恒定总流的能量方程.ppt
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1、3 3 流体动力学理论基础流体动力学理论基础第第3章章 作业作业P46 2,4,5,9,12,16,18 3.1 3.1 描述液体运动的两种方法描述液体运动的两种方法 3.2 3.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念 3.3 3.3 恒定总流的连续性方程恒定总流的连续性方程 3.4 3.4 恒定总流的能量方程恒定总流的能量方程 3.5 3.5 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程3.4.1 3.4.1 恒定元流的能量方程恒定元流的能量方程3.4.1.1 3.4.1.1 3.4.1.1 3.4.1.1 理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定
2、元流的能量方程3.4.1.2 3.4.1.2 3.4.1.2 3.4.1.2 实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程3.4.2 3.4.2 实际液体恒定总流的能量方程实际液体恒定总流的能量方程3.4.1 3.4.1 恒定元流的能量方程恒定元流的能量方程3.4.1.1 3.4.1.1 3.4.1.1 3.4.1.1 理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程3.4.1.2 3.4.1.2 3.4.1.2 3.4.1.2 实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方
3、程实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程1122dGdAZZ+dZSdSPP+dP 3.4.1.1 3.4.1.1 3.4.1.1 3.4.1.1 理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程理想液体恒定元流的能量方程原理:原理:根据牛顿第二定律,作用根据牛顿第二定律,作用ds在流段上的外力沿在流段上的外力沿s方向的合力,方向的合力,应该等于该流段质量应该等于该流段质量 与加速度与加速度 的乘积。的乘积。受力:受力:且且dA111点点22点点 沿着元流的各个过水断面,则沿着元流的各个过水断面,则 11-1 元流过水断面(上游)元流过水断面(上游)
4、22-2 元流过水断面(下游)元流过水断面(下游)11-1 元流过水断面的形心点元流过水断面的形心点 22-2 元流过水断面的形心点元流过水断面的形心点 2-单位重量液体的位能单位重量液体的位能 位置水头位置水头-单位重量液体的压能单位重量液体的压能 压强水头压强水头-单位重量液体具有的的动能单位重量液体具有的的动能 流速水头流速水头伯努利方程(瑞士,伯努利方程(瑞士,1738)方程物理意义:方程物理意义:在不可压缩理想液体恒定流情况下,微小流束在不可压缩理想液体恒定流情况下,微小流束内不同的过水断面上,单位重量液体所具有机内不同的过水断面上,单位重量液体所具有机械能保持相等械能保持相等(守恒
5、守恒)。对于实际液体,因为存在粘性,对于实际液体,因为存在粘性,在流动过程中,要消耗一部分能量用在流动过程中,要消耗一部分能量用于克服摩擦力,液体的机械能沿程减于克服摩擦力,液体的机械能沿程减少,即存在能量损失。少,即存在能量损失。3.4.1.2 3.4.1.2 3.4.1.2 3.4.1.2 实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程实际液体恒定元流的能量方程l 在重力作用下,实际元流从在重力作用下,实际元流从1运动到运动到212令:令:hw=单位重量的液体单位重量的液体 从断面从断面1-1运动至断面运动至断面2-2所损失的能量所损失的能量,则则 不可压缩
6、实际液体恒定流元流的伯努利方程不可压缩实际液体恒定流元流的伯努利方程12 3.4.2 3.4.2 实际液体恒定总流的能量方程实际液体恒定总流的能量方程3.4.2.1 3.4.2.1 实际液体恒定总流能量方程的推导实际液体恒定总流能量方程的推导 3.4.2.2 3.4.2.2 能量方程物理意义和几何意义能量方程物理意义和几何意义 3.4.2.3 3.4.2.3 总水头线和测压管水头线总水头线和测压管水头线 3.4.2.4 3.4.2.4 能量方程的应用能量方程的应用3.4.2.5 3.4.2.5 注意事项注意事项3.4.2.6 3.4.2.6 应用举例应用举例 3.4.2 3.4.2 实际液体恒
7、定总流的能量方程实际液体恒定总流的能量方程3.4.2.1 3.4.2.1 实际液体恒定总流能量方程的推导实际液体恒定总流能量方程的推导 3.4.2.2 3.4.2.2 能量方程物理意义和几何意义能量方程物理意义和几何意义 3.4.2.3 3.4.2.3 总水头线和测压管水头线总水头线和测压管水头线 3.4.2.4 3.4.2.4 能量方程的应用能量方程的应用3.4.2.5 3.4.2.5 注意事项注意事项3.4.2.6 3.4.2.6 应用举例应用举例图图 闸孔出流闸孔出流dA 微小流管微小流管微小流束,或元流微小流束,或元流dA不可压缩实不可压缩实际液体、恒际液体、恒定元流的能定元流的能量方
8、程量方程1122 在有压管流中,任取在有压管流中,任取一段一段1-1和和2-2断面之间断面之间的总流,并把它放大进的总流,并把它放大进行分析。行分析。dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2沿总流过水断面积分沿总流过水断面积分dQ=u1dA1dQ=u2dA2dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2dQ=u1dA1dQ=u2dA2dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2类积分类积分类积分类积分类积分类积分dQ=u1dA1dQ=u2dA2类积分:在渐变流过水断面类积分:
9、在渐变流过水断面限定了积分条件为渐变流过水断面限定了积分条件为渐变流过水断面1122 z1 p2 p1 z2dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2类积分类积分类积分类积分类积分类积分类积分类积分引入动能修正系数引入动能修正系数 1,则,则 为动能修正系数,取决于过水断面的流速分布。为动能修正系数,取决于过水断面的流速分布。断面流速分布完全均匀,断面流速分布完全均匀,1 流速分布越不均匀,流速分布越不均匀,越大越大 渐变流时,渐变流时,=1.05-1.10,一般取一般取 =1 dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2类积分类积分类积分类积分类积分类积分类积分类积分 假定各个
10、微小流束的单位重量液体所损失的能量假定各个微小流束的单位重量液体所损失的能量hw用某一个平均值用某一个平均值hw 代替代替,则,则 dA1u11212 p1/z1z2u2p2/dA2类积分类积分类积分类积分类积分类积分将三种类型的积分结果代入,各项同除将三种类型的积分结果代入,各项同除Q,则,则 将三种类型的积分结果代入,各项同除将三种类型的积分结果代入,各项同除Q,则,则 将三种类型的积分结果代入,各项同除将三种类型的积分结果代入,各项同除Q,则,则 将三种类型的积分结果代入,各项同除将三种类型的积分结果代入,各项同除Q,则,则 将三种类型的积分结果代入,各项同除将三种类型的积分结果代入,各
11、项同除Q,则,则 水力学基本方程之一水力学基本方程之一不可压缩实际液体恒定总流的能量方程不可压缩实际液体恒定总流的能量方程 3.4.2 3.4.2 实际液体恒定总流的能量方程实际液体恒定总流的能量方程3.4.2.1 3.4.2.1 实际液体恒定总流能量方程的推导实际液体恒定总流能量方程的推导 3.4.2.2 3.4.2.2 能量方程物理意义和几何意义能量方程物理意义和几何意义 3.4.2.3 3.4.2.3 总水头线和测压管水头线总水头线和测压管水头线 3.4.2.4 3.4.2.4 能量方程的应用能量方程的应用3.4.2.5 3.4.2.5 注意事项注意事项3.4.2.6 3.4.2.6 应
12、用举例应用举例v00zm11单位液重所具有的位能单位液重所具有的位能v00zmp p 单位液重体所具有的压能单位液重体所具有的压能11v00zmp p 单位液重体所具有的势能单位液重体所具有的势能11m 单位液重所具有的动能单位液重所具有的动能 (断面平均动能断面平均动能)v11v00zmp p 单位液重体所具有的机械能单位液重体所具有的机械能11v z21122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g 反映两断面之间单位机械能的关系反映两断面之间单位机械能的关系H1H2hw1-2 z21122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2z位
13、置水头位置水头 几何意义几何意义 z21122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2 压强水头压强水头 z21 z1 p2 p1 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2 测压管水头测压管水头1 v122 v2 z21122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2 流速水头流速水头 z21122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2 H 总水头总水头 z21122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2 hw 水头损失水头损失 z21
14、122 z1 p2 p1 v1 v2 v22 2g v21 2g H1H2hw1-2 两断面之间的总水头的关系两断面之间的总水头的关系z位置水头位置水头 压强水头压强水头 测压管水头测压管水头 hw 水头损失水头损失 H 总水头总水头流速水头流速水头两断面间水头高度关系两断面间水头高度关系z位置水头位置水头 压强水头压强水头 测压管水头测压管水头 hw 水头损失水头损失 H 总水头总水头流速水头流速水头 3.4.2 3.4.2 实际液体恒定总流的能量方程实际液体恒定总流的能量方程3.4.2.1 3.4.2.1 实际液体恒定总流能量方程的推导实际液体恒定总流能量方程的推导 3.4.2.2 3.4
15、.2.2 能量方程物理意义和几何意义能量方程物理意义和几何意义 3.4.2.3 3.4.2.3 总水头线和测压管水头线总水头线和测压管水头线 3.4.2.4 3.4.2.4 能量方程的应用能量方程的应用3.4.2.5 3.4.2.5 注意事项注意事项3.4.2.6 3.4.2.6 应用举例应用举例 为了形象地反映总流中为了形象地反映总流中各种能量的变化规律,可将各种能量的变化规律,可将能量方程能量方程,用总水头线和测用总水头线和测压管水头线表示。压管水头线表示。总水头、测压管水头沿程的变化总水头、测压管水头沿程的变化 纵坐标纵坐标 总水头、测压管水头,铅垂方向总水头、测压管水头,铅垂方向 横坐
16、标横坐标 流程坐标,管道:轴线;明渠:渠道底,并流程坐标,管道:轴线;明渠:渠道底,并都将建筑物(管道、明渠)轮廓一并画出。都将建筑物(管道、明渠)轮廓一并画出。代表点代表点 过水断面上,各点位置水头、压强水头不同,过水断面上,各点位置水头、压强水头不同,所以,要在过水断面选取代表点所以,要在过水断面选取代表点管道:管中心管道:管中心 明渠:自由表面明渠:自由表面 纵坐标纵坐标 长度(方程各项都具有长度因次),铅垂方向长度(方程各项都具有长度因次),铅垂方向 横坐标横坐标 流程坐标,管道:轴线;明渠:渠道底,并流程坐标,管道:轴线;明渠:渠道底,并都将建筑物(管道、明渠)轮廓一并画出。都将建筑
17、物(管道、明渠)轮廓一并画出。代表点代表点 过水断面上,各点位置水头、压强水头不同,过水断面上,各点位置水头、压强水头不同,所以,要在过水断面选取代表点所以,要在过水断面选取代表点管道:管中心管道:管中心 明渠:自由表面明渠:自由表面0012z1hw12z2zp1p21v122g2v222g测压管水头线测压管水头线总水头线总水头线p v 22g0012z1hw12z2zp1p21v122g2v222g测压管水头线测压管水头线总水头线总水头线 v 22g 不选管心为代表点,选其它不选管心为代表点,选其它点,这个断面的总水头不变,点,这个断面的总水头不变,测压管水头不变,但位置水头测压管水头不变,
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