水力学第三章液体一元恒定总流基本原理ppt课件.ppt

第三章液体一元恒定总流基本原理 水力学多媒体课件讲稿 本章主要介绍与液体运动有关的基本概念及液体运动所遵循的普遍规律并建立相应的方程式 主要内容 影响液体运动的因素 1 本身的物理性质 2 边界的影响 描述液体运动的两种方法 欧拉法的若干基本概念 恒定一元流的连续性方程式 实际液体恒定总流的能量方程式 能量方程式的应用举例 恒定总流动量方程式的应用举例 实际液体恒定总流的动量方程式 一 概述 二 描述液体运动的两种方法 1 拉格朗日法 以研究单个液体质点的运动过程作为基础 综合所有质点的运动 构成整个液体的运动 2 欧拉法 以考察不同液体质点通过固定的空间点的运动情况作为基础 综合所有空间点上的运动情况 构成整个液体的运动 又称为质点系法 又称为流场法 若给定a b c 即为某一质点的运动轨迹线方程 液体质点在任意时刻的速度 1 拉格朗日法 质点通过流场中任意点的加速度 2 欧拉法 三 欧拉法的若干基本概念 一 按运动要素随空间坐标的变化 一元流 二元流 三元流 二 按运动要素是否随时间变化 表征液体运动的物理量 如流速 加速度 动水压强等 恒定流 非恒定流 一元流 二元流与三元流 一元流 二元流 三元流 恒定流与非恒定流 非恒定流 无进水 恒定流 有溢流 三 迹线与流线 迹线 是指某液体质点在运动过程中 不同时刻所流经的空间点所连成的线 流线 是指某一瞬时 在流场中绘出的一条光滑曲线 其上所有各点的速度向量都与该曲线相切 流线能反映瞬时的流动方向 流线图 流线不能相交 不能为折线 流线的形状与固体边界的形状有关 流线分布的疏密程度与管道横断面的面积大小有关 四 流管 微小流束 元流 总流和过水断面 流管 由流线构成的一个封闭的管状曲面 dA 元流 微小流管中的液流 总流 在一定边界内具有一定大小尺寸的实际流动的水流 它是由无数多个微小元流组成 五 流量和断面平均流速 流量 单位时间内通过某一过水断面的液体体积 常用单位m3 s 以符号Q表示 断面平均流速 是一个假想的流速 如果过水断面上各点的流速都相等并等于V 此时所通过的流量与实际上流速为不均匀分布时所通过的流量相等 则该流速V称为断面平均流速 见下例 即为旋转抛物体的体积 断面平均流速V 即为柱体的体积 A 六 均匀流和非均匀流 均匀流的特性 按流速的大小和方向是否沿流线变化把液流分为 均匀流 流速的大小和方向沿流线不变的流动 非均匀流 渐变流 流速沿流线变化缓慢的流动 急变流 流速沿流线变化剧烈的流动 1 均匀流 2 非均匀流 渐变流和急变流 均匀流是流线为彼此平行的直线 应具有以下特性 过水断面为平面 且过水断面的形状和尺寸沿程不变 同一流线上不同点的流速应相等 从而各过水断面上的流速分布相同 断面平均流速相等 均匀流 或渐变流 过水断面上的动水压强分布规律符合 或近似符合 静水压强分布规律 即在同一过水断面上各点的测压管水头为一常数 见例 推论 均匀流过水断面上动水总压力的计算方法与静水总压力的计算方法相同 dA 在均匀流 与流线正交的n方向上无加速度 所以有 积分得 即 七 渐变流和急变流 八 系统和控制体积 系统 指由确定的连续分布的众多液体质点所组成的液体团 拉格朗日观点 系统一经选定 组成它的质点也就固定不变 在运动过程中 其体积以及边界的形状 大小和位置都可随时间发生变化 但以系统为边界的内部和外部没有质量交换 即流体不能穿越边界流入 流出系统 可直接应用力学定律 例牛顿第二定律 功能原理 占据控制体积的质点随时间而变 分析流入 流出控制面以及控制体积内物理量的变化情况 从而导出水力学的基本方程 控制体 是指在流场中选取了一个相对于某一坐标系是固定不变的空间 它的封闭的界面称为控制面 控制体积本身不具有物质内容 它只是几何上的概念 欧拉法的观点 通过流线图对上述一些重要概念做简单总结 均匀流 均匀流 非均匀流 均匀流 非均匀流 均匀流 非均匀流 非均匀流 渐变流 急变流 急变流 急变流 四 恒定一元流的连续性方程 在恒定总流中 取一微小流束 依质量守恒定律 设 则 即有 元流的连续性方程 2 不可压缩液体 3 符合质量守恒定律 条件 1 恒定流 积分得 适用条件 恒定 不可压缩的总流且没有支汇流 若有支流 总流是由无数的元流组成 总流的连续方程 五 实际液体恒定总流的能量方程 水流的能量方程就是能量守恒规律在水流运动中的具体表现 根据流动液体在一定条件下能量之间的相互转换 建立水流各运动要素之间的关系 理想液体恒定元流的能量方程式 实际液体恒定元流的能量方程式 实际液体恒定总流的能量方程式 方程式建立的思路 一 理想液体恒定元流的能量方程式 解法一 条件 1 理想液体 2 恒定流 3 不可压缩液体 4 元流 根据动能定理 解法二 根据牛顿第二定律 1 动能增量 解法一 2 外力功 重力作的功 压力作的功 动能定理 上式为理想液体恒定元流的能量方程 又称伯努利方程 解法二 设在理想液体恒定流中 取一微小流束 依牛顿第二定律 其中 一元流时 任意两个断面 沿流线积分得 上式为理想液体恒定元流的能量方程 又称伯努力方程 二 实际液体恒定元流的能量方程式 单位重量液体从断面1 1流至断面2 2所损失的能量 称为水头损失 元流能量方程的应用之一 毕托管测速原理 驻点压强 毕托管流速校正系数 由专门试验确定 将构成总流的所有微小流束的能量方程式叠加起来 即为总流的能量方程式 三 实际液体恒定总流的能量方程式 均匀流或渐变流过水断面上 动能修正系数 1 05 1 1 取平均的hw V u 总水头线 测压管水头线 水力坡度J 单位长度流程上的水头损失 测压管坡度JP 1 实际总流能量方程式的物理意义 2 应用能量方程式的条件 1 水流必需是恒定流 2 作用于液体上的质量力只有重力 3 在所选取的两个过水断面上 水流应符合渐变流的条件 但所取的两个断面之间 水流可以是急变流 4 在所取的两个过水断面之间 流量保持不变 其间没有流量加入或分出 若有分支 则应对第一支水流建立能量方程式 例如图示有支流的情况下 能量方程为 5 流程中途没有能量H输入或输出 若有 则能量方程式应为 应用能量方程式的注意点 1 选取高程基准面 2 选取两过水断面 3 选取过水断面上计算代表点 4 动能修正系数一般取值为1 0 3 能量方程式的应用 例1 如图所示 一等直径的输水管 管径为d 100mm 水箱水位恒定 水箱水面至管道出口形心点的高度为H 2m 若忽略水流运动的水头损失 求管道中的输水流量 解 对1 1 2 2断面列能量方程式 其中 所以有 可解得 则 答 该输水管中的输水流量为0 049m3 s 例2 文丘里流量计 文丘里量水槽 以管轴线为高程基准面 暂不计水头损失 对1 1 2 2断面列能量方程式 整理得 由连续性方程式可得 或 代入能量方程式 整理得 则 当水管直径及喉管直径确定后 K为一定值 可以预先算出来 若考虑水头损失 实际流量会减小 则 称为文丘里管的流量系数 一般约为0 95 0 98 例 图示为用虹吸管越堤引水 已知管径d 0 2m h1 2m h2 4m 不计水头损失 取动能校正系数为1 问 1 虹吸管的流量qv为多少 2 设允许最大真空值为7m B点的真空压强是否超过最大允许值 实际液体恒定总流的动量方程式 t时刻 t t时刻 依动量定律 即 单位时间内 物体动量的增量等于物体所受的合外力 t时段内 动量的增量 在均匀流或渐变流过水断面上 代入动量定律 整理得 即为实际液体恒定总流的动量方程式 作用于总流流段上所有外力的矢量和 单位时间内 通过所研究流段下游断面流出的动量与上游断面流入的动量之差 动量方程的投影表达式 适用条件 不可压缩液体 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 一 应用动量方程式的注意点 取脱离控制体 正确分析受力 未知力设定方向 建立坐标系 右侧为 下游断面的动量 上游断面的动量 设 1 1 二 动量方程式在工程中的应用 弯管内水流对管壁的作用力 水流对建筑物的作用力 射流对平面壁的冲击力 1 弯管内水流对管壁的作用力 管轴水平放置 管轴竖直放置 沿x方向列动量方程为 沿z方向列动量方程为 沿x方向列动量方程为 沿y方向列动量方程为 2 水流对建筑物的作用力 矩形断面 沿x方向列动量方程为 3 射流对平面壁的冲击力 沿x方向列动量方程为 整理得 例 某平底矩形断面的河道中筑一溢坝 坝高a 30m 坝上水头H 2m 坝下游收缩断面处水深hc 0 8m 溢流坝水头损失为hw 2 5 例 从水箱接一橡胶管道及喷嘴 如图 橡胶管直径D 7 5cm 喷嘴出口直径d 2 0cm 水头H 5 5m 由水箱至喷嘴的水头损失hw 0 5m 用压力表测得橡胶管与喷嘴接头处的压强p 4 9N cm2 如用手握住喷嘴 需要多大的水平力 行近流速v0 0 取动能动量校正系数均为1 例 设有一股自喷嘴以速度v0喷射出来的水流 流量为Q 冲击在一个与水流方向成 角的固定平面壁上 当水流冲击到平面壁后 分成两面股水流流出冲击区 若不计重量 流动在一个水平面上 并忽略水流沿平面壁流动时的摩擦阻力 试推求射流施加于平面壁上的压力FP 并求出Q1和Q2各为多少 沿y方向列动量方程为 对0 0 1 1断面列能量方程为 可得 同