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汽车工程力学:气流运动解析

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:流体流动不考虑其密度变化的,称为不可压缩流体流动。迹线是某一气流微团在一段时间内所经过的路径,是同一气流微团在不同时刻所处位置的连线。流线 在某一瞬间,把流场内各点气流微团的运动方向连接而成的一条平滑的曲线,这曲线称为流线。

汽车工程力学:气流运动解析

1.气流运动的分类

根据气流的物理参数所依赖的空间坐标变量的数目可分为一、二、三维流动。

根据气流流动的物理参数是否随时间变化,气流流动可分为定常流动和非定常流动。随时间变化的流动称为非定常流,或称为不稳定流、不定型流;不随时间变化的流动称为定常流,或称为稳定流、定型流。

此外,根据流动的物理性质可分为理想流体流动和粘性流体流动,还可分为不可压缩流体流动和可压缩流体流动。

流体流动不考虑其粘性作用的,称为理想流体流动。

流体流动不考虑其密度变化的,称为不可压缩流体流动。

流体流动还可分为无旋流(无涡流)和有旋流(有涡流)。在流场中,如果各处的气流微团瞬时角度为零(即无旋转),这种流动称为无旋流(无涡流);否则为有旋流(有涡流)。

2.迹线、流线、流场、流谱、流管和流面

(1)迹线 气流微团的运动轨迹称为迹线。迹线是某一气流微团在一段时间内所经过的路径,是同一气流微团在不同时刻所处位置的连线。迹线的特点是:对于每一个气流微团都有一个运动轨迹,所以迹线是一族曲线。

(2)流线 在某一瞬间,把流场内各点气流微团的运动方向连接而成的一条平滑的曲线,这曲线称为流线。这条流线曲线是这样形成的:

流场中每一点都有一个速度矢量,在某一瞬间从某一点出发,顺着该点的速度矢量向前画一微小的距离到达邻点;按该点的速度矢量再向前画一个微小的距离,到达第三点;再按第三点的速度矢量如此画下去,如图5-7所示;然后把每一段微小距离缩到无限小(近似于无数点的相连),便得到一条光滑曲线——流线。

流线有以下特点:

1)流线上每一点的切线方向就是该点气流微团的速度方向。

2)一般情况下流线彼此不能相交。但在以下三种情况例外(如图5-8所示):在速度为零的点上,通常把这点称为驻点;在速度无限大的点上,通常把这点称为奇点;在流线相切的点上(如上下两股速不同的流体在某一点相切)。

3)气流微团不会跨越流线流动。其原理是:既然气体微团的速度方向与流线相切,则不存在法线方向上的速度,因此流线如同固体壁面一样,气流微团不能跨越流线流动。

4)在定常流动时,流线与迹线必然重合;在非定常流动时,二者一般不重合。

5)流速越大的区域,流线越密集。

(3)流场 气体流动时所占据的空间称为流场。伴随着气流流动的不仅速度发生变化,相应的压强、密度、温度等物理参数也会发生变化,与之对应的也就有速度场、压强场、密度场和温度场等,其中速度场最重要。

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图5-7 流线

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图5-8 流线不能相交的三种例外情况

A—驻点 O—奇点 B—两流线相切点

下面举例说明在流场中速度、压力是怎样变化的。如图5-9所示,假如在直匀流的流场中没有放置任何物体时,气流是均一的,气流流速的方向和大小处处相同,压强也没有变化;但放置试验模型后,气流便沿着模型上、下、左、右表面流过,这时气流不再均一,每一部分气流的路径各不相同,气流的速度大小与方向由近至远发生了变化,压强也发生了变化。

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图5-9 放置模型后的流场

(4)流谱 在同一流场,上述的流线可以画出无数条。在非定常流的流场上,这些流线是同一瞬间的曲线,下一瞬间会变成另外一组曲线。用这样一些流线可以把一个具体的流场流动情况描绘出来。因此,我们把流场中某一瞬时许多流线的集合称为流线谱,简称流谱(如图5-10所示)。

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图5-10 汽车外部气流的流谱

(5)流管 流场中通过任一封闭的围线(不一定是圆形,如图5-11中的ABCDA围线)上的所有相邻的流线所形成的表面管状称为流管,如图5-11所示。流管内所有的流线总称为流束。

流线上气流微团的速度总是与流线相切,垂直于流线的速度分量为零,所以流体不能穿过流管流入或流出,流管犹如一根坚硬的管子。对于非定常流动,流场内各点的速度是变化的;而对于定常流动,流场内各点的速度则保持不变,流管的形状也保持不变。

截面为无限小的流管称为微元流管。微元流管的极限为流线。对于微元流管,可以认为其横截面上各点的速度大小相等、方向相同。

(6)流面 由许多相邻流流线排列所连成的一个曲面,称为流面(如图5-12所示)。这个曲面的首尾流线合拢即为流管,流管是流面的特例。流面也是外界气流不会穿越的一个曲面。

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图5-11 流管

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图5-12 流面

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