Chp. 3 Kinemics. Kinemics ( 運動學 ) : descibes flid moion in ems of displcemens, elociies, nd cceleions iho egd o he foces h cse he moion.. Mhemicl Descipion of Flid Moion: To bsic mens:lgngin iepoin nd Elein iepoin. Lgngin iepoin( 座標 ): 跟隨特定之流體質點或粒子 (flid picle), 觀察此質點之物理性質隨時間之變化情形, 故其物理性質為時間之函數 即 ( (,, ρ, T... ) 說明 :A iniil ime 0, lbel ech flid picle, fo emple,, c he flid picle is posiion 0 (, c) 0 hen ime (, (, (, (, (, (, Elein iepoin: 描述空間中任一特定地點在任一時刻之物理性質, 故其物理性質為時間與位置之函數 即 (,,, 說明 (,, ) (,,, (,,, (,,, : 空間中任一特定地點在時間 之物理性質 兩者之關係 : Elein : d d d d d Lgngin : (folloing he picle) d d, d ν d, d d 代入 : d d d d d EleinLgngin hee D D d D d d d d D d d d Elein (,,, Lgngin ( : he deiie folloing flid picles, is clled "sbsnil deiie" o "meil deiie" ( 實質導數 )
locl deiie ( 局部導數 ) ν conecie deiie ( 對流導數 ) ( ) ν ( ) i j k i j k ν ν ( ) D D Sed flo( 穩定流或定量流 ): 流場中任何性質 不隨時間改變即 0 Unsed flo( 非穩定流或變量流 ): 流場中物理性質 隨時間改變即 0 Emple ),, ( (eloci :,? ),, ( D D D D
3. Semline( 流線 ),Phline( 徑線 ),Sekline( 煙線 ) Semline: 流場中 " 某一瞬時 ", 流線上任一點之速度向量即為該點之切線方向 A some insn: semline 流線之性質 :() 流線不可能相交 即 flid picle 不可能穿過流線! (b) 任一條流線皆可假想為流場中之實體邊界 (solid bond), 一組流線所構成之 " 虛擬管壁 " 即稱為流線管 (Sembe) Sembe (c) ds // ( d, d, d ) // (, ν, ) d d ν ds d ( 流線方程式 ) 3
Phline: 某一特定 flid picle 之行走軌跡 ( 路徑 ) picle A A A A 0 3 Sekline: 在某一瞬間, 將所有曾經通過空間中某一特定位置之 flid picles 在該瞬間所在位置之連線 4. Flofield( 流場 ):The skeching o ploing of semlines (Semline pice). 流場觀測為研究流體力學最基本且重要之步驟之一 5. Acceleions long he semline nd noml o he semline: s ds s fo sed flo: d s d ds d d ds d s d d d d ds d ds ( 向心力 ) C 4
6. elociies nd Acceleions in Clindicl Coodine Ssem ( 圓柱座標 ),, ( ) θ d d, d θ d θ, d d i i i θ θ d d diˆ d diˆ d diˆ iˆ θ iˆ θ iˆ iˆ iˆ iˆ θ θ θ θ d d d d d d d θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ ( 證明留做習題 ) θ 7. Moion of Flid Elemen 經過一段時間 Re of nslion ( 移動率 ): d,ν d d d, d d 5
Re of line defomion:( 線性變形率 ) [ ] ( L ) ( ) ( ) / / ε / 即在流體中速度差會造成變形! 同理 ε ; ε Re of ngl defomion( 角變形率 ): ( θ θ ) L L 同理 Men e of oion( 平均轉動率 ): R ( θ θ) 同理 R R 可推知 R ; R fo sed flo: d d d d ε d d d R d R d () () 流體之運動有四種成分在內! (3) (4) 6
oici( 旋度 ): Ω, ϖ, ξ Ω R R i R j R k i j k (cl ) i j k If Ω 0 Ioionl flo ( 非旋流 )! Ciclion ( 環流量 ) :Chp.5 再講 作業三 :Chp 3,, 5, 7, 0, 4 及推導圓柱座標, θ, 7
3. Kinemics. Kinemics ( 運動學 ):descibes flid moion in ems of displcemens elociies cceleions iho egd o he foces h cse he moion.. Mhemicl Descipions of Flid Moion: To bsic mens:() Lgngin iepoin () Elein iepoin Lgngin iepoin ( 座標 ): 跟隨特定之流體質點或粒子 (flid picle), 觀察此質點之物理性質隨時間之變化情形, 故其物理性質為時間之函數 即 ( (,,, T...) 說明 :A iniil ime, lbel ech flid picle, fo emple,, 0 c he flid picle is posiion, c 0 0 hen ime,,,,,,
Elein iepoin: 描述空間中任一特定地點在任一時刻之物理性質, 故其物理性質為時間與位置之函數 即 (,,, 說明 : 空間中任一特定地點 (,,, ) 在時間 之物理性質 兩者之關係 :,,,,,,,,, Elein : d d d d d Lgngin : (folloing he picle) d d, d d, d d 代入 : d d d d d 3 EleinLgngin hee d D d d d d d d d D Elein (,,, ) Lgngin ( ) D :he deiie folloing flid picles, is clled "sbsnil D deiie" o "meil deiie" ( 實質導數 ) locl deiie ( 局部導數 ) conecie deiie ( 對流導數 ) D D iˆ j ˆ kˆ iˆ ˆ j kˆ 4
Sed flo( 穩定流或定量流 ): 流場中任何性質 不隨時間改變即 0 Unsed flo( 非穩定流或變量流 ): 流場中物理性質 隨時間改變 即 0 D D D D Emple :?, ),, ( ),, ( (eloci 5 3. Semline( 3. Semline( 流線流線 ),Phline( Phline( 徑線徑線 ),Sekline( Sekline( 煙線煙線 ) Semline: 在流場中 某一瞬間, 定義流線上任一點之速度向量即為該點之切線方向 [ 不易描繪 ] 流線之性質 :() 兩條流線絕不可能相交 6 意即 flid picle 絕不可能穿過流線!
(b) 因此任一條流線均可假想為流場中之實體邊界 (Solid bond), 而一組流線所構成之 虛擬管壁 即稱為流線管 (Sembe) (c) ds // ( d, d, d)//(,, ) d d d ( 流線方程式 ) 7 Phline: 某一特定 flid picle 之行走軌跡 ( 路徑 ) [ 連續曝光 ] Sekline: 在 某一瞬間, 將所有曾經通過空間中某一特定位置之 flid picles 在該瞬間所在位置之連線 [ 瞬間曝光 ] 8
若流場為穩定流 (Sed flo) 其流線 徑線 與煙線均相同 4. Flofield Obseion ( 流場觀測 ): The skeching o ploing of semlines (Semline pice). 流場觀測為研究流體力學最基本且重要之步驟之一 PI (Picle imge elocime) 瞬間曝光煙線 長時間連續曝光徑線 9 Semlines ond simme Speedo LZR Rce Simsi (Lo-dg hdophobic fbi Feb 008) Semlines simled b CFD 0
折射流場可視化技術 Shdogm Schlieen imge Timelines Hdogen bbble ie
Pofile Plos ( 速度剖面圖 ) 3 eco Plos ( 速度向量圖 ) 4
灰階壓力場圖 等壓力線圖 5 5. Acceleions long he semline nd noml o he semline: Fo sed flo: s d s d d d ds d d d d ds ds d d ds ( 向心加速度 ) 6
6. Moion of Flid Elemen 經過一段時間 7 Re of nslion ( 移動率 ): d d,, d d d d Re of line defomion:( 線性變形率 ) L/ / / 即在流體中速度差會造成變形! 同理 ; 8
Re of ngl defomion( 角變形率 ): L L 同理 9 Men e of oion( 平均轉動率 ): R 同理 R R fo sed flo: d d d d 可推知 ; R R 0 (4) (3) () () d R d R d d d 流體之運動有四種成分在內!
oici( 旋度 ):,, k R j R i R R ˆ ˆ ˆ k j i k j i ˆ ˆ ˆ ) cl ( ˆ ˆ ˆ If Ioionl flo ( 非旋流 )! 0 Roionl flo Ioionl flo