工程流体力学第四章.pptx

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1、概述概述流体运动学主要研究流体的运动规律，如质点的速度、加速度的变化和所遵循的规律。分析流体运动最基本的理论工具是流体动力学的基本方程。流体动力学基本方程可用微分形式来表示，也可用积分形式来表示，二者的本质是一致的。1PART ONE4.1 描述流体质点运动的两种方法4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法概述概述流体是由无数个质点组成的连续介质，因此，研究流体运动规律的方法和固体不同，分为两种。拉格朗日法欧拉法4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.1 拉格朗日法（拉格朗日法（Lagrange Method）拉格朗日法又称随体法

2、。它着眼于流体各质点的运动情况，以个别质点作为观察对象加以描述，追踪研究每一个流体质点的运动规律，将各个质点的运动汇总起来，得到整个流场的运动规律。拉格朗日法以某一指定的流体质点在t0时刻的初始坐标为（a，b，c），则在任一时刻t，该质点的位置将是t0时刻该质点的起始坐标和时间变量的函数，如式（4-1）所示。（4-1）其中，a，b，c，t称为拉格朗日变数。4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.1 拉格朗日法（拉格朗日法（Lagrange Method）当研究该流体质点的流速u及加速度a时，可直接将式（4-1）对时间求一阶和二阶偏导数。在求导过程中，a，b，

3、c均视为常数。（4-2）4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.1 拉格朗日法（拉格朗日法（Lagrange Method）（4-3）其中，ux，uy，uz，ax，ay，az分别为质点流速u及加速度a沿三坐标轴的分量。拉格朗日法物理概念简明，但在数学上难以实现，且难于了解质点运动的全过程。因此，该方法除用于分析波浪运动等个别情况外，实践中较少采用。4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Euler Method）欧拉法研究流体运动，其着眼点是运动流体所充满的空间，即流场。它以流场中某个固定空间点为考察对

4、象，观察流体经过各固定点时的运动情况，而不考虑这些运动所代表的流体质点及这些质点运动经历。汇总流场中的运动参数，便可形成对整个流动的描述。因此，欧拉法又称空间点法或流场法。欧拉法主要包括两个内容：确定在空间某一固定点上流体的运动参数随时间变化的规律；确定在某一瞬间各空间点上流体的运动参数的分布规律。4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Euler Method）对于任一个流体质点来说，其位置变量x、y、z都是时间t的函数，即（4-4）4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Eule

5、r Method）设ux、uy、uz、p、分别为流体质点在t时刻，速度u在x、y、z轴的分量，以及压强和密度，则有（4-5）其中，空间坐标x，y，z和时间变量t称为欧拉变数。4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Euler Method）当空间坐标x，y，z不变，而仅仅是时间t变化时，式（4-5）表示在某一固定空间点上，流体的运动要素随时间变化的规律；当时间t不变，而空间坐标x，y，z变化时，式（4-5）表示在某一瞬间，不同空间点上流体运动要素的分布规律。4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧

6、拉法（欧拉法（Euler Method）采用欧拉法时，某时刻空间点速度还可表示为：（4-6）由于空间坐标x，y，z是时间t的函数，则加速度可表示为：（4-7）4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Euler Method）分量形式（4-8）此加速度表达式称为质点导数，它由两部分组成，速度随时间变化率 称为时变加速度或当地加速度，它表示不同流体质点先后经过某固定空间点所产生的该空间点上的加速度；速度随位置变化率 ，等各项称为位变加速度或迁移加速度，它表示同一时刻由于流体质点空间位置变化而引起的流速随时间的变化率。4.1 4.1 描述流体质

7、点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Euler Method）与拉格朗日法不同：欧拉法只以空间点的流速、加速度为研究对象，并不涉及流体质点的运动过程，也不考虑各点流速及加速度属于哪一质点。因此，欧拉法被广泛应用于流体力学的研究中。4.1 4.1 描述流体质点运动的两种方法描述流体质点运动的两种方法4.1.2 欧拉法（欧拉法（Euler Method）例如，有一水箱的放水管在放水，其中有两个水流质点A与B。假定经过微小时段dt后，它们分别移至A和B，如图所示。由于作用水头H在放水过程中逐渐降低，则管内各固定的空间点上的流动都将随时间而变化，从而形成时变加速度。但

8、是，由于A与A两点所处管段直径不变，因此，这两点在同一时刻流速相同，理论上不存在迁移加速度；而B与B两点位于渐变段，管径逐渐变小，流速逐渐加大，因此，B点流速大于B点流速，故这两点之间不仅存在时变加速度，也存在迁移加速度。2PART TWO流体运动的基本概念4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.1 4.2.1 迹线与流线迹线与流线1迹线迹线是流体质点在某一时段的运动轨迹。由运动方程：得到迹线的微分方程：（4-9）式中时间t是自变量，x，y，z是t的因变量，ux，uy，uz均为t，x，y，z的函数。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.1 4.2.1

9、迹线与流线迹线与流线2.流线所谓流线是某一时刻在流场中画出的一条空间曲线，在该时刻，曲线上的所有质点的流速矢量均与这条曲线相切，如图所示。流线能够形象地描绘出流场内的流动状态，它也是欧拉法描述流体运动的几何基础。流线的特性是不会相交，否则位于交点的流体质点，在同一时刻就有与流线相切的两个速度矢量，而这是不可能的；流线只能是一条光滑曲线或直线，不可能是折线；流线密的地方流速大，流线疏的地方流速小。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.1 4.2.1 迹线与流线迹线与流线设t时刻，在流线上某点附近取微元段矢量 ，为该点速度矢量，由于 足够小，因此，二者方向一致，如图所示。即（

10、4-10）在直角坐标系中，流线微分方程为：（4-11）初看起来，流线微分方程与迹线微分方程类似，但是，两者含义是不同的。对于流线微分方程，式中的x，y，z是与t无关的独立变量，它们表示在某一瞬时t组成同一流线的空间点的坐标。因此，在流线微分方程积分过程中，时间t可作为常量处理。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.1 4.2.1 迹线与流线迹线与流线【例4-1】已知平面流场的速度分布，ux=-4x+2，uy=4y-2，求流线方程。【解】根据流线方程得则故4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.2 4.2.2 流管、元流（流束）与总流流管、元流（流束）与

11、总流1流管流管是在流场中任取不与流线重合的封闭曲线，过曲线上各点作流线，所构成的管状表面，如图所示。由于流线不能相交，所以流体不能由流管壁出入。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.2 4.2.2 流管、元流（流束）与总流流管、元流（流束）与总流2元流流管中流动的流体称为元流、流束或纤流，元流的极限是一条流线。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.2 4.2.2 流管、元流（流束）与总流流管、元流（流束）与总流3总流把边界扩展到整个运动流体的边界上，则边界内整股流动的流束称为总流。即总流在边界内由无数股元流组成。例如，工程中沿某一方向流动的水管、风管

12、等。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.3 4.2.3 过流断面、流量与断面平均流速过流断面、流量与断面平均流速1过流断面过流断面是在流束上作出的与流线正交的横断面。过流断面不一定都是平面，只有在流线相互平行的均匀流段，才是平面，如图所示。4.2 4.2 流体运动的基本概念流体运动的基本概念4.2.3 4.2.3 过流断面、流量与断面平均流速过流断面、流量与断面平均流速由于总流过流断面上实际的流速分布是不均匀的，因此，在工程中常用断面平均流速来表示。以管流为例，管壁附近流速较小，轴线上流速最大，如图所示。为了方便，设过流断面上流速均匀分布，通过流量与实际流量相同，流速定

13、义为该断面的平均流速，即（4-14）显然，当流量Q一定时，过水断面越大，断面平均流速越小；过水断面越小，断面平均流速越大。3PART THREE流体运动的分类4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.1 4.3.1 恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流恒定流动又称定常流动，是指流场中各空间点上的运动参数不随时间变化，只与空间位置有关的流动。此时流体被称为恒定流，反之，其他流体被称为非恒定流。恒定流的流场方程为：（4-15）此时物理量的时变导数为零（4-16）4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.2 4.3.2 一元流、二元流与三元流一元流、二元流与三元流以空间为标准，若各空

14、间点的运动参数（主要是速度）是三个空间坐标和时间变量的函数，则该流动是三元流动。若各空间点的速度平行于某一平面，运动参数只是两个空间坐标和时间变量的函数，则该流动是二元流动。若各空间点上的运动参数只是一个空间坐标和时间变量的函数，则该流动是一元流动。4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.3 4.3.3 均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流同一流线上各质点的流速矢量沿程不变，流线簇彼此呈平行直线的流动，称为均匀流，否则为非均匀流。均匀流的迁移加速度为0，即非均匀流又分为渐变流与急变流。如果流体质点的迁移加速度很小，或者说流线近于平行直线，则该流动被称为渐变流，否则被称为急变流，如图所示

15、。4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.3 4.3.3 均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流显然，渐变流与均匀流相似，因此，均匀流的性质对于渐变流都近似成立。这些性质具体包括：（1）渐变流的过流断面近于平面，平面上各点的速度方向近于平行，且过流断面的面积沿程不变；（3）同一流线上各点的流速相等（不同流线则不一定相等），流速分布沿程不变，断面平均流速沿程不变，因此，均匀流是沿程没有加速度的流动。（3）恒定渐变流过流断面上的动压强按静压强的规律分布，即同一断面上任一点的测压管水头为常数。此外，渐变流没有准确的界定标准，流动是否按渐变流处理，以所得结果能否满足工程要求的精度而定。4.3 4

16、.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.4 4.3.4 有压流与无压流有压流与无压流如果流体充满整个管道的断面，而没有自由表面，这种管道称为有压管道，有压管道中的流体称为有压流。一般来说，有压管道断面上各点承受的压强一般大于大气压强。此外，还要注意，管道的有压还是无压都是针对大气压强而言的。如果管道内没有被流体充满，而存在自由表面，则管内自由表面压强为大气压强，这样的管道称为无压管道，无压管道中的流体称为无压流。4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.4 4.3.4 有压流与无压流有压流与无压流【例4-2】已知流场的速度分布为ux=x2y，uy=-3y，uz=2z2，求点（1，2

17、，3）处流体的加速度。【解】4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.4 4.3.4 有压流与无压流有压流与无压流【例4-3】已知速度场问：在t=2s时，（2，4）点的加速度是多少？该流动是恒定流还是非恒定流？该流动是均匀流还是非均匀流？【解】计算在（2，4）点的加速度4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.4 4.3.4 有压流与无压流有压流与无压流【例4-3】已知速度场问：在t=2s时，（2，4）点的加速度是多少？该流动是恒定流还是非恒定流？该流动是均匀流还是非均匀流？【解】计算在（2，4）点的加速度4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.4 4.3.4

18、有压流与无压流有压流与无压流【例4-3】已知速度场问：在t=2s时，（2，4）点的加速度是多少？该流动是恒定流还是非恒定流？该流动是均匀流还是非均匀流？【解】把t=2s，x=2，y=4代入上式，得ax=4m/s2，ay=6m/s2，a=7.21m/s2 判断该流动是恒定流还是非恒定流由于显然，速度随时间变化，因此，该流动是非恒定流。4.3 4.3 流体运动的分类流体运动的分类4.3.4 4.3.4 有压流与无压流有压流与无压流【例4-3】已知速度场问：在t=2s时，（2，4）点的加速度是多少？该流动是恒定流还是非恒定流？该流动是均匀流还是非均匀流？【解】判断该流动是均匀流还是非均匀流由于流动的

19、迁移加速度为故该流动为均匀流。4PART FOUR流体运动的连续性方程4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程概述概述连续性方程是流体运动学的基本方程，是质量守恒原理的流体力学表达式。流体被视为连续介质，流场中任一封闭曲面，在任一瞬时流进封闭曲面的的流体质量与流出流体质量之差应等于封闭曲面内因密度变化而引起的质量变化，即流动必须遵循质量守恒定律。4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.1 4.4.1 连续性微分方程连续性微分方程在流场中取微小直角六面体空间为控制体，正交三个边dx，dy，dz分别平行于x，y，z轴，如图所示。首先计算dt时间x方向流出和流

20、入控制体的质量差，即x方向净流出质量为：同理，y、z方向的净流出质量如下：4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.1 4.4.1 连续性微分方程连续性微分方程则dt时间控制体的总净流出质量为：则dt时间控制体的总净流出质量必等于控制体由于密度变化而减少的质量，即（4-17）4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.1 4.4.1 连续性微分方程连续性微分方程式（4-17）即为可压缩流体非恒定流的连续性微分方程，它表达了任何可实现的流体运动所必须满足的连续性条件。其物理意义是：流体在单位时间流经单位体积空间时，流出与流进的质量差与其内部质量变化的代数

21、和为零，即流体质量守恒。4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.1 4.4.1 连续性微分方程连续性微分方程对于均匀不可压缩流体，为常数，则（4-18）式（4-18）即为不可压缩流体的连续性微分方程。该式说明：对于均匀不可压缩流体来说，单位时间流出与流进单位体积空间的流体体积之差等于零，即流体体积守恒。上述形式的连续性微分方程是1755年欧拉首先建立的，是质量守恒原理的流体力学表达式（微分形式），它是支配流体流动的基本微分方程式。4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.2 4.4.2 总流的连续方程总流的连续方程设恒定总流，在总流上任取两个过流断

22、面、，其面积和断面平均流速分别是A1、A2、1、2，密度分别为1、2。以两过流断面及其间的总流侧表面所包围的空间作为控制体（图中的虚线），则流出控制体的质量流量为22 A2，流入控制体的质量流量为11 A1。因此，恒定流动中流出和流入控制体的质量流量可写成（4-19）这就是恒定流动条件下总流的连续性方程。它表明，在恒定流动中，总流沿程通过各过流断面的质量流量都相等。4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.2 4.4.2 总流的连续方程总流的连续方程若流动不仅是恒定的，流体还是不可压缩的，则式（4-19）中1=2，故有（4-20）该式表明，在不可压缩流体的恒定流动中，总流

23、沿程通过各过流断面的体积流量都相等，因而总流过任意两流断面的平均流速与其面积成反比。4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.2 4.4.2 总流的连续方程总流的连续方程【例4-4】设有两种均匀不可压缩的二元流动，流速为 ux=-2x，uy=-2y；ux=0，uy=3xy，检查流动是否满足连续条件。【解】代入连续性方程满足连续性条件；不满足连续性条件，流动不存在。4.4 4.4 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程4.4.2 4.4.2 总流的连续方程总流的连续方程【例4-5】直径4.5cm的压气机进口断面上空气的密度为1.2kg/m3，平均流速为5m/s。经过压缩后

24、在直径为2.5cm的圆管中以平均流速3m/s送出，求通过压气机的质量流量和出口断面的空气密度。【解】进入压气机的质量流量为根据连续性方程，流出压气机与流入压气机的质量流量应该相等，故5PART FIVE理想流体的运动微分方程4.5 4.5 理想流体的运动微分方程理想流体的运动微分方程概述概述在运动的无黏性流体中，取微小平行六面体（质点），正交的三个边dx，dy，dz分别平行于x，y，z坐标轴，如图4-10所示。设六面体的中心点为O（x，y，z），速度为u，压强为p，分析该微小六面体x方向的受力和运动情况。4.5 4.5 理想流体的运动微分方程理想流体的运动微分方程4.5.1 4.5.1 表面力

25、与质量力表面力与质量力理想流体内不存在切应力，只有压强。x方向受压面（abcd面和abcd面）形心点的压强为因为受压面非常微小，所以，pM，pN可以作为所在平面的平均压强，故受压面上的压力为作用于微小六面体x方向的质量力为4.5 4.5 理想流体的运动微分方程理想流体的运动微分方程4.5.2 4.5.2 力平衡方程力平衡方程由牛顿第二定律，在x轴方向上，作用于微元六面体上的表面力和质量力的代数和应等于微元六面体的质量与加速度的乘积。即则化简得4.5 4.5 理想流体的运动微分方程理想流体的运动微分方程4.5.2 4.5.2 力平衡方程力平衡方程同理得将加速度项展开成欧拉法表示，得（4-21）4

26、.5 4.5 理想流体的运动微分方程理想流体的运动微分方程4.5.2 4.5.2 力平衡方程力平衡方程式（4-21）即为理想流体运动微分方程式，又称欧拉运动微分方程式。该式是牛顿第二定律的流体力学表达式，是控制理想流体运动的基本方程式。对于恒定流，对于静止流体，6PART SIX恒定元流的伯努利方程4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.1 4.6.1 理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分方程是非线性偏微分方程组，只有特定条件下的积分，其中最著名的是伯努利（Bernoulli）积分。将各式分别乘以dx、dy、dz并相加，得（4

27、-22）4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.1 4.6.1 理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分方程的伯努利方程引入限定条件：（1）作用在流体上的质量力只有重力，则X=Y=0，Z=-g（2）流体为不可压缩流体，且恒定流动，则=常数，p=p(x，y，z)4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.1 4.6.1 理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分方程的伯努利方程（3）恒定流动，且流线与迹线重合，则4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.1 4.6.1 理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分

28、方程的伯努利方程将上面各式代入式（4-22），积分得（4-23）或（4-24）4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.1 4.6.1 理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分方程的伯努利方程也可采用符号代表单位体积流体的重量，则式（4-23）又可表示为4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.1 4.6.1 理想流体运动微分方程的伯努利方程理想流体运动微分方程的伯努利方程上述理想流体运动微分方程沿流线的积分称为伯努利积分，所得式（4-23）或（4-24）称为伯努利方程。由于元流的过流断面积无限小，所以沿流线的伯努利方程就是元流的伯努利方程。

29、推导该方程引入的限定条件，就是理想流体元流伯努利方程的应用条件。归纳起来有：理想流体；恒定流动；质量力中只有重力；沿元流（流线）；不可压缩流体。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.2 4.6.2 伯努利方程的物理意义和几何意义伯努利方程的物理意义和几何意义1物理意义伯努利方程每一项都表示单位重量流体所具有的能量，所以，该方程的物理意义也就是它的能量意义。式（4-23）中各项的物理意义如下：z表示单位重量流体从某一基准面算起所具有的位置势能，简称单位位能；表示单位重量流体相对于以大气压强为基准所具有的压强势能，简称单位压能。由于流体压强的存在，可以使流体上升至一定高度

30、，故称之为压强势能。流体的压强实质上是一种潜在能量。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.2 4.6.2 伯努利方程的物理意义和几何意义伯努利方程的物理意义和几何意义 则反映了单位重量流体所具有的总势能；是单位重量流体具有的动能；三项之和 是单位重量流体具有的总机械能。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.2 4.6.2 伯努利方程的物理意义和几何意义伯努利方程的物理意义和几何意义式（4-23）表明，元流从一个断面到另一个断面的过程中，其断面上各项单位能量在一定条件下可以相互转化。但是，前一过流断面的总机械能应和后一断面的总机械能相等，即元流

31、各过流断面上单位重量流体所具有的总机械能沿程保持不变。它反映了能量既守恒又转化的关系。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.2 4.6.2 伯努利方程的物理意义和几何意义伯努利方程的物理意义和几何意义2几何意义伯努利方程中的每一项都具有长度量纲，因此，该方程中每一项的几何意义都表示单位重量流体所具有的高度，在水力学中称之为水头。式（4-23）中各项的几何意义如下：z表示研究点相对某一基准面的位置高度，故称其为位置水头；表示与所研究点处压强大小相当的液柱高度，故称之为压强水头；4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.2 4.6.2 伯努利方程的物

32、理意义和几何意义伯努利方程的物理意义和几何意义两项之和 等于测点处测压管的液面高度，故称之为测压管水头；表示与研究点处流速大小相当的液柱高度，称之为流速水头；三项之和表示测点处的总水头。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.2 4.6.2 伯努利方程的物理意义和几何意义伯努利方程的物理意义和几何意义式（4-23）表明，元流从一断面流到另一断面的过程中，总水头线H沿程不变，故总水头线是一水平线，如图所示。同时，其他水头之间可以相互转化。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.3 4.6.3 元流伯努利方程的应用元流伯努利方程的应用毕托管毕托管下面

33、以毕托管（Pitot Tube）为例，说明元流能量方程的应用。毕托管是广泛用于量测水流和气流点流速的一种仪器，如图4-12所示。管前端开口a正对水流或气流。a端内部有流体通路与上部a端相通。管侧有多个孔口b，b端内部也有流体通路与上部b相通。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.3 4.6.3 元流伯努利方程的应用元流伯努利方程的应用毕托管毕托管由于a、b点相距很近，故其位置水头z相等，即za=zb。因此，我们可以沿ab流线写元流能量方程如下：则则4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.3 4.6.3 元流伯努利方程的应用元流伯努利方程的应用毕

34、托管毕托管因 即为a、b两管水面差h，则点流速考虑到黏性流体从迎流孔至顺流孔存在黏性效应，以及毕托管对源流场的干扰等因素，可引入修正系数，于是（4-25）为毕托管修正系数，可经实验标定，其取值范围通常在11.04之间。在要求不是很严格的情况下，通常可取1。4.6 4.6 恒定元流的伯努利方程恒定元流的伯努利方程4.6.4 4.6.4 黏性流体元流的伯努利方程黏性流体元流的伯努利方程实际流体具有黏性，运动时产生流动阻力，克服阻力做功，使流体的一部分机械能不可逆地转化为热能而散失。因此，黏性流体流动时，单位重量流体具有的机械能沿程不是守恒而是减少，总水头线是沿程下降的。因此，设hw为黏性流体元流单

35、位重量流体由过流断面11运动至过流断面22的机械能损失（称为元流的水头损失），根据能量守恒原理，可得到黏性流体元流的伯努利方程（4-26）其中，水头损失hw也具有长度量纲。7PART SEVEN恒定总流的伯努利方程4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.1 4.7.1 黏性流体恒定总流的能量方程黏性流体恒定总流的能量方程工程实际中，流动一般都是总流。应用能量方程解决实际问题，必须把元流的能量方程对总流过流断面积分，从而推广为总流的能量方程。（4-27）式（4-27）即为黏性流体总流的伯努利方程。式中：z1、z2为1、2过流断面上选定点相对于选定基准面的高程；p1、p2为

36、相应断面选定点的压强；1，2为相应断面的平均流速；1，2为相应断面的动能修正系数，它表示单位时间通过总流某一断面的实际动能，与以断面平均流速，在单位时间通过同一断面的动能之比。的取值取决于过流断面上速度的分布的情况。对于分布较均匀的流动，1.051.0，通常取1.0；4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.1 4.7.1 黏性流体恒定总流的能量方程黏性流体恒定总流的能量方程hw为1、2两断面间单位重量流体所具有的能量损失，称为水头损失。影响hw的因素较为复杂，它除了与流速大小、断面形状和尺寸有关外，还与流道的固体边壁的性质和粗糙程度等因素有关。此外，根据能量损失的形式不

37、同，hw可划分为沿程能量损失和局部能量损失。其中，沿程能量损失称为沿程水头损失，通常以hf表示；局部能量损失称为局部水头损失，通常以hj表示。同样，将元流的伯努利方程推广为总流的伯努利方程，也引入了某些限制条件（称为总流伯努利方程的适用条件），具体包括：恒定流动；质量力只有重力；不可压缩流体；所取过流断面为渐变流断面；两断面间无分流和汇流。4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.2 4.7.2 有能量输入或输出的伯努利方程有能量输入或输出的伯努利方程总流伯努利方程（4-27）是在两过流断面间除水头损失之外，再无能量输入或输出的条件下导处的。但是，当两过流断面间有水泵、风

38、机或水轮机等流体机械时，存在能量的输入或输出。对于此种情况，根据能量守恒原理，在式（4-27）中计入单位重量流体经流体机械获得或失去的机械能，便扩展为有能量输入或输出的伯努利方程式（4-28）式中：Hm表示单位重量流体流过流体机械（如水泵）获得的机械能，又称水泵的扬程；Hm表示单位重量流体给予流体机械（水轮机）的机械能，又称水轮机的作用水头。4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.3 4.7.3 两断面间有分流或汇流的伯努利方程两断面间有分流或汇流的伯努利方程总流的伯努利方程（式4-27）是在两过流断面间无分流和汇流的条件下导出的，而实际的供水，供气管路，沿程大多都有分

39、流和汇流。对于两断面间有分流的流动（参见图），设想11断面的来流分为两股（以虚线划分），分别通过22，33断面对11（11断面中的一部分）和22断面列伯努利方程，如下所示：（4-29）4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.3 4.7.3 两断面间有分流或汇流的伯努利方程两断面间有分流或汇流的伯努利方程因11断面为渐变流断面，面上各点的势能相等，则如11断面流速分布较为均匀，即于是故同理4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.3 4.7.3 两断面间有分流或汇流的伯努利方程两断面间有分流或汇流的伯努利方程由此可见，两断面间虽有流出或流入流量，但写

40、总流量能量方程时，只考虑断面间各支流的能量损失，而不考虑流出或流入流量的能量损失。4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.4 4.7.4 气体的伯努利方程气体的伯努利方程总流的伯努利方程式（4-27）是对不可压缩流体导出的。气体是可压缩流体，但对于速度不是很大，压强变化不大的系统，如工业通风管路、烟道等，气流在运动过程中密度变化很小，在这样的条件下，伯努利方程也可用于气流。由于气流的密度同外部空气的密度是相同的数量级，在用相对压强进行计算时，需要考虑外部大气压在不同高度的差值。4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.4 4.7.4 气体的伯努利方

41、程气体的伯努利方程如图所示，设恒定气流的气流密度为，外部空气的密度为a，过流断面上计算点的绝对压强为1abs、2abs。列11和22断面的伯努利方程进行气流计算时，通常把上式表示为压强的形式，取1=2=1，则（4-30）式中pw为压强损失。4.7 4.7 恒定总流的伯努利方程恒定总流的伯努利方程4.7.4 4.7.4 气体的伯努利方程气体的伯努利方程将式（4-30）中的压强用相对压强p1、p2表示，则式中pa为高程z1处的大气压，为高程z2处的大气压。将p1abs、p2abs代入式（4-30），式两端消去pa，进行简单整理，得（4-31）这里p1、p2称为静压，、称为动压，为单位体积气体所受有

42、效浮力，z2-z1为气体沿浮力方向升高的距离，乘积为11断面相对于22断面单位面积气体的位能，称为位压。式（4-31）就是以相对压强计算的气流伯努利方程。8PART EIGHT恒定总流的动量方程4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.1 4.8.1 动量守恒及动量简介动量守恒及动量简介流体运动出了必须遵守质量守恒和能量守恒普遍规律外，还必须遵守动量守恒原理。动量方程即为动量守恒定律在流体运动中的具体表现，它反映了流体运动的动量变化与作用力之间的关系。虽然能量方程和连续性方程对于分析流体运动和解决工程实际问题极为有用，但是，它们没有反映出流体和边界作用之间的关系，而工程实践中

43、经常要求分析、计算急变流段的流体与固定边界之间的相互作用力。同时，能量方程中包含有水头损失，但对于某些流动，一时难于确定水头损失的大小，动量方程则弥补了这些不足，因而在分析流体运动问题时得到了广泛应用。4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.1 4.8.1 动量守恒及动量简介动量守恒及动量简介所谓动量定律是指：单位时间内运动物体的动量变化等于作用于该物体上外力的总和，具体表示为 是运动物体的动量，它等于运动物体质量m与其速度 的乘积，即 。由于速度是矢量，因此，动量也是矢量。是指作用在物体上的外力之和，t是物体运动的时间。代表动量的变化。4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒

44、定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量方程推导设恒定总流，取过流断面11、22为渐变流断面，面积为A1、A2，以过流断面及总流的侧表面围成的空间为控制体（参见图）。控制体内的流体经过dt时间，由12运动到12位置。由于流动是不可压缩流体的恒定流动，因此，断面11和22之间的流体虽然经过了时间dt，但其质量和流速均保持不变，即动量不变。因此，流体在时间段dt内的动量变化实际上是断面11和11，以及断面22和22之间两段流体的动量之差4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量方程推导在断面1

45、1上取一小微元小面积dA1，沿总流中心线在断面11和11之间取一段元流，设流体在面积dA1上的流速为u1，则11段元流长度为u1dt，质量为u1dt dA1，动量为对面积A1积分，得11段总流的动量为用断面平均流速代替u，则4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量方程推导其中，为动量修正系数，其值为值取决于过流断面上的速度分布，对于速度分布较均匀的流动来说，=1.0221.05，通常取1.0。同理得则动量差为即单位时间内的动量变化为4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方

46、程推导恒定总流的动量方程推导根据动量定律，则(4-32)其中作用在断面11至22流段的外力包括：表面力，即作用于该两断面上的动水压力，四周边界对这段流体的总作用力；质量力只有重力。4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量方程推导在直角坐标系中，恒定总流的动量方程可以写成三个投影表达式，则流体的动量方程为（4-33）该方程表明，作用于控制体内流体上的外力等于控制体流出与流入的动量差，与控制体中的内力及动量变化无关。4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量

47、方程推导【例4-6】有一根水平放置于混凝土支座上的变直径弯管（参见图4-16），弯管两端与等直径直管相接处的断面11上压力表读数p1=17.6N/cm2，管中流量Q=100L/s。若管径d1=300mm，d2=200mm，转角=60。求水流对弯管作用力F的大小。【解】根据连续性方程得4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量方程推导【例4-6】有一根水平放置于混凝土支座上的变直径弯管（参见图4-16），弯管两端与等直径直管相接处的断面11上压力表读数p1=17.6N/cm2，管中流量Q=100L/s。若管径d1=300mm，d2=200mm，转角=60。求水流对弯管作用力F的大小。取管内水流为研究对象，列动量方程：其中，列能量方程：4.8 4.8 恒定总流的动量方程恒定总流的动量方程4.8.2 4.8.2 恒定总流的动量方程推导恒定总流的动量方程推导【例4-6】有一根水平放置于混凝土支座上的变直径弯管（参见图4-16），弯管两端与等直径直管相接处的断面11上压力表读数p1=17.6N/cm2，管中流量Q=100L/s。若管径d1=300mm，d2=200mm，转角=60。求水流对弯管作用力F的大小。解得则水流对弯管的作用力F与R大小相等，方向相反。ThanksThanksThanksThanks