工程流体力学ppt课件3流体动力学基础

第第第第1 1章章章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质第第第第2 2章章章章 流体静力学流体静力学流体静力学流体静力学第第第第3 3章章章章 流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基础第第第第4 4章章章章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失第第第第5 5章章章章 孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流孔口、管嘴出流及有压管流第第第第6 6章章章章 明渠均匀流明渠均匀流明渠均匀流明渠均匀流第第第第7 7章章章章 明渠水流的两种流态及其转换明渠水流的两种流态及其转换明渠水流的两种流态及其转换明渠水流的两种流态及其转换第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动1第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础第一节第一节 描述流体运动的两种方法描述流体运动的两种方法第二节第二节 流体运动的基本概念流体运动的基本概念第三节第三节 恒定流动的连续性方程恒定流动的连续性方程第四节第四节 恒定元流的能量方程恒定元流的能量方程第五节第五节 恒定总流的能量方程恒定总流的能量方程第六节第六节 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程第三章流体动力学基础第一节描述流体运动的两种方法第2教学目的和任务教学目的和任务 教学目的教学目的：掌握研究流体运动的方法，了解流体流动：掌握研究流体运动的方法，了解流体流动的基本概念。的基本概念。通过分析得到理想流体运动的基本规律，通过分析得到理想流体运动的基本规律，为后续流动阻力计算、管路计算打下牢固的基础。为后续流动阻力计算、管路计算打下牢固的基础。基本内容基本内容（1 1）正确使用流体流动的连续性方程式；）正确使用流体流动的连续性方程式；（2 2）弄清流体流动的基本规律）弄清流体流动的基本规律伯努利方程，得出伯努利方程，得出比较符合客观实际的计算公式；掌握伯努利方程的物理比较符合客观实际的计算公式；掌握伯努利方程的物理意义、几何意义、使用条件及其应用。意义、几何意义、使用条件及其应用。（3 3）动量方程的应用）动量方程的应用教学目的和任务教学目的：掌握研究流体运动的方法，了解流体流3重、难点1.1.连续性方程、伯努利方程和动量方程。连续性方程、伯努利方程和动量方程。2.2.应用三大方程联立求解工程实际问题。应用三大方程联立求解工程实际问题。重、难点4 静止流体（不论静止流体（不论理想或实际流体）理想或实际流体）运动理想流体运动理想流体pP=-pnpP=-pnp：动压强动压强 p：静压强静压强 定义流体的动压强流体的动压强第一节第一节 描述流体运动的两种方法描述流体运动的两种方法静止流体（不论理想或实际流体）运动理想流体pP=-p5流场流场 充满运动流体的空间称为流场充满运动流体的空间称为流场描述流体运动的方法描述流体运动的方法拉拉拉拉格格格格朗朗朗朗日日日日法法法法：跟跟跟跟踪踪踪踪 着着眼眼于于流流体体质质点点，跟跟踪质点并描述其运动历程踪质点并描述其运动历程欧欧欧欧拉拉拉拉法法法法：布布布布哨哨哨哨 着着眼眼于于空空间间点点，研研究究质质点点流经空间各固定点的运动特性流经空间各固定点的运动特性流场充满运动流体的空间称为流场描述流体运动的方法拉6一、拉格朗日法一、拉格朗日法：研究对象为流场中的各研究对象为流场中的各流体质流体质点点，也即研究流场中每个流体质点的运动参数随，也即研究流场中每个流体质点的运动参数随时间时间 t t 的变化规律。的变化规律。初始时刻初始时刻t0 某质点（某质点（a,b,c,to）新的时刻新的时刻t 质点质点 (x,y,z,t)a,b,c,t 拉格朗日变量拉格朗日变量流场中全部质点都包含流场中全部质点都包含在（在（a,b,ca,b,c）的变数中）的变数中一、拉格朗日法：研究对象为流场中的各流体质点，也即研究流场中7 该法概念清晰，易懂；但数学计算繁琐，表达式不该法概念清晰，易懂；但数学计算繁琐，表达式不易简化。易简化。使用不广泛使用不广泛。其它运动要素和物理量的时间历程也可用拉格朗日其它运动要素和物理量的时间历程也可用拉格朗日法描述，如速度、密度等法描述，如速度、密度等.该法概念清晰，易懂；但数学计算繁琐，表达式不易简化。8二、欧拉法：二、欧拉法：研究对象为流场中的各研究对象为流场中的各空间点空间点，也即研究流体质点在某一也即研究流体质点在某一时刻时刻 t t 经过某一经过某一空间点时的运动参数的变化规律。空间点时的运动参数的变化规律。不同时刻不同的流体质点通过空不同时刻不同的流体质点通过空间某一点间某一点,即即分析流动空间某固分析流动空间某固定位置处，流体运动要素（速度、定位置处，流体运动要素（速度、加速度）随时间变化规律加速度）随时间变化规律同同一一流流体体质质点点在在不不同同时时刻刻经经过过空空间间不不同同点点，即即分分析析某某一一空空间间位位置置转转移移到到另另一一位位置置，运运动动要要素素随随位位置变化的规律置变化的规律二、欧拉法：研究对象为流场中的各空间点，也即研究流体质点在某9x,y,z,t 欧拉变量欧拉变量由由 该法概念抽象，不易懂；但数学表达式简洁易算。该法概念抽象，不易懂；但数学表达式简洁易算。使使用广泛用广泛。x,y,z,t欧拉变量由该法概念抽象，不易懂；但10=+质点加速度 位变加速度由流速不均由流速不均匀性引起匀性引起时变加速度由流速由流速不恒定不恒定性引起性引起=+质点加速度位变加速度由流速不均匀性引起时变11第二节第二节 流体运动的基本概念流体运动的基本概念一、恒定流：一、恒定流：非恒定流：非恒定流：一切和流体力学有关的物理量一切和流体力学有关的物理量均与时间均与时间t 无关无关的流动。即的流动。即和流体力学有关的物理量只要有任何和流体力学有关的物理量只要有任何一个一个随时间随时间t 变化变化的流动。的流动。Hu若水位若水位 H 保持不变保持不变(稳定水头的出稳定水头的出流流)，称为，称为恒定出流恒定出流。若水位若水位 H 持续下降（变水头的出流）持续下降（变水头的出流），称为，称为非恒定出流非恒定出流。第二节流体运动的基本概念一、恒定流：一切和流体力学有关的物12流流动动是是否否恒恒定定与与所所选选取取的的参参考考坐坐标标系系有有关关,因因此此是是相相对对的的概念。概念。流动是否恒定与所选取的参考坐标系有关,因此是相对的概念。13二、迹线与流线二、迹线与流线质点由质点由 t1 运动至运动至 t2 时所经过的时所经过的轨迹线轨迹线。迹线：迹线：zyxt1odl迹线微分方程迹线微分方程二、迹线与流线质点由t1运动至t2时所经过的轨迹线。14 对对不同不同的质点，迹线的质点，迹线的形状可能的形状可能不同不同；对一对一确定确定的质点，其的质点，其轨迹线的形状轨迹线的形状不随时间不随时间变化。变化。对不同的质点，迹线的形状可能不同；15 流线：流线：是流场中的是流场中的瞬时光滑曲线瞬时光滑曲线，曲线上各点的，曲线上各点的切线方向切线方向与经过该点的流体质点的瞬时与经过该点的流体质点的瞬时速度方向速度方向一致。一致。两矢量方向一致，则其叉积为零。两矢量方向一致，则其叉积为零。流线微分方程流线微分方程dl流线：是流场中的瞬时光滑曲线，曲线上各点的切线方向与经过该16流线是同一流线是同一时刻流场中时刻流场中连续各点的连续各点的速度方向线。速度方向线。流线是同一时刻流场中连续各点的速度方向线。17 流线的特性：流线的特性：v 对于对于恒定流恒定流，流线的形状、位置不随时间变化，流线的形状、位置不随时间变化，且且流线与迹线重合流线与迹线重合。v 实际流场中，除实际流场中，除驻点驻点、滞点滞点和和奇点奇点外，流线外，流线不能不能相交相交，不能折转不能折转。u1u2驻点驻点u=0源源点点汇汇点点流线的特性：对于恒定流，流线的形状、位置不随时间变化，且18流线可以用来表流线可以用来表现流场；现流场；通过作流线可使通过作流线可使流场中的流动情流场中的流动情形更为明白；形更为明白；对于不可压缩流对于不可压缩流体，流线还能定体，流线还能定性地反映出速度性地反映出速度的大小。的大小。流线的应用流线的应用流线可以用来表现流场；流线的应用19迹线流线xyoM(-1,-1)t=0 时过时过 M(-1,-1)(-1,-1)点的流线和迹线示意图点的流线和迹线示意图迹线流线xyoM(-1,-1)t=0时过M(-1,-20三、流管，元流，总流三、流管，元流，总流 注：注：流体质点流体质点不能穿越不能穿越流面两侧或流管流面两侧或流管面内外流动。面内外流动。流流面面流流管管 充满于流管中的流体称为充满于流管中的流体称为流束流束。若流管的横截面积为无穷小，所得若流管的横截面积为无穷小，所得流束为流束为元流（微元流束）元流（微元流束）。由无穷多元流组成的总的流束称为由无穷多元流组成的总的流束称为总流总流，即封闭曲线，即封闭曲线取在流场边界上。取在流场边界上。在某时刻，流场中作一条非流线的曲线，对该曲在某时刻，流场中作一条非流线的曲线，对该曲线上每一点画流线，由这些流线所形成的空间面称为线上每一点画流线，由这些流线所形成的空间面称为流面流面。若所作非流线的曲线是封闭的，则由流线所形成若所作非流线的曲线是封闭的，则由流线所形成的管状曲面称为的管状曲面称为流管流管。三、流管，元流，总流注：流体质点不能穿越流面两侧或流管面内21 总流总流有压流有压流边界全部是固体边界全部是固体,流动主要依靠压流动主要依靠压力推动；如供水管道；液压管路力推动；如供水管道；液压管路无压无压流流边界部分是固体，部分是液体，流体的边界部分是固体，部分是液体，流体的流动是靠重力实现的；如河流、明渠流动是靠重力实现的；如河流、明渠射流射流边界不与固体接触，靠消耗自身动边界不与固体接触，靠消耗自身动能来实现流动；如水枪能来实现流动；如水枪总流有压流边界全部是固体,流动主要依靠压力推动；如供水管道22四、过流断面，流量，四、过流断面，流量，断面平均流速断面平均流速 与流束中所有流线垂直的横截面称为与流束中所有流线垂直的横截面称为过流断面过流断面（过水断面）。（过水断面）。元流的过流断面面积为元流的过流断面面积为 dA，总流的为总流的为 A。单位时间内通过元流或总流过流单位时间内通过元流或总流过流断面的流体量称为断面的流体量称为流量流量。若流体量以若流体量以体积体积来度量：体积流量来度量：体积流量 QV若流体量以若流体量以质量质量来度量：质量流量来度量：质量流量 Qmm3/s，L/skg/s平平面面曲曲面面四、过流断面，流量，与流束中所有流线垂直的横截面称为23若元流中任一流体质点的速度为若元流中任一流体质点的速度为 u（点速点速），），则则 对整个过流断面取对整个过流断面取平均平均速度速度 v（均速均速），则，则即即注：注：断面平均流速断面平均流速 v 为假想流速，用于求解其它量时会为假想流速，用于求解其它量时会产生误差，应进行产生误差，应进行修正修正。流速流速vu若元流中任一流体质点的速度为u（点速），则对整个过24五、流动的分类五、流动的分类 按影响流动的空间自变量分：按影响流动的空间自变量分：（点的运动）：（点的运动）：=f(x)（平面运动）（平面运动）：=f(x,y)（空间运动）（空间运动）：=f(x,y,z)一元流一元流二元流二元流三元流三元流 按流线是否相互平行分：按流线是否相互平行分：过流断面的过流断面的大小大小，形状形状及及方向方向沿流程沿流程均不发生变化的流动。均不发生变化的流动。：过流断面有上述一项或几项发生变化过流断面有上述一项或几项发生变化的流动。的流动。均匀流均匀流非均匀流非均匀流五、流动的分类按影响流动的空间自变量分：（点的运动）：25位变加速度=0？均匀流均匀流非均匀流非均匀流第三节第三节 均匀流特性均匀流特性判别判别 均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流线要么是曲线，要么是不相平行的直线。的流线要么是曲线，要么是不相平行的直线。位变加速度=0？均匀流非均匀流第三节均匀流特性26 均匀流过水断面上的压强分布规律均匀流过水断面上的压强分布规律符合水静符合水静 力学基本规律，力学基本规律，即：即：均匀流特性：均匀流特性：过流断面为过流断面为平面，平面，且形状、尺寸沿流程不变。且形状、尺寸沿流程不变。均匀流中，同一流线上不同点的流速应相均匀流中，同一流线上不同点的流速应相 等，从而各过流断面上的等，从而各过流断面上的流速分布流速分布相同，相同，断断 面平均速度相等。面平均速度相等。均匀流过水断面上的压强分布规律符合水静均匀流特性：27 在在同一过流断面同一过流断面上，流体动压强分布规律上，流体动压强分布规律与静压强相同。与静压强相同。即即或或证明：证明：对微元柱体在对微元柱体在nn方向受力分析如下方向受力分析如下柱体两端面压力柱体两端面压力pdA与与(p+dp)dA表面力：表面力：质量力：质量力：有重力分量有重力分量对对nn，整理并积分，得整理并积分，得dAdhz+dz0nnp+dppGz0在同一过流断面上，流体动压强分布规律与静压强相同。即28工程流体力学ppt课件3流体动力学基础29 非均匀流非均匀流非均匀流30是否接近是否接近均匀流均匀流？渐变流渐变流流线虽不平行，但夹角较小；流线虽不平行，但夹角较小；流线虽有弯曲，但曲率较小。流线虽有弯曲，但曲率较小。急变流急变流流线间夹角较大；流线间夹角较大；流线弯曲的曲率较大。流线弯曲的曲率较大。是是否否渐变流和急变流是工程意义上对流动是否符合均匀流条件渐变流和急变流是工程意义上对流动是否符合均匀流条件的划分，两者之间没有明显的、确定的界限，需要根据实的划分，两者之间没有明显的、确定的界限，需要根据实际情况来判定。际情况来判定。是否接近均匀流？渐变流流线虽不平行，但夹角较小；流线虽有弯31渐变流过流断面上测压管水头是常数渐变流过流断面上测压管水头是常数31OO1232渐变流过流断面上测压管水头是常数31OO12323223z1z3z2OO1急变流过流断面上测压管水头不是常数急变流过流断面上测压管水头不是常数离心力方向离心力方向23z1z3z2OO1急变流过流断面上测压管水头不是常数离心33静水压强分布静水压强分布动水压强分布动水压强分布静水压强分布静水压强分布动水压强分布动水压强分布动压和静压的差提供向心力动压和静压的差提供向心力静水压强分布动水压强分布静水压强分布动水压强分布动压和静压的34孔口面的压孔口面的压强水头线强水头线 流体通过水箱上的孔口的流动。流体通过水箱上的孔口的流动。孔口面的压强水头线流体通过水箱上的孔口的流动。35 明渠流中，如果流线的不平行程度和弯曲程度太大，明渠流中，如果流线的不平行程度和弯曲程度太大，在过流断面上，垂直于流线方向就产生在过流断面上，垂直于流线方向就产生离心惯性力离心惯性力，这，这时，再将过流断面上的动压强按静压强看待所引起的偏时，再将过流断面上的动压强按静压强看待所引起的偏差就会很大。差就会很大。图图a a为一流线上凸的为一流线上凸的急变流，离心惯性力急变流，离心惯性力的方向与重力沿的方向与重力沿n-nn-n轴方向的分力相反，轴方向的分力相反，因此使过流断面上动因此使过流断面上动压强比静压强要小。压强比静压强要小。明渠流中，如果流线的不平行程度和弯曲程度太大，在过流断面上36 图图b b为一流线下凹为一流线下凹的急变流，离心惯的急变流，离心惯性力的方向与重力性力的方向与重力沿沿n-nn-n轴方向的分力轴方向的分力相同，因此使过流相同，因此使过流断面上动压强比静断面上动压强比静压强要大。压强要大。图b为一流线下凹的急变流，离心惯性力的方向与重力沿n-n轴37 如图所示：水流通过由两段等截面和一段变截如图所示：水流通过由两段等截面和一段变截面组成的管道，如果上游水位保持不变，试问：面组成的管道，如果上游水位保持不变，试问：1 1）当阀门开度一定时，各段管中是恒定流还是）当阀门开度一定时，各段管中是恒定流还是非恒定流？是均匀流还是非均匀流？非恒定流？是均匀流还是非均匀流？2 2）当阀门逐渐关闭时，这时管中是恒定流还是）当阀门逐渐关闭时，这时管中是恒定流还是非恒定流？非恒定流？3 3）在恒定流情况下，当判别第）在恒定流情况下，当判别第IIII段管中是缓变段管中是缓变流还是急变流时，与该段管长有无关系？流还是急变流时，与该段管长有无关系？如图所示：水流通过由两段等截面和一段变截面组成的管道，如果38 区分均匀流及非均匀流与过流断面上流速区分均匀流及非均匀流与过流断面上流速分布是否均匀有无关系？是否存在分布是否均匀有无关系？是否存在“非恒定非恒定均匀流均匀流”与与“恒定急变流恒定急变流”？当水箱水面恒定时：当水箱水面恒定时：a)a)为恒定均匀流；为恒定均匀流；b)b)为恒定非均匀流。为恒定非均匀流。当水箱水面不恒定时：当水箱水面不恒定时：a)a)为非恒定均匀流；为非恒定均匀流；b)b)为非恒定非均匀流。为非恒定非均匀流。区分均匀流及非均匀流与过流断面上流速分布是否均匀有无关系？39 在明渠恒定均匀流过流断在明渠恒定均匀流过流断面上面上1 1、2 2两点安装两点安装2 2根测压根测压管，如图，试判断：管，如图，试判断：h h1 1hh2 2 h h1 1hhh2 2 h h1 1h u4，所以所以 p2 u4，所以p2 u4，得得 p2 p4v1A1=v2A2v1v2(p4-p2)【例】机翼升力原理可知，流体速度小的地方流线稀疏，速56水银D1 2【例】【例】如图所示，在如图所示，在D=150mmD=150mm的水管中，装一附有的水管中，装一附有水银压差计的毕托管，用以测量管轴心处的流速。水银压差计的毕托管，用以测量管轴心处的流速。如果如果1 1、2 2两点相距很近且毕托管加工良好，水流经两点相距很近且毕托管加工良好，水流经过时没有干扰；管中水流平均速度为管轴处流速的过时没有干扰；管中水流平均速度为管轴处流速的0.840.84倍。问此时水管中的流量为多少？倍。问此时水管中的流量为多少？水银D12【例】如图所示，在D=150mm的水管中，装一附有57要求流量，先求流速。要求流量，先求流速。【解】【解】假设在过水断面上假设在过水断面上1-11-1及及2-22-2上压强按静压规律分布，即：上压强按静压规律分布，即：要求流量，先求流速。【解】假设在过水断面上1-1及2-2上压58对总流对总流（1 1）势能积分）势能积分取不可压缩流的渐变流（均匀流），由取不可压缩流的渐变流（均匀流），由 ，得，得第六节第六节 恒定总流的能量方程恒定总流的能量方程急变流不能作为能量方程的计算断面急变流不能作为能量方程的计算断面对总流（1）势能积分取不可压缩流的渐变流（均匀流），由59（2 2）动能积分）动能积分以平均流速代替实际点速以平均流速代替实际点速其中其中 动能修正系数动能修正系数 称为动能修正系数。它是一个大于称为动能修正系数。它是一个大于 1.0 的数，其的数，其大小取决于断面上的流速分布。流速分布越均匀，越大小取决于断面上的流速分布。流速分布越均匀，越接近于接近于 1.0；流速分布越不均匀，；流速分布越不均匀，的数值越大。在的数值越大。在一般的渐变流中的一般的渐变流中的 值为值为 1.05-1.10.为简单起见为简单起见，也常近似地取，也常近似地取 =1.0.（2）动能积分以平均流速代替实际点速其中动能修正系数60（3 3）能量损失积分）能量损失积分综合以上三项，得综合以上三项，得其中其中 Q1=Q2=Q,得得总流总流伯努利方程伯努利方程（3）能量损失积分综合以上三项，得其中Q1=Q2=61物理意义：物理意义：单位重量流体从单位重量流体从1 11 1断面流至断面流至2 22 2断面断面 产生的产生的机械能损失机械能损失或或水头损失水头损失使用条件使用条件：（1 1）流动必须是恒定流，并且流体是不可压缩的。）流动必须是恒定流，并且流体是不可压缩的。（2 2）作用于流体上的质量力只有重力。）作用于流体上的质量力只有重力。（3 3）所取的上下游两个断面应在渐变流段中，但在两个断）所取的上下游两个断面应在渐变流段中，但在两个断 面之间流动可以不是渐变流。面之间流动可以不是渐变流。（4 4）两断面之间没有分流和汇流，流量保持不变。）两断面之间没有分流和汇流，流量保持不变。单位重量流体过水断面上的单位重量流体过水断面上的平均动能平均动能物理意义：单位重量流体从11断面流至22断面使用条62一、总流伯努利方程的应用一、总流伯努利方程的应用 文丘里流量计文丘里流量计v 过流断面选择过流断面选择v 作基准面作基准面0 00 0，定计算点，定计算点v 简化方程简化方程取取hw=0，且，且1=2=1，得得d11d2221Qh1h2一、总流伯努利方程的应用过流断面选择作基准面00，定计63v 增加方程增加方程连续性方程连续性方程：即即得得则则修正后得修正后得流量修正系数，常取流量修正系数，常取0.98增加方程连续性方程：即得则修正后得流量修正系数，常取642d22Qd111斜置思考 文透里管可文透里管可 否斜置否斜置?思考：当喉管管径过细时会出现什么情况？思考：当喉管管径过细时会出现什么情况？2d22Qd111斜置思考文透里管可思考：当喉管管径过细65二、总流伯努利方程的推广二、总流伯努利方程的推广v 分支流的伯努利方程分支流的伯努利方程 由由总流能量守恒总流能量守恒得得同时满足连续方程同时满足连续方程 Q1 Q2+Q3 由由单位重量流体能量（比能）守恒单位重量流体能量（比能）守恒得得二、总流伯努利方程的推广分支流的伯努利方程由总流能量守恒66v 有机械功输入（或输出）的伯努利方程有机械功输入（或输出）的伯努利方程 流体流经水泵或风机等时，获得能量流体流经水泵或风机等时，获得能量 E（+）；流经水轮流经水轮机等时，失去能量机等时，失去能量 E（）（）。E 为水泵加给单位重量流体的能量，即水泵的扬程为水泵加给单位重量流体的能量，即水泵的扬程。1212有机械功输入（或输出）的伯努利方程流体流经水泵或风671122ooz水泵管路系统水泵管路系统=000z水泵水泵1122ooz水泵管路系统=000z水泵68水泵轴功率水泵轴功率单位时间单位时间水流获得水流获得总能量总能量分子分子水泵效率水泵效率分母分母扬扬程程扬扬程程提水提水高度高度水泵轴功率单位时间水流获得总能量分子水泵效率分母扬程扬程提水69引水渠引水渠压力钢管压力钢管水轮机水轮机122ooz1水轮机管路系统水轮机管路系统=z 0=00引水渠压力钢管水轮机122ooz1水轮机管路系统=z0=70水轮机功率水轮机功率单位时间单位时间水流输出水流输出总能量总能量水轮机水轮机效率效率扬扬程程水轮机作水轮机作用水头用水头不包括水不包括水轮机系统轮机系统内的损失内的损失水轮机功率单位时间水流输出总能量水轮机效率扬程水轮机作用水头71【例】【例】水泵吸水管系统：装机高度水泵吸水管系统：装机高度Hs=3m，管直径管直径d=0.25m，吸水管损失吸水管损失 ，泵内真空高度为泵内真空高度为4.08mH2O，求流量求流量。【解】【解】对对1 11 1，2 22 2断面列写伯努利方程断面列写伯努利方程以相对压强计，并取以相对压强计，并取121 ，则则代入数据，得代入数据，得注：注：方程两端可同时使用方程两端可同时使用绝对压强绝对压强或或相对压强相对压强，但，但不能不能使使用用真空压强真空压强。1122【例】水泵吸水管系统：装机高度Hs=3m，管直径d=0.272对对液液体体，能能量量方方程程左左右右两两边边的的压压强强既既可可用用绝绝对对压压强强也也可可用用相相对对压压强强，对对气气体体则则只只能能用用绝绝对对压压强强，因因为为气气体体的的密密度度与与外外界界空空气气的的密密度度相相差差不不大大，如如想想用用相相对对压压强强，则则需需考虑外部大气压在不同高程的差值。考虑外部大气压在不同高程的差值。上式就是以相对压强表示的气流的能量方程式上式就是以相对压强表示的气流的能量方程式v 气流的伯努利方程气流的伯努利方程对液体，能量方程左右两边的压强既可用绝对压强也可用相对压强，73其中其中（直通大气）（直通大气）v 烟囱自然排烟的伯努利方程烟囱自然排烟的伯努利方程【解】【解】对对1-1,2-21-1,2-2断面列写伯努利方程断面列写伯努利方程烟气平均流速为烟气平均流速为【例】【例】烟囱烟囱D=2m，H=30m，Q=9.42m3/s，a=1.2kg/m3,=0.535kg/m3，,求烟囱底求烟囱底部的相对压强。部的相对压强。2211其中（直通大气）烟囱自然排烟的伯努利方程【解】对1-1,274高层建筑美国纽约世贸大厦美国纽约世贸大厦委内瑞拉首都双子塔委内瑞拉首都双子塔高层建筑美国纽约世贸大厦委内瑞拉首都双子塔75水平基准线水平基准线位置水头线位置水头线测压管水头线测压管水头线总水头线总水头线oo三、伯努利方程的水头线图三、伯努利方程的水头线图水平基准线位置水头线测压管水头线总水头线oo三、伯努利方程的76水力坡度水力坡度水水力力坡坡度度表表示示单单位位重重量量流流体体在在单单位位长度流程上损失的平均水头。长度流程上损失的平均水头。测压管水头线可能在位置水头线以测压管水头线可能在位置水头线以下，表示当地压强是负值。下，表示当地压强是负值。测压管坡度测压管坡度 若若为为均均匀匀流流，沿沿流流程程流流速速不不变变，则则总总水头线平行于测压管水头线，水头线平行于测压管水头线，J Jp p=J=J。水力坡度水力坡度表示单位重量流体在单位长度流程上损失的平均水77第七节第七节 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程对对恒定元流恒定元流，取，取1 12 2为控制体为控制体dt时间内，元流的动量增量为时间内，元流的动量增量为如果如果不可压流不可压流，总流的动量增量为，总流的动量增量为一、推导一、推导第七节恒定总流的动量方程对恒定元流，取12为控制体dt时78由动量定理：由动量定理：总流总流动量方程动量方程 动量修正系数动量修正系数 对速度小的流体，对速度小的流体，4/3;4/3;对常见的速度大的对常见的速度大的流体流体,11。由动量定理：总流动量方程动量修正系数对速度小的流79二、恒定总流动量方程的二、恒定总流动量方程的标量形式标量形式：（1 1）使用条件：使用条件：恒定不可压流恒定不可压流，渐变流渐变流（2 2）1 11 1断面：断面：2 22 2断面：断面：（3 3）外力外力 F F 包括包括：所有的所有的流入流入断面断面所有的所有的流出流出断面断面重力，端面压力，固体对流体的作用力。重力，端面压力，固体对流体的作用力。二、恒定总流动量方程的标量形式：（1）使用条件：恒定不可压流80三、方程的推广和应用三、方程的推广和应用外力（所有外力（所有流出流出控制体控制体的流体动量）（所有的流体动量）（所有流流入入控制体的流体动量）控制体的流体动量）v 分支流的动量方程分支流的动量方程取图中取图中虚线虚线包围部分为包围部分为控制体控制体三、方程的推广和应用外力（所有流出控制体的流体动量）（所81恒定流动恒定流动过流断面是均匀流或渐变流断面过流断面是均匀流或渐变流断面不可压缩流体不可压缩流体动量方程中的压强动量方程中的压强只能用相对压强只能用相对压强。因为对所选的隔离体，周界上均作用了因为对所选的隔离体，周界上均作用了大小相等的大气压强，而任何一个大小大小相等的大气压强，而任何一个大小相等的应力分布对任何封闭体的合力为相等的应力分布对任何封闭体的合力为0 0。解决解决急变流动急变流动中，流体与边中，流体与边界之间的相互作用力问题。界之间的相互作用力问题。v 应用条件应用条件v 作用作用v 注意注意恒定流动动量方程中的压强只能用相对压强。解决急变流动中，流体82四、方程的应用步骤四、方程的应用步骤选取适当的过流断面与隔离体选取适当的过流断面与隔离体 隔离体应包括动量发生的全部流段，即应对总流取隔离隔离体应包括动量发生的全部流段，即应对总流取隔离体；隔离体的两端断面要紧接所要分析的流段。体；隔离体的两端断面要紧接所要分析的流段。建立适当的坐标系建立适当的坐标系投影轴可任意选取，以计算方便为宜投影轴可任意选取，以计算方便为宜分析隔离体的受力情况分析隔离体的受力情况注意不要遗漏，并以正负号表明力的方向注意不要遗漏，并以正负号表明力的方向分析隔离体流入、流出的动量，列动量方程分析隔离体流入、流出的动量，列动量方程动量方程的右端是流出的动量减动量方程的右端是流出的动量减去流入的动量，不可颠倒。去流入的动量，不可颠倒。结合使用连续性方程和柏努利方程求解结合使用连续性方程和柏努利方程求解四、方程的应用步骤选取适当的过流断面与隔离体隔离体应包括动83v 流体对固体的推力流体对固体的推力x1122P1P2F【例】【例】某过水低堰，上游某过水低堰，上游h1 11.8m1.8m，下游下游h2 20.6m0.6m。不计损失，求水流对单宽堰段的水平推力。不计损失，求水流对单宽堰段的水平推力。流体对固体的推力x1122P1P2F【例】某过水低堰，上游84【解】【解】1.1.定控制体及流入流出断面定控制体及流入流出断面2.2.控制体内的流体受力分析控制体内的流体受力分析3.3.沿沿x方向列方向列动量方程动量方程4.4.增加方程增加方程连续方程连续方程伯努利方程伯努利方程联立求解，得联立求解，得方向向右方向向右x1122P1P2F【解】1.定控制体及流入流出断面2.控制体内的流体受力85v 自由射流对叶片或挡板的冲击力自由射流对叶片或挡板的冲击力 对称叶片或挡板对称叶片或挡板若已知若已知v0，求射流对叶片的冲击力。求射流对叶片的冲击力。对对x方向列动量方程方向列动量方程x对对 1 11 1，2 22 2断面列能量方程（不计损失）断面列能量方程（不计损失）得得 v1v2v0 则则若若 180，若若90，则则（F方向向右方向向右）取取1 11 1，2 22 2断面之间的流体为控制体断面之间的流体为控制体自由射流对叶片或挡板的冲击力对称叶片或挡板若已知v0，86 非对称叶片或挡板非对称叶片或挡板yx【解】【解】取取0 00 0，1 11 1，2 22 2断面之间的流体断面之间的流体为控制体，建立坐标系。为控制体，建立坐标系。列写列写x方向的方向的动量方程动量方程则则列写列写y方向的方向的动量方程动量方程对对0 00 0，1 11 1，2 22 2断面列写断面列写伯努利方程伯努利方程（不计损失），得（不计损失），得得得由由连续性方程连续性方程得得联立求解，得联立求解，得【例】【例】已知已知v0,Q0,求水射流对平板的单宽作用力及求水射流对平板的单宽作用力及Q1、Q2 。002211v2v1v0QQ0F002211v2v1v0Q21F非对称叶片或挡板yx【解】取00，11，22断面之间87v 流体对弯管壁的作用力流体对弯管壁的作用力 取取1 11 1，2 22 2断面间弯管为控制体，断面间弯管为控制体，并建立坐标系。并建立坐标系。对对x 方向列写动量方程方向列写动量方程得得对对y 方向列写动量方程方向列写动量方程得得合力合力合力与合力与x方向夹角方向夹角xyp1A1p2A2GFyFFxv22211v1v22211v12211v12211v1流体对弯管壁的作用力取11，22断面间弯管为控88【例】【例】水平管路中装有渐缩直角弯管。弯管进口直径水平管路中装有渐缩直角弯管。弯管进口直径D D1 1=60cm,=60cm,出口直径出口直径D D2 2=45cm,=45cm,水进弯管时的压强水进弯管时的压强p p1 1=35KN/m=35KN/m2 2,速度速度v=2.5m/s.v=2.5m/s.若不计摩镲损失，求水流经此弯管时对管的若不计摩镲损失，求水流经此弯管时对管的作用力。作用力。【解】【解】【例】水平管路中装有渐缩直角弯管。弯管进口直径【解】89v 流体对喷嘴的作用力流体对喷嘴的作用力如图是消防水龙头的喷嘴，高速水流从管道经过一个喷嘴如图是消防水龙头的喷嘴，高速水流从管道经过一个喷嘴射入大气，截面积从射入大气，截面积从A A1 1收缩为收缩为A A2 2,表压表压A A1 1处为处为(p1-pa),p1-pa),表压表压A A2 2处为处为0 0。求水流给喷嘴的力。求水流给喷嘴的力R R。取坐标，设向右为正，。取坐标，设向右为正，则喷嘴给水流的作用力为则喷嘴给水流的作用力为-R-R，由动量方程可得：，由动量方程可得：由由连续性方程连续性方程由由能量方程能量方程流体对喷嘴的作用力如图是消防水龙头的喷嘴，高速水流从管道经90【例】【例】井巷喷锚采用的喷嘴如图，入口直径井巷喷锚采用的喷嘴如图，入口直径d d1 1=50mm=50mm，出口，出口直径直径d d2 2=25mm=25mm，水从喷嘴射入大气，表压，水从喷嘴射入大气，表压p p1 1=60N/cm=60N/cm2 2，如果，如果不计摩擦损失，求喷嘴与水管接口处所受的拉力和工作面不计摩擦损失，求喷嘴与水管接口处所受的拉力和工作面所受的冲击力各为多少？所受的冲击力各为多少？【例】井巷喷锚采用的喷嘴如图，入口直径d1=50mm，出口直91【解】【解】1 1、喷嘴与水管接口处所受拉力实际是、喷嘴与水管接口处所受拉力实际是水对喷嘴的作用力。由水对喷嘴的作用力。由连续性方程连续性方程：由由能量方程能量方程2 2、工作面所受的冲击力为多少、工作面所受的冲击力为多少【解】1、喷嘴与水管接口处所受拉力实际是水对喷嘴的作用力。由92又设容器给液体的作用力在又设容器给液体的作用力在x x轴轴的投影为的投影为F FX X 即：即：v 射流的反推力射流的反推力设有内装液体的容器，在其侧壁上设有内装液体的容器，在其侧壁上开一面积为开一面积为A A 的小孔，液体从小孔的小孔，液体从小孔泻出，如图设流量很小，泻出，如图设流量很小，可视为定可视为定常流动，常流动，即出流的速度：即出流的速度：如果容器能够沿如果容器能够沿x x轴自由移动，则由于轴自由移动，则由于F FX X 的作用，的作用，使容器反方向运动，这就是射流的反推力使容器反方向运动，这就是射流的反推力.又设容器给液体的作用力在x轴射流的反推力设有内装液体的容器93如图所示为装置文丘里管的倾斜管路，通过固如图所示为装置文丘里管的倾斜管路，通过固定不变的流量定不变的流量Q Q，文丘里管的入口及喉管接到水，文丘里管的入口及喉管接到水银比压计上，其读数为银比压计上，其读数为hh，试问：当管路水平，试问：当管路水平放置时，其读数是否会改变？为什么？放置时，其读数是否会改变？为什么？如图所示为装置文丘里管的倾斜管路，通过固定不变的流量Q，文丘94 如图所示，当管中流量为如图所示，当管中流量为Q Q时观察到时观察到A A处的玻处的玻璃管中的水柱高度为璃管中的水柱高度为h h，试问：当调节阀门，试问：当调节阀门B B使使管中流量增大或减小后，玻璃管中是否会出现管中流量增大或减小后，玻璃管中是否会出现水流流动现象？如何流动？为什么？水流流动现象？如何流动？为什么？如图所示，当管中流量为Q时观察到A处的玻璃管中的水柱高度为95 如图所示为水箱等直径管道出流，试问：在恒定如图所示为水箱等直径管道出流，试问：在恒定流情况下，垂直管中各断面的流速是否相等？压强流情况下，垂直管中各断面的流速是否相等？压强是否相等？如果不相等如何计算？是否相等？如果不相等如何计算？如图所示为水箱等直径管道出流，试问：在恒定流情况下，垂直管96A、p1=p2 B、p3=p4 C、D、一一等等直直径径水水管管，A-AA-A为为过过流流断断面面，B-B-B B为为水水平平面面，1 1，2 2，3 3，4 4为为面面上上各各点点，各点的运动物理量有以下关系：各点的运动物理量有以下关系：A、p1=p297如图所示三种形式的叶片，受流量为如图所示三种形式的叶片，受流量为Q Q，流速为，流速为v v的射流的射流冲击，问：（冲击，问：（1 1）哪一种情况叶片上受的冲击最大？哪）哪一种情况叶片上受的冲击最大？哪一种情况受的冲击最小？为什么？（一种情况受的冲击最小？为什么？（2 2）如果图）如果图a a中叶中叶片以速度片以速度 运动，试讨论叶片的运动，试讨论叶片的受力情况？哪种情况冲击力最大？受力情况？哪种情况冲击力最大？如图所示三种形式的叶片，受流量为Q，流速为v的射流98【解】【解】取船内流管的全部内壁轮廓为控制体取船内流管的全部内壁轮廓为控制体推进力：推进力：推进效率：推进效率：输出功：输出功：由上式可知：当航速一定时，适当降低排水速度（或在舱体允许的由上式可知：当航速一定时，适当降低排水速度（或在舱体允许的条件下适当加大直径）可以提高效率，但推力受到影响；当排水速度一条件下适当加大直径）可以提高效率，但推力受到影响；当排水速度一定时，提高航速也可提高效率，但推力也减小，尤其是船的阻力增长更定时，提高航速也可提高效率，但推力也减小，尤其是船的阻力增长更大，所以该推进装置的引用有一定的局限性。大，所以该推进装置的引用有一定的局限性。【例】【例】射流推进船：水从船尾相对于船喷出的速度射流推进船：水从船尾相对于船喷出的速度w=9m/sm/s，船的前进速度船的前进速度u=18km/h，泵的输水流量，泵的输水流量Q=900L/s，忽略损失。求船的推进力和推进效率。，忽略损失。求船的推进力和推进效率。流管进水速度：流管进水速度：输入功：输入功：工程上的方法：增大工程上的方法：增大流量，降低流量，降低(w-u)值值【解】取船内流管的全部内壁轮廓为控制体推进力：推进效率：输出99本章作业本章作业习题习题 3.7，习题习题 3.10，习题习题 3.14，习题习题 3.17，习题习题 3.18本章作业习题3.7，100第三章习题解答第三章习题解答3.7 管段管段AB，dA=0.2m，dB=0.4m，高差，高差h=1.5m，pA=30kPa，pB=40kPa，vB=1.5m/s。判断水在管中的流动方向。判断水在管中的流动方向。解：解：对对A A，B B列伯努利方程，得列伯努利方程，得所以水的流动方向是所以水的流动方向是BA。ABh第三章习题解答3.7管段AB，dA=0.2m，dB=0.4101解：解：阀关时，由静力学方程阀关时，由静力学方程3.10 管路管路D=10cm，阀关时，阀关时 p=0.5at，阀开时，阀开时p=0.2at，管中总损失管中总损失 ，v为管中流速。求：管中为管中流速。求：管中v和和Q。1122阀开时，由伯努利方程阀开时，由伯努利方程解：阀关时，由静力学方程3.10管路D=10cm，阀关时102解：解：3.14 矩形渠道底宽矩形渠道底宽b=2.7m，抬高，抬高=0.3m，水深，水深h1=1.8m，h2=1.38m。损失。损失hw为尾渠速度水头的一为尾渠速度水头的一半，求流量半，求流量Q。对对1-11-1，2-22-2列伯努利方程列伯努利方程对对1-11-1，2-22-2列连续性方程列连续性方程h1h2Q2211解：3.14矩形渠道底宽b=2.7m，抬高=0.3m，水103解：解：3.17 射流流量射流流量Q=36L/s，流速，流速v=30m/s，Q1=12L/s，不计阻力。求射流的偏转角不计阻力。求射流的偏转角及对平板的作用力及对平板的作用力。列列x x方向的动量方程方向的动量方程列列y y方向的动量方程方向的动量方程QQ1Q2Fxy方向向右方向向右对对3 3个断面列伯努利方程个断面列伯努利方程可得可得解：3.17射流流量Q=36L/s，流速v=30m/s，Q1043.18 闸墩间宽闸墩间宽B=2m，墩前上游水深，墩前上游水深H1=6m，墩后，墩后下游水深下游水深 H2=5m。行进流速。行进流速v1=2m/s，求每个闸墩，求每个闸墩所受的水平推力所受的水平推力。列动量方程列动量方程代入动量方程得代入动量方程得方向向右方向向右x1122P1P2FH1H2解：解：3.18闸墩间宽B=2m，墩前上游水深H1=6m，墩后下游105工程流体力学ppt课件3流体动力学基础106ENDEND107工程流体力学ppt课件3流体动力学基础108