第二章液体运动的流束理论.ppt

水力学水力学1第第二二章章 液体运动的流束理论液体运动的流束理论第一节第一节 描述液体运动描述液体运动的的两种方法两种方法流场流场：液体运动时所占据的整个空间。流场中的各点的压强、流速等运动要素的变化，并建立这些运动要素之间的关系，以此来解决工程中遇到的实际问题。水动力学研究主要问题：2通过研究单个质点在空间的运动情况，最后获得整个液体的运动规律。单个质点运动规律复杂性，导致数学上研究困难。从实用出发，水力学中普遍采用欧拉法。一、拉格朗日法一、拉格朗日法3研究众多液体质点通过固定空间点时，流动参数随时间变化规律，最后获得整个流场的运动规律。二、欧拉法二、欧拉法4根据空间点运动要素是否随时间变化，划分恒定流与非恒定流。流场中各空间点的所有运动要素均不随时间变化的水流。恒定流的运动要素仅随空间位置变化，不随时间变化。例子：库水位不变时，引水隧洞中的水流。第二节第二节 液体运动基本概念液体运动基本概念1、恒定流、恒定流一、恒定流、非恒定流一、恒定流、非恒定流5 流场中空间点的运动要素随时间变化的水流。非恒定流的运动要素是时间和空间的函数。实际水流严格上讲均为非恒定流。2、非恒定流、非恒定流6单个液体质点在空间的运动轨迹。二、流线、迹线二、流线、迹线1、迹线、迹线某时刻某时刻在流场中绘制的一条光滑曲线。曲线上各点切线的方向代表了同一时刻处于该点处的液体质点的运动方向。2、流线、流线73、流线、流线的基本特性的基本特性l对恒定流，流线形状不随时间变化，流线与迹线重合；对非恒定流，流线只具有瞬时性，流线与迹线不重合。l流线为光滑的曲线。l同一时刻，流场中的各条流线不相交。812l流线分布的疏密程度反映流速的大小。流线密的地方则流速大，流线疏的地方流速小。9溢流坝流线10在流场中，通过一个封闭线的周边上所有流线围成的一个管状曲面。1、流管、流管三、三、微小流束、总流微小流束、总流11 恒定流的流管形状不随时间改变；非恒定流时流管形状随时间变化。流管性质由流线的性质决定，如下：液体只能在流管以内或以外运动，不能穿越流管壁向外或向内流动。流管是一个无形的但有约束作用的水管。12微小流束：横截面积无穷小的流束。2、微小流束（元流）、微小流束（元流）流束：由流管包围的一束液流。微小流束的横断面为微元面，该断面上的水力要素相同。如某一点的流速就是该面上的平均流速，对压强，也是这样。13总流由无穷多个元流构成。任何一个实际的水流均为总流。与元流或总流流动方向垂直的横断面。注意：过水断面不一定为平面。只有流线相互平行时，才为平面。3、总流、总流4、过水断面、过水断面14单位时间内，通过某一过水断面液体体积。给定过水断面的流速分布后，可计算断面流量：5、流量、流量6、断面平均流速、断面平均流速15一元流：运动要素仅随一个坐标变化。运动要素仅随二个、三个坐标变化的分别为二元流、三元流。实际流多为三元流。为简便，往往根据具体问题把实际水流简化为二元流甚至是一元流。按照流动参数和空间坐标数目间的关系，将流动分为一元（维）、二元（维）和三元（维）流动。四、一元流、二元流、三元流四、一元流、二元流、三元流16作业：作业：P111习题习题 2-1 17习题 2-1 已知圆管半径 ，断面流速分布 计算管道中的流量，过水断面平均流速。18解：管道中的流量 其中，则19管道的断面平均流速：20结合元流概念，根据质量守恒定律：质量守恒定律：单位时间内，进、出流段的液体质量相等，即 第三节第三节 恒定总流的连续性方程恒定总流的连续性方程 2211dAudAu=一、恒定元流的连续性方程一、恒定元流的连续性方程在恒定流内任取一段元流。212211dAudAu=恒定元流的连续性方程二、恒定总流的连续性方程二、恒定总流的连续性方程2211dAudAu=222111AAdAudAu2211VAVA=即21QQ=AudAAAQV1恒定总流连续性方程恒定总流连续性方程221223连续性方程的推广：24作业：作业：P111思考题思考题 2-2 25第四节第四节 恒定总流的能量方程恒定总流的能量方程 在恒定流中，任取一个元流的微元段。一、理想液体恒定元流的能量方程一、理想液体恒定元流的能量方程12分析微元段受到的各种外力，根据牛顿第二定律牛顿第二定律，可以推导出理想液体元流的能量方程。26受力分析：对理想液体，微元段外侧壁内摩擦力不计。作用在元流微元段上的外力有：过水断面1、2的动水压力 、重力 。122712 沿流程坐标 方向列写力平衡方程：其中，基准面28或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29实际液体存在粘滞性粘滞性，在流动过程中，要克服摩擦力做功而消耗掉一部分能量，故写为其中，单位能量损失（单位重量的液体从断面1流到断面2过程中的能量损失）。二、实际液体恒定元流的能量方程二、实际液体恒定元流的能量方程30流速的大小、方向沿流动方向（空间）流动方向（空间）都不变的流动。明渠均匀流管道均匀流按流速的大小、方向是否随流动方向变化，区分均匀流、非均匀流。三、均匀流、非均匀流三、均匀流、非均匀流1、均匀流、均匀流31所有流线为相互平行的直线。同一过水断面上，各点测压管水头相等。同一流线上各点流速相同。推论：过水断面为平面。推论：过水断面平均流速沿程不变。注：不同流线上流速不一定相同。l均匀流特性均匀流特性32的证明：在均匀流的过水断面上任取一段微小液柱。33均匀流，沿液流的轴线方向 （与流动方向正交）无加速度。列写 方向力平衡方程：34根据流速的大小、方向沿流动方向变化的缓急程度，非均匀流分为渐变流、急变流。流速的大小或方向沿流动方向变化的流动。二、非均匀流二、非均匀流流速的大小或方向沿流动方向缓慢变化。1、渐变流、渐变流 35 同一过水断面同一过水断面上，各点测压管水头近似相同。流线间夹角很小流线弯曲不大 流线间夹角很小，或流线弯曲不大。l 渐变流特性渐变流特性36 流线间夹角很大，或流线弯明显。同一过水断面上，各点测压管水头不相同。流线间夹角很大l急变流特性急变流特性流线弯曲明显 流速的大小或方向沿流动方向急剧变化。2、急变流、急变流37 除了受重力作用外，还受较大惯性力作用。动水压强分布图静水压强分布图图a，重力与惯性力的单位质量力方向相反。图b，重力的与惯性力的单位质量力方向相同。ab38四、实际液体恒定总流的能量方程四、实际液体恒定总流的能量方程1、方程的推导、方程的推导实际液体元流能量方程在 时段内，流入（流出）元流的两过水断面的液体重量：39总流的两过水断面上的液体具有能量为40若选取的过水断面为均匀流或渐变流，则？41定义动能修正系数则？42总流量两过水断面间的能量损失为定义总流两过水断面间的平均能量损失则43实际液体恒定总流能量方程44元流能量方程与总流能量方程的差异：点的测压管水头点的流速水头沿流线两点间的水头损失面平均测压管水头面平均流速水头两断面间平均水头损失45 流速分布越不均匀，越大。关于动能修正系数 ：当计算断面选为均匀流或渐变流断面时 ，为简便，常取 。462、实际液体恒定总流能量的图示、实际液体恒定总流能量的图示平均位能位置水头平均压能压强水头l能量方程中各项的意义能量方程中各项的意义平均动能流速水头47平均势能测压管水头平均机械能总水头平均能量损失 水头损失48以各种水头为纵坐标，流程为横坐标绘制的曲线图。如总水头线、测压管水头线等。l水头线水头线49基准面50 或 注意：l总水头线坡度（水力坡度）总水头线坡度（水力坡度）51 或 注意：可以大于零或小于零。l测压管水头线的水力坡度测压管水头线的水力坡度52质量力只有重力；流动为恒定流；各计算断面应为均匀流或渐变流断面。3、应用能量方程的条件及注意之点、应用能量方程的条件及注意之点l应用条件应用条件 如果有惯性力作用，能量不守恒。计算断面之间可以有急变流。53123l有分岔水流时的能量方程有分岔水流时的能量方程54选好基准面。压强可以是绝对压强或相对压强，但要统一。l 应用能量方程的注意点应用能量方程的注意点计算测压管水头时，可选取断面上任意点，以方便为宜。计算断面的动能修正系数取值。55为输入或输出的能量 有能量输入（水泵提水）时，取正号；有能量输出（发电）时，取负号。五、中途有能量输入或输出时的能量方程五、中途有能量输入或输出时的能量方程56水力学中，应用能量方程的测量仪器有比托管、文丘里流量计等。六、六、能量方程应用举例能量方程应用举例1 1、比托管测流速、比托管测流速 5758列写过A、B两点两过水断面能量方程：其中，则AB选择基准面。基准面59仪器由收缩段、喉管、扩散段三部分组成。收缩段喉管扩散段 应用伯努里方程和连续性方程，推算管道流量。122、文丘里流量计、文丘里流量计60文丘里流量计文丘里流量计61选取过管轴线水平面为基准面。12h列写断面1、2能量方程其中，则62又根据连续性方程，得则633 3、孔口恒定出流的计算、孔口恒定出流的计算l孔口出流孔口出流 水从侧壁较薄的孔口中流出的水力现象。64孔口自由出流：水流经孔口后，直接进入大气。孔口淹没出流：水流经孔口后，进入水下。l孔口出流类型孔口出流类型65l 孔口类型孔口类型 小孔口小孔口：孔口直径 相对于 较小（）时，可以认为孔口断面上的各点水头相等。大孔口大孔口：的孔口。66l小孔口自由出流的流量公式小孔口自由出流的流量公式以通过孔口中心的水平面为基准面。列写断面1 能量方程：其中67则令令孔口收缩系数孔口流量系数流速系数682、管嘴恒定出流的计算、管嘴恒定出流的计算水从侧壁较厚的孔口，或孔口上连接一短管的容器中出流的水力现象。侧壁较厚接一短管69以通过孔口中心的水平面为基准面。列写断面1 能量方程：其中70则令令71例例2.1：已知管径 、和 、。确定管道中水流方向；两断面间水头损失。72解：解：选定通过断面1的中心的水平面为基准面。假设水流方向从断面1到断面2。列写两断面能量方程：由连续性方程得代入数据计算得故假设水流方向正确。73例：例：虹吸管。管径d=0.6m，h1=2m，h2=3.6m。不考虑水头损失。求管道中流量Q以及1、2、3、4点处的位能、压能、动能、总能量。3412h1h274解：解：选定过4点的水平面为基准面。列写过1、4两点过水断面能量方程：列写过1、2两点断面能量方程：3412h1h2，求得，求得75列写过3、4两点断面能量方程：3412h1h2求得763412h1h2 3.6 3.6 3.6 3.6 0 0 3.6 3.6 0 0 3.6 5.6 5.6 3.6 3.6 3.6总能量 1 4 3 2动能压能位能断面单位：m77作业：作业：P111思考题：思考题：2-3，2-4，2-5习题：习题：2-2，2-4，2-8，2-978第第五五节节 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程 动量方程的理论基础是质点的动量定律动量定律：一、动量方程推导一、动量方程推导质点在某一方向的动量变化，等于作用在该质点上所有外力的冲量在同一方向上投影的代数和。即7912则流段1-2动量的增量为 经过时间 后，流段移至新的位置 。-设时刻 t 流段处于1-2之间位置。其中，80定义动量修正系数恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程81应用动量方程时，需要写成其三个投影方向上的标量式：82若计算断面满足均匀流或渐变流条件，则 ，实际计算中常取为1。l 关于动量修正系数关于动量修正系数83选定投影轴方向。当流速、作用力的方向与投影轴方向一致时，其值为正，反之为负。边界壁对控制体作用力的方向可以随意假定。选取控制体。动量的增量为输出的动量减去输入的动量。边界壁对控制体的内摩擦力可以忽略不计。l 动量方程应用注意事项动量方程应用注意事项 84l 动量方程的推广动量方程的推广85二、二、恒定总流动量方程的恒定总流动量方程的应用举例应用举例 1 1、弯管内水流对管壁的作用力、弯管内水流对管壁的作用力 弯管位于 平面内86分析弯管内水流段受到的各种外力：断面1、2动水压力 、；管段内水体重力 ；管壁对水流的反作用力 。87对控制体，沿 方向动量方程：其中，对控制体，沿 方向动量方程：其中，882 2、水流对溢流坝面的水平总作用力、水流对溢流坝面的水平总作用力 128912分析控制体受到的各种外力：断面1、2受到的动水压力 、，坝体对水流反作用力 。9012控制体沿 方向动量方程：其中，913 3、射流对垂直固定平面壁的冲击力、射流对垂直固定平面壁的冲击力12092分析控制体受到的各种外力：120射流经喷嘴进入大气后，均被大气包围。采用相对压强，则三个断面的动水压力均为零。互略空气摩擦，控制体只受到壁面的反作用力 。93120对控制体，沿 方向动量方程：则94作业：作业：P111思考题：思考题：2-6习题：习题：2-11，2-13，2-1495习题习题 2-11 ，流量 。不计水头损失。求镇墩在轴向上受到的推力。已知9612解：根据连续性方程得选取过水管中轴线的水平面为基准面。列写断面1、2能量方程：则97选取投影轴方向列写控制体沿 方向的动量方程：则设控制体受到镇墩轴向推力为其中，12982-13 12闸门宽 ，流量 ，收缩断面水深 。不计摩擦力。求作用在平板闸门上的动水总压力。已知99解：12根据连续性方程则由 得断面1、2为渐变流断面，其动水压强可以按静水压强规律计算：10012列写控制体沿 方向的动量方程有设闸门对控制体的作用力为则作用在闸门上的动水总压力为 的反作用力。101