流体力学-流体动力学
例 用直径d=100mm的水管从水箱引水,水管水面与 管道出口断面中心高差H=4m,水位保持恒定,水头 损失hw=3m水柱,试求水管流量,并作出水头线 解:以0-0为基准面,列1-1、2-2断面的伯努利方程
H
0
0
v22 2g
hw
1
1
v2 2gH hw 4.43m / s
Q v2 A2 0.35m3 / s
2 F d v2
p1A1 F Qv2 v1
2
(f)解出F
1
(g)由牛顿第三定律,螺栓组受力F’与F大 小相等、方向相反
例:来自喷嘴的射流垂直射向挡板,射流速度v0, 流量Q,密度ρ,求挡板受射流作用力
解:a.控制体
b.受力图:F 注意:p1=p2=0
c.动量方程(水平方向):
F Q0 v0
例:水从喷嘴喷出流入大气,已知D、d、、v2, 求螺栓组受力
解:(a)取1-1、2-2断面间的水为控制体
(b)受力图p1A1,F
1
注意:(1)p2=0;
D
(2)螺栓是作用在
p1 v1
管壁上,不是作用
在控制体内,千万
不可画!
1
2 F d v2
2
(c)连续性方程
1
(d)能量方程 (e)动量方程
D p1 v1
2
ρa
p2
z1
p1ab
g
v12 2g
z2
p2ab
g
v22 2g
hw
p1
1 v1
ρ v2
2
1
z2
常用压强表示(Pa)
0 z1
0
gz1
p1ab
v12 2
gz2
p2ab
v22 2
pw
(2)用相对压强 p1ab p1 pa1
2
ρa
p2
1 p1 v1
ρ v2
2
1
z2
0 z1
0
p2ab p2 pa2 p2 pa1 a g z2 z1
2.有能量输入(Hi)或输出(H0)的伯努利方程
z1
p1
g
1v12
2g
Hi
z2
p2
g
2v22
2g
H0
hw
3.有分流(或汇流)的伯努利方程
z1
p1
g
v12 2g
z2
p2
g
v22 2g
hw12
1
2
2
z1
p1
g
v12 2g
z3
p3
g
v32 2g
hw13
1
3 3
4.水头线
总水头线 测压管水头线
水流轴线 基准线
2
z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
c
(3)物理意义
z p
g
——单位重量流体的总势能(m)
——位置水头+压强水头 u2
——单位重量流体的动能(m) 2g
——速度水头
z p u2 c
g 2g
单位重量流体的机械能守恒(总水头不变)
2.粘性流体元流的伯努利方程
z1
p1
g
u12 2g
C
B A
40m
解:(a)管内为空气时,取A、C断面列能量方程
40m
pA
v2 2
9
v2 2
v2
v2
12 9.8 1.2 91.2
2
2
A
C B
v 4.43m/ s
117.6
Q vA 0.0348 m3 / s
作压力线
pA 12 9.8 117 .6Pa
v2 11.7Pa
2
A
9 v2 106 Pa
推导:
元流的伯努利方程
z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
hw '
两边同乘以ρgdQ,积分
z1
p1
g
u12 2g
g d Q
z2
p2
g
u22 2g
hw 'gdQ
(1)势能积分
z
p
g
gdQ
z
p
g
gdQ
z
p
g
gQ
(2)动能积分
u2 2g
gdQ
u2 2g
gudA
1 2g
g
u 3dA
v3 gA v2 gQ
解:a.取1-1、2-2断面间内的流体为控制体
b.画控制体的受力图: p1A1、p2A2、F→Fx,Fy
2
p2
2
c.连续性方程: v1A1=v2A2
v2 1
d.能量方程(z1=z2=0):
p1 v12 p2 v22
p1 v1
θ α
Fx
F
g 2g g 2g
1
Fy
e.动量方程
x : p1A1 p2 A2 cos Fx Qv2 cos v1
10m
解:水温40℃,汽化压强为7.38kPa 大气压强 pa 97.3103 10m
g 992 .2 9.807
汽化压强 pv 7.38 103 0.76m
g 992 .2 9.807
1
1
10m
3 2
2 3
列1-1、2-2断面的能量方程(必须用绝对压强)
10 10 v22 0.76 v22 19.24m
p1A glAcos p2A
l cos z1 z2
z1
p1
g
z2
p2
g
c
——服从流体静力学规律
ΔA
l
p1
θG p2
z2 0
z1 0
2.例 pB gh ' gh pB ' gh gh
pA pB pC
3.急变流压强的分布
FI
沿惯性力方向,压强增加、流速减小
总流的伯努利方程
1.总流的伯努利方程
u y t
ux
u y x
uy
u y y
uz
u y z
Z
1
p z
2u z
uz t
ux
uz x
uy
uz y
uz
uz z
元流的伯努利方程
1.理想流体元流的伯努利方程
(1)推导方法一
将(1)、(2)、(3)各式分别乘以dx、dy、
dz,并相加
Xdx
Ydy
Zdz
1
p x
dx
p y
dy
p z
dz
注意:
水(ρ)-水银(ρ’) 气(ρ)-液(ρ’)
h ' h
h ' h
关于气蚀: 低压区产生汽化,高压区气泡破灭空化,它造成流 量减小,机械壁面造成疲劳破坏,这种有害作用称 气蚀(空蚀) 关于计算气蚀的例子: 大气压强97.3kPa,粗管径 d=150mm,水温40℃,收 缩管直径应限制在什么条 件下,才能保证不出现空 化?(不考虑损失)
位压线
总压线
B
例:空气由炉口a流入,通过燃烧,经b、c、d后流
出烟囱,空气ρa=1.2kg/m3,烟气ρ=0.6kg/m3,损失
压强pw=29ρv2/2,求出口流速,作出压力线,并标
出c处的各种压强 解:取a、b断面列能量方程
50m d
a
gz2
z1
v2 2
29
v2 2
1.2 0.6 9.8 50 0.6 v2 29 0.6 v2 c
z2=z1或ρa=ρ——位压为零
(ρa-ρ)g(z2-z1)——位压
2.压力线
v 2
2 动压
p 静压
a gz2 z1 位压
总压线
势压线 位压线
零压线
静压+动压=全压 静压+动压+位压=总压
3.例:气体由压强为12mmH2O的静压箱A经过直径 为10cm、长为100m的管子流出大气中,高差为 40m,沿管子均匀作用的压强损失为pw=9ρv2/2,大 气密度ρa=1.2kg/m3,(a)当管内气体为与大气温 度相同的空气时;(b)当管内为ρ=0.8kg/m3燃气 时,分别求管中流量,作出压力线,标出管中点B 的压强
2g
2g
列1-1、3-3断面的能量方程(可用相对压强)
10 v32 2g
连续性方程 d2 127 mm
v2 v3
1502
d
2 2
例:定性作水头线
总水头线
总水头线 测压管水头线
p
测压管水头线
p
总水头线
测压管水头线 p
p
总水头线 测压管水头线
气体的伯努利方程
1.气体的伯努利方程
(1)用绝对压强(m)
只有重力 gdz
不可压缩恒定流
1
dp
d
p
dux dx duy dy duz dz
dt
dt
dt
d
ux2
u
2 y
2
u
2 z
d
u2 2
Xdx
Ydy
Zdz
1
p x
dx
p y
dy
p z
dz
dux dx duy dy duz dz
dt
dt
dt
积分
gdz
d
p
d
u2 2
0
gz p u2 c
2
2
v2 294 0.6 284.2
2
5m b a 0m