平面流动:平面上任何一点的速度、加速度都平行于所在平面,无垂直于该平面的
分量;与该平面相平行的所有其它平面上的流动情况完全一样。
例如:
1)绕一个无穷长机翼的流动,

2)船舶在水面上的垂直振荡问题,由于船长比宽度及吃水大得多,且船型纵向变化比较缓慢,可以近似认为流体只在垂直于船长方向的平面内流动。如果我们在船长方向将船分割成许多薄片,并且假定绕各薄片的流动互不影响的话,则这一问题就可以按平面问题处理。一近似方法在船舶流体力学领域内称为切片理论。 一、均匀流

流体质点沿x轴平行的均匀速度Vo

VVo Vy=0
平面流动速度势的全微分为
ddxdyVxdxVydyV0dxxy


积分: φ=Vox (6-4 流函数的全微分为,
ddxdyVydxVxdyVody xy积分: ψ=Vo (6-5 由(6-4)和(6-5)可得:

流线:=const,一组平行于x轴的直线。


等势线:x=const,一组平行于y轴的直线。 均匀流的速度势还可用来表示平行平壁间的 流动或薄平板的均匀纵向绕流,如图6-4所示。

图6-4
二、源或汇
平面源:流体由坐标原点出发沿射线流出,反之,流体从各个方向流过来汇聚于一点,谓之平面汇:与源的流动方向相反。
设源的体积流量为Q,速度以源为中心,沿矢径方向向外,沿圆周切线方向速度分量为零。现以原点为中心,任一半径r作一圆,则根据不可压缩流体的连续性方程, 体积流量Q
2πrvr=Q
∴vr=Q/2πr (6-6
在直角坐标中,有
Vxxy
Vyyx在极坐标中有:

1rsr (6-7 1VssrrVr极坐标中φ和ψ的全微分:

QdrdVrdrrVsddrr2rQddrdVsdrrVrddr2 (6-8
Qlnr2Q2d流线:为θ=const,从原点引出的一组射线;等势线为r=const,就是和流线正交的一组同心圆。
由(6-6)式可看出,当Q>0,则vr>0,坐标原点为源点; 如果Q<0,则vr<0,流体向原点汇合,

图6-7 扩大壁面和源的互换性乃是汇点。 源(汇)的速度势,还适用于扩大(收缩) 渠道中理想流体的流动。

图6-7
三、偶极子

偶极流:流量相等的源和汇无限靠近,且随着其间距δx→0,其流量Q→∞,且Qδx→M(δx→0) (6-9
则这种流动的极限状态称为偶极子,M称为偶极矩。 用迭加法求φ和ψ。 12
Q(lnr1lnr2 由图6-8 (所示: 2r1r2xcos1

因此


12QQr1(lnr1lnr2ln22r2
Qr2xcos2ln2r2xcos2Qln(12r2图6-8 (
z2z3ln(1zz23式中z=δxcosθ1r2是个小量,我们利用泰劳展开式 将φ展开并略去δx二阶以上小量得

Qxcos12r2当δx→0时,Qδx→M,θ1→θ,r2→r。其中r,θ为A点的极坐标,这样便可从 上式得到偶极子的速度势为

Mcos2r(6-0
直角坐标有
Mx (6-11
2x2y2对于流函数: 12QQ(12( 22图6-8(三角形BCD:r2δθ=δxsinθ1,有
Mxsin
2r2xsin1r2
所以 θ2当δx→0时,Qδx→M,r2→r,θ1→θ,所以
Msin (6-12
2r
直角坐标有 My (6-13
2x2y2令ψ=C即得流线族:
Myc
2x2y2

yc1 22xy xy22y0 c16-8b1212 (6-14 图6-10(b) 配方后得 x(y2c14c12流线:圆心在y轴上与x轴相切的一组圆,如图6-10(b)中的实线。流体是沿着上述的圆周,由坐标原点流出,重新又流入原点。
等势线中心在x轴上与y轴相切的一组圆,并与ψ=const正交,如图6-8(b)中的虚线。偶极子是有轴线和有方向:源和汇所在的直线就是偶极子的轴线,由汇指向源的方向,就是偶极轴的方向,偶极子的方向是x轴的负向。 四、点涡(环流)
流场中坐标原点处有一根无穷长直涡索,方向垂直于平面xy平面,与xy平面的交点为一个点涡。点涡在平面上的诱导速度沿着以点涡为中心的圆周的切线方向,大小与半径成反比,即
vs2rvr0 (6-15
d 2极坐标下: dvrdrvsrd积分得:

(6-16 2dr 流函数 dvsvrdrvrrd2rlnr (6-17 积分: 2流线:ψ=const就是r=C,即一组以涡点为中 心的同心圆, 如图6-9所示。 注意:Γ>0对应于反时针的转动,


Γ<0对应于顺时针的涡旋。 图6-9 §6-3 绕圆柱体的无环量流动,达朗贝尔谬理 势流迭加法:
均匀流、源汇、偶极子、点涡这样一些几种简单的势流,具有可迭加性。将它们之中的两个或两个以上迭加起来,在用物面边界条件来控制,会获得有实际意义的结果。
绕圆柱体的无环流流动就是一个典型的实例。 理想流体的边界条件:
1 无穷远条件(远场条件)
r=∞,

vxvvy0
或r=∞,

2)物面条件(近场条件)vrvrsinvvcos
r=r,v=v=0 称为不可穿透条件
零流线 r=r0处ψ=0是一条流线。 圆柱在静止无界流体中作等速直线运动

均匀流和偶极子迭加后的速度势和流函数为:
= 均匀流动+
偶极子流动



12v0rCosMCos2r 6-18



12v0rSinMSin2r (6-19

观察ψ=0这条流线,由(6-19)式,我们有: Sin(v0M0 2r若sinθ=0,有θ=0或π,因此ψ=0的流线中有一部分是x轴; 若v0r-M2πr=0,v0rM0 2r
即r2=M2πv0,r2MMr02, 就有r=r0, 即r=r0的圆周
2v02v0也是ψ=0的流线的一部分,如图6-10所示。
2验证边界条件,将M2v0r0代入φ,有
r02 (6-20 v0cos(rr速度

r02vrv0cos(12rr (6-21 图6-10
2r1vv0sin(102rr当r→∞,从上式可得

vrv0cosvv0sin
当r=r0时,vr=0
这就证明了均匀流和偶极子迭加的速度势,满足绕圆柱体无环流流动的远场和近场的边界条件,当r≥r0的流动与均匀流绕圆柱的流动完全一样。
设想把均匀流加偶极子的流动图案中r<r0的那一部分去掉(不感兴趣),而在其中充实以一个r=r0的圆柱体,对流场流动不会有任何影响。 圆柱表面上速度分布:
r=r0时:vr0v2v0sin (6-22
负号表示其方向与s坐标轴方向相反, 如图6-10
驻点位置:
A,C两点θ=π或0,vs=0称为驻点或分流点。 对B,D两点:

2v2v0 (6-23
B,D两点:速度达到最大值,等于来流速度v0之两倍,与圆柱体半径无关,

B,D两点:速度增至2v0,达最大值。然后又逐渐减小,在C点汇合时,速度又降至零。
离开C点后,又逐渐加速,流向后方的无限远处时,再恢复为v0。

圆柱表面上压力分布:
pv22p0v022
将园柱表面上速度分布代入,即得圆柱表面上压力分布 pp0v022(14sin2 (6-24
物面上的压力分布定义: Cppp0 (6-25
12v024由(6-24)式可得 Cp14sin (6-26)
压力分布既对称于x轴也对称于y轴,见图6-1(a) A,C两点压力最大cp=1
B,D两点压力最小cp=-3 (6-27) 沿ψ=0这条流线压力变化为:
左方无限远处,cp=0,流到A点时压力为极大值cp=1。由A点分为两支分别流向B,D点,压力逐渐减小为极小值cp=-3。流向C点时压力逐渐增大,C点达极大值cp=1。由C点流向右方无限远处,压力又再次减小,最后压力重新降至p0,cp=0。

(a)理想流体;(b)真实流体




图6-1

因为其压力分布对称于x轴,显然合力在y轴上的分力L(升力)为零;同样,因其压力分布对称于y轴,故合力在x轴上的分力R(阻力)为零,即
升力L=0
阻力 R=0 (6-28)
这一结果与实验结果有严重矛盾,称为达朗贝尔谬理。
如图6-1(b)所示为圆柱表面压力分布的实测结果。与图6-1(a)相比较,C点处由正压变为负压,破坏了压力分布对y轴的对称性,从而引起了作用于物体的阻力。其原理,边界层理论一章再详细讨论。
达朗贝尔谬理在理论上仍然有意义。成立的条件可归纳为下列五点; 1)理想流体; 2)无界流场;
3)物体周围的流场中没有源、汇、涡等奇点存在; 4)物体作等速直线运动; 5)流动在物体表面上没有分离。
如果上述条件全部成立,那么任何物体的的确不受阻力作用。
上面任一条件被破坏,则物体即将遭受到流体的作用力(阻力或升力)。因此,根据达朗贝尔谬理,我们可以来分析物体在流体中运动时可能受力的种类及其本质。

§6-3 绕圆柱体的有环量流动-麦格鲁斯效应提问:
乒乓球和排球中的弧圈球的运动轨迹为什么不是直线 圆柱在静止无界流体中作等速直线运动同时自身转动

现在将绕圆柱体无环流流动与点涡进行迭加。

= 均匀流动+偶极子流动+点涡




r02v0cos(rr2 (6-29) 2rv0sin(r0lnrr2上式中的点涡取环量为-Γ,这是为了符合圆柱体顺射针转动的条件。 由(6-29),当r=r0, 速度分布:
lnr0const.仍保持为流线。 2r02vrv0cos(r2rr (6-30)
2r1vv0sin(102r2rr圆柱表面上速度分布:用r=r0代入上式得:
vr0

v2v0sin1 (6-31)
2rr0


圆柱表面:法向速度仍为零,满足不可穿透条件。切向速度不为零,多出一项环流的速度。
圆柱顺时针的环流和无环量绕流方向相同,因而速度增加,而下表面则方向相反,因而速度减少。
驻点位置:驻点位置离开x轴下移的距离与Γ的大小有关。 根据(6-31)式有: 02v0sins 2r0解出 sins
4r0v01)Γ<4πrv,则|sinθ|<1, 两个驻点在圆柱面上,左右对称位于第
三、四象限,如图6-3(a)所示,而且A,B两个驻点随着Γ值的增加而向下移动, 互相靠拢。
2)Γ=4πr0v0,两个驻点重合,位于圆柱面的最下端,如图6-3(b)所示。 3)Γ>4πr0v0,驻点不在圆柱面上。驻点脱离圆柱面沿y轴向下移动到相应的位置。

令(5-30)式中的vr=0和vθ=0,得到两个位于y轴上的驻点,一个在圆柱体内,另一个在圆柱体外。这种流动只有一个在圆柱体外的自由驻点,如图6-3(c)所示。 结论:合成流动对称y轴,仍将不遭受阻力。但环量的存在流动图形不对称x轴,因此产生了向上的升力。




(a) (b) (c)
图6-3
升力的大小:将圆柱表面上速度分布v2v0sin代入柏努利方程:
2r0pCC单位长圆柱所受到的升力为v222C22(2v0sin22r0v0sin222vsin0r082r02
2 (6-33)
L0psinr0d
将(6-33)代入上式,并考虑到
2
0sin0d0,
2
0sind0,320sin2d
得到:Lv0 (6-34)
称为库塔——儒可夫斯基升力定理。 上式揭示了升力和环量之间的一个重要关系, 即升力的大小准确地和环量Γ成正比。


升力的方向:图6-4所示 来流速度矢量逆环量方向旋转90°
它在绕流问题中具有普遍意义,即不仅对圆柱是正确的,而且对有尖后缘的任意翼 型都是正确的(参阅第十二章)。其实流体由于粘性, 圆柱后部会有分离,这时除升力外还会有阻力,但升

力基本上可用(6-34)式计算。

麦格鲁斯效应:流体绕流圆柱体会产生升力的现象。 图6-4 问题:
1分析乒乓球和排球中的弧圈球 2)Buckan号试验船, 1983年美国又造了一艘作了改进的试验船“追踪号” 如图6-5
§6-4 附加惯性力与附加质量
物体在无界流体内的运动可分为两大类: 1)匀速直线运动 1)非匀速直线运动。
匀速直线运动:坐标转与物体固定在一起,问题转换为均匀、定常绕流问题。 非匀速直线运动:坐标固定于物体上,得到的绕流问题本身可能就是不定常运动,要另想办法来处理这一不定常运动问题。
设在无界的流体中取一半径非常大的球面Σ, 物体质量为M,推动物体的力不仅必须为增加物 体的动能而作功,而且还要为增加流体的动能而 作功。力F将大于Ma,若设 F=(M+λ)a (6-35) λ称为附加质量,M+λ称为虚质量。 将λa移到(6-35)式左边,令




FI=-λa (6-36)
则有: F+FI=Ma (6-37)
FI为物体加速周围流体质点时受到周围流体质点的作用力,称为附加惯性力, 由(6-36)可见FI的方向与加速度方向相反。
当a>0时FI<0,即物体加速度运动时,FI为阻力;
当a<0时,FI>0,即物体减速时,FI为推力,即FI使既难于加速也难于减速,结果使物体惯性加大,在效果上相当于质量增加了一个附加质量λ。 附加质量的计算:在物体外部,Σ内部流场τ体积内的流体动能为
T12vd 2 T1v2d (6-38) 2式中
222((xyz (((
xxyyzzv2(222(222xyz所以 v2((( (6-39) xxyyzz根据高斯定理,对于在区域τ及外边界Σ和内边界S上所定义的单值连续函数P,Q,R有:
(
PQRd[Pcos(n,xQcos(n,yRcos(n,z]dxyz
[Pcos(n,xQcos(n,yRcos(n,z]ds将上式用于(6-39)和(6-38)式,可得
T
2[cos(n,xcos(n,ycos(n,z]dxyz2[scos(n,xcos(n,ycos(n,z]dxyz

由方向导数的定义可知:
因此 Tcos(n,xcos(n,ycos(n,z xyzn2dn2sd n上式中对Σ的面积分可以略去不计。
以圆柱运动为例,当圆柱体在静止流体中运动时,其绝对速度势为
r02Vcos
r速度势及其微分的量阶为 ~1r1~2nrs2r1~r
:当Σ取得足够大时,r→∞,则


1d~20 nr所以动能计算式简化为 T2sdn6- 40



设单位速度V=1所对应的速度势用φ0表示,则V0 (6- 41)
式中 (x,y,z,t, VV(t, 00(x,y,z 于是(6-40)可写成
T
可见,
2(0s0dV2n(6-42)

0s0d在动能表达中处于质量的地位,起质量的作用,也具有质量的量n
纲,令:

0s0d (6- 43)n
即为附加质量的计算式。式中φ0是V=1所对应的单位速度势,仅与物体的形状和运动的方向有关,而与物体的速度或加速度无关,因而附加质量也具有此性质。 实际上,物体(如船舶)的运动有六个自由度,在船舶与海洋工程中: 纵荡(surge 纵向非定常运动,附加质量λ11,λ11=(5~m, 横荡(sway:横向非定常运动,附加质量λ22,λ22≈(~)m; 升沉(Heave:垂向非定常运动,附加质量λ33≈(~m; 横摇(Roll:绕x轴的转动,附加转动惯量λ44≈(~)Ixx 纵摇(Pitch:绕y轴的转动,附加转动惯量λ55≈(1-2)Iyy 首摇(Yow:船舶绕z轴的转动,相应有附加转动惯量λ66≈λ55 m,IxxIyy分别为船舶排开的水质量;绕x轴转动时的转动惯量;绕y轴的转动惯量。
船舶靠离码头,总是要作加速或减速运动,因此要考虑附加质量。另外,在研究船舶横摇,纵摇时要考虑附加转动惯量。

§6-7 作用在物体上的流体动力和力矩
如图6-19所示,作用于dS上的力为pdS,在x和y方向的投影分别为
dXpdSsinpdy (6- 62)
dYpdScospdx积分得x和y方向的总力:
XpdysYpdxs (6-63)
现按下述表达式定义作用力P和共轭作用力P
PXiY (6-64)



PXiY (6-65)
则将(6-63)式代入(6-65)式,可得共轭作用力: 图6-19
Pip(dxidyipdz (6-66ss
由伯努利方程式
pC
在物体周线上12v
2dzdSeidSeiei2dzei2
2因此式中
1Pi(Cvei2dz
s2iCei2dziC(dxidyCdyiCdx0
s
s
s
sPi(vei2dzs2 2i((veidz2s所以 Pi((22sdw2dz (6-67)
dz

idw2XRe[(dz]s2dzidw2(dz] (6—68)YIm[s2dzPPX2Y2
上两式即为计算作用在物体上流体动力的卜拉休斯(Blasius)公式。这样,如果绕任意形状柱体流动的复势W(z)为已知,就可以根据这一公式求出作用在单位长度柱体上的共轭作用力,取实部即得X,取虚部加负号就是Y。
现在来求作用在任意形状柱体上对坐标原点的力矩。由图6-19及(6-62)式,可得
dMdYxdXyp(xdxydy所以 M
sp(xdxydy (6-69)
由于 ZdZ(xiy(dxidyxdxydyi(ydxxdy

xdxydyRe(zdz 将伯努利方程pC12v代入(6-69)式进行积分。因
2
s
sx2y2C(xdxydyC20
2所以 M 因为dzei22vs2(xdxydy2vsRezdz
dz再考虑到|v|也是实数,上式可写成:
MRe( MRe[v2s2ei2zdz
2(
s
dwzdz] (6-70)
dz上式即为计算作用在物体上的流体动力力矩的卜拉休斯公式。
这样,如果绕任意形状柱体流动的复势W(z)为已知,则只要对上式方括号内积分进行运算,然后取其实部,便可求得作用于单位长度柱体上作用力对原点的力矩。 已知速度势φ=x-3x y2 求流函数ψ。 : vx3x23yxvy6xy y

vx3x23y2yvy6xy x将上式积分得:
(3x23y2dyf(x3x2yy2f(x
式中f(x为与y无关的函数。 将ψ对x求导:6xyf(xvy6xy x所以即f(x=C。从而求得流函数为
3x2yy2c
已知平面点涡的流函数 1求两者迭加后的速度势。
Qlnr 和平面点汇的流函数2 22
Qlnr 2211QQ (rrr22rQ积分得: lnrC(
2对θ求导得另外又有 C(
另外 rrr2r2所以 C(
2 C(
2QC(θ代入(a式得势函数为lnr
22Q与流函数lnr比较,显然是相互正交的。
2225628r例6.3已知流函数100rsin(12ln
25r解:将两个基本解迭加得12:
(1)驻点位置; (2)绕物体的环量; (3)无穷远处的速度; (4)作用在物体上的力。 解(1)求驻点位置(先求速度场
25100cos(12rr
25628v100sin(12r2rrvr令ψ=0,可解出零流线为r=5,可知r=5的圆柱即为物面。 在物面上,r=5时,vr=0,所以
v200sin628 10r6280.1
2000令vθ=0,有 sins0即驻点位置为s1544s2174016

2)求环量。
vrd(200sin00226285d62810(m2/s
(3)求速度
在物面上4r0Vsins
所以V628100(m/s 14r0sins45(10即为无穷远的来流速度。 4)求合力。
若ρ=1000kg/m3
则L=×10N/m。
x0的右半平面(y轴为固壁,处于x轴上距壁面为a处有一强度为m的点源,
求流动的复势及壁面上的速度分布。
用镜像法,z=a的对称位置z=-a处虚设一个等强度的点源,则可形成y轴处固壁,这时流 动的复势为

w(zmln(zamln(za
ii2zar1e1,zar2e所以tan1mln(r1r2,m(12
yy ,tan2xaxaQQ(lnr1lnr2(ln(xa2y2ln(xa2y222Qln((xa2y2(xa2y2从而 2QQQQ1yQ1y12tgtg2222xa2xa
vxx=0处即固壁上xyx0vy
x0Q2(xa2(xa[]x002(xa2y2(xa2y2
QyQy2Qy222x022x0(xay(xayya2

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