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热传导特性下的柱坐标系能量方程简化及温度分布方程推导

时间:2023-06-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据该问题热传导的特点,简化柱坐标系中的能量方程,推导物体内部的温度分布方程。

热传导特性下的柱坐标系能量方程简化及温度分布方程推导

3.1 基本概念题

(1)简述流体运动分类的几种形式和数学表达式。

(2)在运动过程中,流体受到几种力?给出每种力的物理意义和数学表达式。

(3)简述流体微团运动的3种形式,给出具体的数学描述。

(4)理想流体和黏性流体的本质区别是什么?在静止时,黏性流体有没有剪切应力?在运动时,理想流体有没有剪切应力?静止时,流体没有剪切应力,那它们是不是都没有黏性?

(5)设流体速度不为零u≠0,分别说明,(u·Δ)u=0的物理意义。

(6)简述二阶应力张量的定义和性质,写出二阶应力张量的几种数学表达式。

3.2 在三维不可压缩流场中,已知xy方向的速度分量,用连续性方程,试求流场中的uz表达式。

(1)已知速度分量uxx2+y2z3uy=-(xy+yz+zx),且已知z=0处uz=0;

(2)已知速度分量为uxx2+z2+5,uyy2+z2-3,且已知z=0处uz=0。

3.3 已知流体流动的速度分量,请判断流场是否是可压缩的?若流体的黏度是μ,求其黏性法向应力和切应力pxxpyyτxy

(1)ux=2axuy=-2ay

(2)

3.4 在直角坐标系里,给出不可压缩流体

(1)变形速度张量的3个不变量用速度表示的公式,

(2)应力张量的3个不变量用速度表述的公式。

3.5 设某一流体流动u=(2y+3z)i+(3z+x)j+(2x+4y)k,流体的黏度系数μ=0.008N·s/m2,求该流体流动的线变形率、角变形率和转动角速度,计算该流体应力张量分量的值。

3.6 使用球坐标系的变形速度分量公式,写出球坐标系变形速度张量表达式。

3.7 从空间、时间和运动形式判别下列运动的类型。若在整个流场中rotuΔ×u=0,则此流动为无旋流动,反之为有旋流动。请判断流场是否为有旋场?

(1)uyzti+zxtj

(2)

(3)

(4)

3.8 利用流体流动的特点,简化本章已建立的柱坐标系连续性方程,推导下述各种流动情况非稳态连续性方程[2]:

(1)平面辐射性流动;

(2)空间辐射性流动;

(3)流体都在通过某一直线的平面上流动;

(4)流体做垂直于某固定直线的圆运动,圆心都位于该直线上;(www.xing528.com)

(5)流体在共轴线的圆柱面上流动;

(6)流体在共轴线并有共同顶点的锥面上流动。

3.9 用连续性方程,分别简化推导确定

(1)稳定场的连续性方程;

(2)不可压缩流体的连续性方程,并给出柱坐标系和球坐标系不可压缩流体的连续性方程。

3.10 在流动的流体中取侧面为S的一流管,流管的两个不同横截面S1S2,设由S1S2S三面所包围的体积为V,流体流动速度为u,对该流体运用质量守恒,求[2]:

(1)一般情况下的质量守恒定律的数学表达式,证明各截面上流量相同;

(2)可压缩流体定常流动的质量守恒定律的数学表达式;

(3)不可压缩流体流动的质量守恒定律的数学表达式。

3.11 不可压缩流体Δ·u=0,求下列速度场成为不可压缩流体的流动条件[2]

(1)u=(a1x+b1y+c1z)i+(a2x+b2y+c2z)j+(a3x+b3y+c3z)k

(2)uaxyi+byzj+(cyz+dz2)k

(3)uCxyzi+Cxyzt2j+0.5Cz2(xt2-yt)k

3.12 假定流管形状不随时间变化,设A为流管的横截面积,u为流速,ds是流动方向的微团弧长,在A截面上流动的物理量是均匀的,证明连续性方程[2]

3.13 某不可压缩流体稳定流过一分支管路,总管与两个分支管路相连接。已知总管内径为25mm,支管1内径10mm,平均流速为2m/s;支管2内径r2=20mm,其速度分布为,试计算通过总管截面的平均流速ub[4]

3.14 用欧拉法对球坐标微团体进行质量衡算,推导球坐标系的连续性方程

3.15 设有一流体流动存在,分别在不同的坐标系下,用动量定理分析流体微团的受力,推导不可压缩流体微分型运动方程。

(1)直角坐标系运动方程;

(2)球坐标系运动方程;

(3)柱坐标系运动方程。

3.16 设某一流体流动存在,运用能量守恒定律,考察流体微团的能量守恒,分别在不同的坐标系下,推导不可压缩流体微分型能量方程。

(1)柱坐标系的能量方程;

(2)球坐标系的能量方程。

3.17 一无限长圆柱体形固体物料,设外表面保温良好,沿θ方向进行一维稳态热传导。已知边界条件为(a)T(θ=0)=T0;(b)T(θ=π)=Tπ。根据该问题热传导的特点,简化柱坐标系中的能量方程,推导物体内部的温度分布方程。

3.18 简述热量传递的几种形式,给出物理定义和具体的数学描述。

3.19 什么是初始条件?给出两类初始条件的表达式。简述输运控制方程的边界条件的数学分类。简述黏性流体流动中常用的边界条件。

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