流体力学-伯努利方程.ppt

1.3理想流体的流动,本节重点：掌握理想流体模型；理解理想流体、流线、流管等物理概念；掌握理想流体的稳定流动的连续性原理；掌握贝努利方程的原理；,一.基本概念：流体：具有流动性的液体和气体；流体动力学：研究流体的运动规律以及流体与其他物体之间相互作用的力学；二.流体动力学的应用：生物体液和氧分的输送，动物体内血液的循环，土壤中水分的运动，农田排灌、昆虫迁飞；,1.3.1理想流体的稳定流动,一.基本概念1.流体的粘滞性：实际流体在流动时其内部有相对运动的相邻两部分之间存在类似两固体相对运动时存在的摩擦阻力(内摩擦力)，流体的这种性质称为粘滞性。2.流体的可压缩性：实际流体在外界压力作用下、其体积会发生变化，即具有可压缩性；3.理想流体模型：绝对不可压缩、没有粘滞性的流体叫做理想流体；一般情况下，密度不发生明显变化的气体或者液体、粘滞性小的流体均可看成理想流体,2.定常流动：流体质点经过空间各点的流速虽然可以不同，但如果空间每一点的流速不随时间而改变，这样的流动方式称为定常流动，也称为稳定流动是一种理想化的流动方式。,二.流体的运动形式：,1.一般流动形式：通常流体看做是由大量流体质点所组成的连续介质。一般情况流体运动时，由于流体各部分可以有相对运动，各部分质点的流动速度是空间位置的函数，又是时间t的函数,三.流线、流管,流线：为了形象地描述定常流动的流体而引入的假想的直线或曲线流线上任意点的切线方向就是流体质点流经该点的速度方向稳定流动时，流线的形状和分布不随时间变化，且流线与流体质点的运动轨迹重合；流线的疏密程度可定性地表示流体流速的大小；流线不相交；2.流管：流体内部，通过某一个截面的流线围成的管状空间；流体质点不会任意穿出或进入流管；（与实际管道相似）流体可视为由无数个稳定的流管组成，分析每个流管中流体的运动规律，是掌握流体整体运动规律的基础；,四.连续性原理,1.推导过程：,假设：.取一个截面积很小的细流管，垂直于流管的同一截面上的各点流速相同；.流体由左向右流动；.流体具有不可压缩性；.流体质点不可能穿入或者穿出流管；.在一个较短的时间t内，流进流管的流体质量等于流出流管的流体质量（质量守恒），即：,2.理想流体的连续性方程(连续性原理、流量方程)：,流体在同一细流管中作稳定流动时，通过任一截面S的体积流量保持不变。推广，对于不可压缩的实际流体，任意流管、真实导流管、流体管道都满足连续性原理。如果同一截面上流速相同，不可压缩的流体在流管中做稳定流动时流体的流速与流管的截面积S成反比，即截面大处流速小，狭窄处流速大。,体积流量：表示单位时间内流过任意截面S的流体体积，称为体积流量，简称流量，用QV表示，单位为m3/s.,补充例题有一条灌溉渠道，横截面是梯形，底宽2m，水面宽4m，水深1m，这条渠道再通过两条分渠道把水引到田间，分渠道的横截面也是梯形，底宽1m，水面宽2m，水深0.5m，如果水在两条渠道内的流速均为0.2m/s，求水在总渠道中的流速？,1.3.3伯努利方程及其应用,伯努利方程：理想流体在重力场中作稳定流动时，能量守衡定律在流动液体中的表现形式。,伯努利方程是瑞士物理学家伯努利提出来的，是理想流体作稳定流动时的基本方程，对于确定流体内部各处的压力和流速有很大的实际意义、在水利、造船、航空等部门有着广泛的应用。伯努利个人简介：（DanielBernouli,17001782）瑞士物理学家、数学家、医学家。他是伯努利这个数学家族（4代10人）中最杰出的代表，16岁时就在巴塞尔大学攻读哲学与逻辑，后获得哲学硕士学位，1720岁又学习医学，并于1721年获医学硕士学位，成为外科名医并担任过解剖学教授。但在父兄熏陶下最后仍转到数理科学。伯努利成功的领域很广，除流体动力学这一主要领域外，还有天文测量、引力、行星的不规则轨道、磁学、海洋、潮汐等等。,一.伯努利方程的推导：,稳定流动的理想流体中，忽略流体的粘滞性，任意细流管中的液体满足能量守恒和功能原理！,设：流体密度，细流管中分析一段流体a1a2:a1处：S1，1，h1,p1a2处：S2，2，h2,p2,经过微小时间t后，流体a1a2移到了b1b2,从整体效果看，相当于将流体a1b1移到了a2b2,设a1b1段流体的质量为m，则：,机械能的增量：,功能原理:系统受到非保守力做功，系统机械能的增量等于非保守力对系统作的功；,外界对系统作的功?,受力分析端面压力侧壁压力,二.对于同一流管的任意截面，伯努利方程：,含义：对于理想流体作稳定流动，在同一流管中任一处，每单位体积流体的动能、势能和该处压强之和是一个恒量。,伯努利方程，是理想流体作稳定流动时的基本方程；对于实际流体，如果粘滞性很小，如：水、空气、酒精等，可应用伯努利方程解决实际问题；对于确定流体内部各处的压力和流速有很大的实际意义、在水利、造船、航空等部门有着广泛的应用。,补充例题，水管里的水在压强为p=4105Pa的作用下流入房间，水管的内直径为2.0cm，管内水的流速为4m/s。引入到5m高处二楼浴室的水管，内直径为1.0cm，试求浴室水管内水的流速和压强?(已知水的密度为103kg/m3)。,在水平流动的流体中，流速大的地方压强小；流速小的地方压强大。在粗细不均匀的水平流管中，根据连续性原理，管细处流速大，管粗处流速小，因而管细处压强小，管粗处压强大；如：水流抽气机、喷雾器、内燃机的汽化器的基本原理都基于此；,一.水平流管的伯努利方程：,1.3.4.伯努利方程的应用,生活中的实例：,在海洋中平行逆向航行的两艘大轮船，相互不能靠得太近，否则就会有相撞的危险，为什么？逆流航行的船只行到水流很急的岸边时，会自动地向岸靠拢；汽车驶过时，路旁的纸屑常被吸向汽车；简单的实验：用两张窄长的纸条，相互靠近，用嘴从两纸条中间吹气，会发现二纸条不是被吹开而是相互靠拢，就是“速大压小”的道理。打开的门窗，有风吹过，门窗会自动的闭合，然后又张开；,6.飞机的机翼的翼型使得飞行中前面的空气掠过机翼向后时，流经机翼上部的空气要通过的路程大于流经机翼下部的空气通过的路程，因此上部空气流速大于下部空气的流速，上部空气对机翼向下的压力就会小于下部空气对机翼向上的压力，从而产生升力；,应用实例1.水流抽气机、喷雾器,空吸作用：当流体流速增大时压强减小，产生对周围气体或液体的吸入作用；,水流抽气机、喷雾器就是根据空吸作用的原理（速度大、压强小）设计的。,应用实例2.汾丘里流量计汾丘里管：特制的玻璃管，两端较粗，中间较细，在较粗和较细的部位连通着两个竖直细管。汾丘里管水平接在液体管道中可以测定液体的流量；,流速：,体积流量：,只要读出两个竖管的高度差，就可以测量流速和流量,应用实例3.皮托管：常用的流速测定装置；,皮托管：由双层圆头玻璃管组成，内外管分别通过橡皮管与U形压强计的两管相连、内管的开口在A，外管的开门(即管壁上钻的几个小孔)在B。A正对流速方向，A、B间忽略高度差；,二.流速的测定：,驻点：当流体遇到障碍物受阻时，在障碍物前会有一点，该点流体静止不动，故称驻点；,应用实例4.小孔流速：敞口的液槽内离开液面h处开一小孔，液体密度为，液面上方是空气，在液槽侧面小孔处压强为大气压p0,求小孔处的液体流速？,托里拆利定律：忽略粘滞性，任何液体质点从小孔中流出的速度与它从h高度处自由落下的速度相等；,注：由于液槽中液面下降很慢，可以看成是稳定流动，把液体作为理想流体；,应用实例5.文特里管：可串接到管道中测定流速的装置；,曲管压强计中盛水银，当粗管和细管横截面S1和S2及水银柱的高度差h已知时，求粗管中水的流速。,粘滞流体：如植物组织中的水分，人体及动物体内的血液以及甘油、蓖麻油。,1.4粘滞流体的流动,一.牛顿粘滞定律粘滞系数,层流:实际流体在流动时，同一横截面上各点流速并不相同，管中轴心处流速最大，越接近管壁，流速越小，在管壁处流速为零。这种各层流体流速有规则逐渐变化的流动形式，称为层流；每一层为与管同轴的薄圆筒，每一层流速相同，各层之间有相对运动但不互相混杂，管道中的流体没有横向的流动。（流速小时呈现的流动形式：河道、圆形管道）,粘滞力：粘滞流体在流动中各层的流速不同，相邻两流层之间有相对运动，互施摩擦力，快的一层给慢的一层以向前的拉力；慢的一层则给快的一层以向后的阻力，这种摩擦力称为内摩擦，又称粘滞力；,粘滞力和哪些因素有关？,流体内相邻两层内摩擦力的大小：与两流层的接触面积大小有关；还与两流层间速度变化的快慢有关；,垂直于流速方向上有相距y的两个流层，速度差为；速度变化的快慢程度：其物理意义是：垂直于流速方向上相距单位距离的两个流层的速度的变化率。,垂直于流速方向的流速梯度(或速度梯度)：,牛顿粘滞定律：流体内部相邻两流层间的内摩擦力f与两流层的接触面积S，以及两流层处的速度梯度成正比;,比例系数：流体的粘滞系数或粘度，单位为帕秒(Pas),粘滞系数越大，相邻两流层接触表面间的内摩擦力也越大；用粘滞系数定量地表示流体粘性的大小；牛顿型流体的粘滞系数除与流体性质有关，还与温度有关。对于液体温度愈高，粘滞系数愈小；气体则相反温度愈高，粘滞系数愈大。确定粘滞系数的实际意义：输送流体的管道设计、机械中润滑油的加入、血液粘稠度诊断学、药学等；,几种常见液体的粘滞系数：P8,接触面积相同的两层液体间的内摩擦力远小于两个固体间的摩擦力，因此在机器上广泛使用机油等作为润滑剂,二.流体的湍流雷诺数,层流不是流动的唯一形式；湍流：流体在管道内流动，当流速超过某一临界值，流体的层流状态将被破坏，各流层相互混淆，局部有横向流动，呈现不规则的涡状流动，这种流动状态称为湍流。在自然现象中，比较普遍的流动状态是湍流，如江河急流、烟囱排出的废气流、大气的流动等。,层流与湍流的区别：层流：无横向流动；湍流：总体向前流动，但局部有横向流动；,实验表明：由层流变成湍流的条件用雷诺数Re来确定：,Re-雷诺数，一个无量纲的纯数-流体的密度；-流体的粘滞系数；-流体在管道中的平均流速；D-管道的直径或流体中的运动物体,雷诺数Re来判断层流变成湍流的条件:,P55表1-7表明：植物组织中水分流动的雷诺数很小，属于稳定的层流；动物组织中的血液流动比较复杂，但在正常生理条件下，生物体系中液体的流动可视为层流；,雷诺数在流体动力学中的作用：对于一定几何形状的管道（不论大小）中流动的流体，不论、v、D如何，只要Re相同，它们的流动类型就相同。可在实验室用水工模型来模拟江河水的流动，用风洞实验来研究飞机的飞行等情况；,流体相似率：,雷诺数不仅提供了一个判断流动类型的标准，而且具有相似率：如果两种流体的边界条件相似且具有相同的雷诺数，则流体具有相同的动力学特征。,1.4.2泊肃叶公式及其应用,粘滞流体稳定层流时，流量和哪些因素有关？粘滞流体在无限长水平圆形管道作层流的情形；实际应用：水管、动物血管、植物木质导管都是圆形管道；,在均匀水平管的一段，管的半径为R，长为l，左端压强为p1，右端压强为p2，且p1p2，流体自左向右流动。通过圆形管内稳定流层的流量：与两截面的压强差以及流体截面的半径有关，即p1-p2越大，R越大，流量越大；与流体的长度l，流体的粘度有关，长度及粘度越大则流量越小。,法国医生泊肃叶于1840年研究动物血液在毛细管中流动时发现，粘滞流体在水平圆管中作稳定流动时的流量为：,利用泊肃叶公式测量液体的黏度：,泊肃叶公式：,Rx为流阻，表示粘滞流体在圆管中流过时受到的阻滞程度；管道半径的细微变化可引起流阻很大的变化；,流量、压强差和流阻三者之间的关系与电学中电流强度、电压和电阻之间的关系相似；,1.4.3斯托克斯定律,运动是相对的，流体对物体的作用可理解为静止流体对运动物体的作用。古老的：船帆、船桨；近代的：螺旋浆、汽轮机、飞机机翼、火箭、导弹等都离不开水或气体对它们的作用；研究流体对物体的作用：富有实际意义；固体在流体中运动主要受到两种流体阻力：粘滞阻力和压差阻力；,较小物体在较大的流体中缓缓运动，主要受粘滞阻力；运动物体前后形成压强差，产生压差阻力；当运动速度较大时，物体尾部产生漩涡，会增大压强差；要减小压差阻力，应尽量减小物体尾部的漩涡和前部迎流面积流线形设计原理；,物体尾部伸展成光滑的流线型，可大大减小压差阻力，如：飞机、快艇、轿车；鱼、飞鸟（自然进化的结果）；流线型的鱼、飞鸟（自然进化的结果）；为什么没有流线型的昆虫？,接触面积,斯托克斯定律：关于球体在粘滞流体中运动规律对半径为r的小球体在粘滞系数为的流体中以速度运动时受到的总阻力为:,由于液体具有粘滞性，物体在液体中运动时受到的总阻力等于粘滞阻力和压差阻力之和；实验表明：流体阻力的大小与物体的形状大小、速度及流体的粘滞系数等有关；,小球在粘滞流体中的沉降,微小球体在粘滞液体中自由下沉，受到三个力：重力、浮力、流体阻力；开始时加速下沉，最后达到终极速度匀速下沉；,由此可以测量粘滞流体的粘滞系数；已知粘滞系数，可测出小球体的半径。1911年，著名的密里根油滴实验就是用这一公式测出了油滴的半径，从而求电子的电荷。还可用来做土壤的颗粒分析；,v正比于球半径的平方，球越小，下落越慢雾等微粒在空气中下落极其慢，不易散去,沉降分离与离心分离,悬浮液中的土壤颗粒、细胞和生物溶液中的某些生物大分子都可以看成球形颗粒，它们的沉降遵从同样的规律，利用在重力作用下沉降使物质分离的方法叫做沉降分离；,颗粒处于平衡状态，不能分离；,颗粒下沉，密度差越大，沉降越快；颗粒越大，终极速度越大，沉降越快；颗粒很小，终极速度很小，沉降困难高速离心分离,离心分离：提纯线粒体、染色体、溶酶体、病毒等亚细胞物质，还可以用超速离心法分离脱氧核糖核酸等生物大分子,(直径小于1微米)；离心分离法已成为生物科学研究的重要手段。,离心机通过旋转运动，使物质产生较大的离心力，依靠这一离心力可实现对物质的分离、制备、浓缩、提纯。离心机是科研生产与医疗卫生系统中的常用设备。在医学检验中，常用离心机来分离血清、血浆、沉淀蛋白质等。,作业：P57页思考题：1-4练习题：1-8，1-9，1-10，1-12,