流体力学计算题复习-汇总.ppt

动量守恒问题专题 2 恒定流动量方程 动量定律 作用于物体的冲量 等于物体的动量增量 恒定流动量方程主要作用是解决作用力问题 特别是流体与固体之间的总作用力 质点系动量的变化率 等于作用于质点系上各外力的矢量和 3 现以恒定总流的一段为例 取1和2两个渐变流断面间的流体为研究对象 两断面间流段1 2在dt时间后移动到1 2 1 动量方程的推导 Q体积流量 Q质量流量 动量流量 4 将物质系统的动量定理应用于流体时 动量定理的表述形式是 对于恒定流动 所取流体段 简称流段 它是由流体构成的 的动量在单位时间内的变化 等于单位时间内流出该流段所占空间的流体动量与流进的流体动量之差 该变化率等于流段受到的表面力与质量力之和 即外力之和 2 公式说明 5 控制体 是空间的一个固定不变的区域 是根据问题的需要所选择的固定的空间体积 它的边界面称为控制面 系统与控制体 系统 是一团确定不变的流体质点的集合 系统外的一切称为外界 6 3 13 1 方程是以断面平均流速模型建立的 实际的流速是不均匀分布的 以动量修正系数a0修正 a0定义为实际动量和按照平均流速计算的动量的比值 即 a0取决于断面流速分布的不均匀性 不均匀性越大 a0越大 一般取a0 1 05 7 3 适用条件 恒定流过水断面为均匀流或渐变流过水断面无支流的汇入与分出 如图所示的一分叉管路 动量方程式应为 3 13 2 8 工程计算中 通常取a01 a02 1 对于恒定流动 所取流体段的动量在单位时间内的变化 等于单位内流出该流段所占空间的流体动量与流进的流体动量之差 该变化率等于流段受到的表面力与质量力之和 也即外力之和 不可压缩流体 液体恒定总流的动量方程的三个投影形式的代数方程 同时适用于理想液体和实际液体 应用动量方程时需注意以下各点 液体流动需是恒定流 过水断面1 1和2 2应选在均匀流或者渐变流断面上 以便于计算断面平均流速和断面上的压力 F是作用在被截取的液流上的全部外力之和 外力应包括质量力 通常为重力 以及作用在断面上的压力和固体边界对液流的压力及摩擦力 在初步计算中 可取动量修正系数 1 0 当液流有分流或汇流的情况 可由与推导有分 汇流时的连续性方程类似的方法 写出其动量方程 a 有分流的情况 b 有汇流的情况 例题1 图示有一水电站压力水管的渐变段 直径为1 5米 为1米 渐变段起点压强为 相对压强 流量Q为 若不计水头损失 求渐变段镇墩上所受的轴向推力为多少 不计摩擦力 解 求管中流速 求1 1断面和2 2断面上动水总压力以管轴中心线为基准面取1 2断面的能量方程 取 解题步骤 总压力 解题步骤 即轴向推力为391 715KN 方向与相反 取1 1与2 2断面水体作为控制体 坐标方向如图示 沿x轴方向取动量方程 设 解题步骤 例管路中一段水平放置的等截面弯管 直径d 200mm 弯角为450 如图 管中1 1断面的平均流速v1 4m s 其形心处的相对压强p1 98KN m2 若不计管流的水头损失 求水流对弯管的作用力FRx和FRy 坐标轴x与y如图所示 解 欲求水流对弯管的作用力 可先求得弯管对水流的反作用力 取渐变流过水断面1 1和2 2以及管内壁所围封闭曲面内的液体作为研究对象 作用于该段液流表面的表面力有断面1 1和2 2上的压力 可以用断面形心处的压强作为断面平均压强 因而断面上的总压力为 其中P1和P2为相对压强 由于管壁两侧均为大气 相互抵消 因而可以用相对压强 另有弯管对水流的反作用力F Rx及F Ry 设其方向如图所示 质量力为该段液体的重力 它在水平坐标面Oxy上的投影为零 为求得弯管对水流的作用力 则需采用动量方程 可分别写出x与y方向上总流的动量方程为 由于上两式中p2和v2还未知 因而还需配合应用连续性方程和伯诺里方程求解 于是可得 式中 由总流的连续性方程可得 v2 v1 4m s 因弯管水平放置 且不计水头损失 可以以管轴线所在的平面作为基准面 写断面1 l到2 2间水流的伯诺里方程为 故得 于是 取 将上述数据代入动量方程中得 水流对弯管的作用力FRx与FRy分别与F Rx与F Ry 大小相等 方向相反 例主管水流经过一非对称分岔管 由两短支管射出 管路布置如图3 37所示 出流流速v2与v3均为10m s 主管和两支管在同一水平面内 忽略阻力 问题 求固定分岔管的支座所受的x方向和y方向的力的大小 解 计算水流作用在管体的力 计算主管流速v1 流量Q1和压强pl 由有分流情况恒定总流的连续性方程知 Q1 Q2 Q3 0 0785 0 0442 0 1227m3 s所以 因忽略阻力而不计水头损失 令 整理得 由题意知v2 v3 10m s 则 因管路水平放置 故可以以管轴线所在的平面为基准面 并取渐变流断面1 1断面 2 2断面以及3 3断面 射流出口断面上近似为大气压强 故有P2 P3 0 写1 1断面到2 2断面间水流的伯诺里方程为 B 计算作用力 取1 1 2 2 3 3断面间的水体作为研究对象 该水体所受的表面力为1 1断面的压力F1 2 2断面及3 3断面均为大气压强P2 P3 0 以及管壁对水流的反作用力F Rx及F Ry如图示 质量力为该水体的重力 垂直于管路平面 本例为有分流情况 动量方程为 在x方向 在y方向 可得 液体对支座的作用力 设管径为10cm的支管与主管轴线成 角度 才能使作用力的方向沿主管轴线 即y方向的力F Ry 0 写出y方向的动量方程为 整理得 求解实际液体恒定总流的运动要素的值或总流段上所受的力时 需要综合应用恒定总流的三大基本方程 实际液体恒定总流的三大基本方程 即连续性方程 能量方程与动量方程是水动力学的基本方程 它们是求解工程实际的水力计算问题的基本依据 也是本门课程的理论核心 连续性方程及动量方程的限制条件与伯诺里方程的限制条件各不相同 在求解实际液体恒定流的动力学问题时 如果需要用这三大方程联立求解 则必须同时考虑三个方程的全部适用条件 特别是要注意过水断面的选择应选在均匀流或渐变流断面上 题目 有一沿铅垂放置的弯管如图3所示 弯头转角为90 起始断面1 1与终止断面2 2间的轴线长度L为3 14m 两断面中心高差 z为2m 已知断面1 1中心处动水压强为117 6 两断面之间水头损失为0 1m 管径d为0 2m 试求当管中通过流量Q为0 06时 水流对弯头的作用力 解题步骤 2 求断面2 2中心处动水压强 解 1 求管中流速 以断面2 2为基准面 对断面1 1与2 2写能量方程 于是 解题步骤 将 代入上式 得 3 弯头内水重 4 计算作用于断面1 1与2 2上动水总压力 解题步骤 5 对弯头内水流沿x y方向分别写动量方程式 令管壁对水体的反作用力在水平和铅垂方向的分力为及 沿x方向动量方程为 沿y方向动量方程为 得 得 解题步骤 管壁对水流的总作用力 作用力R与水平轴x的夹角 水流对管壁的作用力与R大小相等 方向相反 试求 1 沿平板的流量 2 射流对平板的作用力 水平方向的水射流 流量Q1 出口流速v1 在大气中冲击到前后斜置的光滑平板上 射流轴线与平板成 角 不计水流在平板上的阻力 解 取控制体 如图在大气射流中 控制面内各点的压强皆可认为等于大气压 因不计水流在平板上的阻力 可知平板对水流的作用力R 与平板垂直 设R 的方向与oy轴相同 分别对1 1 2 2以及1 1 3 3断面列伯努利方程 因为压强和标高都相等 所以可得 v1 v2 v3 1 求Q2 Q3列ox方向的动量方程 因为在x方向上的合外力为0 连续性方程 Q2 Q3 Q1联立得 列oy方向的动量方程 射流对平板的作用力R与R 方向相反 大小相等 即指向平板 2 求射流对平板的作用力R 6 26 解 由伯努利方程得 流量 切应力 管嘴出流 作业 5 2 3 思考题 1 量纲分析有何作用 答 可用来推导各物理量的量纲 简化物理方程 检验物理方程 经验公式的正确性与完善性 为科学地组织实验过程 整理实验成果提供理论指导 2 经验公式是否满足量纲和谐原理 答 一般不满足 通常根据一系列的试验资料统计而得 不考虑量纲之间的和谐 3 瑞利法和布金汉 定理各适用于何种情况 答 瑞利法适用于比较简单的问题 相关变量未知数 4 5个 定理是具有普遍性的方法 单位重量流体相对于某基准面所具有的位能 元流过流断面上某点相对于某基准面的位置高度 位置水头 物理意义 几何意义 单位重量流体所具有的压能 压强水头 单位重量流体所具有的总势能 测压管水头 单位重量流体所具有的动能 速度水头 单位重量流体所具有的总机械能 总水头 单位重量流体的能量损失 损失水头 恒定元流能量方程的物理与几何意义 作业 作业 分析并说明恒定气流能量方程与恒定液流能量方程的差异 2 圆管中层流与紊流的区别 质点运动规律 流体内部切应力 流速分布 3 粘性底层的概念 本章总结 作业 1 流体能量损失有几种形式 产生能量损失的物理原因是什么 2 为何不能直接用临界速度作为判别流体 层流与紊流 的标准 3 怎么判别流体的两种流态 层流与紊流 4 简述紊流流动的近