4流体动力学详解.ppt
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1、工程流体力学工程流体力学1 14.4.流体动力学流体动力学流体运动学只研究流体运动的参数变化规律以及参数间的关系,并不涉及运动参量与受力之间的关系,故理想和实际流体都适用。动力学研究运动流体之间以及流体与固体边界的作用力(速度,加速度,质量力,压力,粘性力等),故要考虑实际流体和理想流体。第四章 流体动力学工程流体力学工程流体力学2 24.4.流体动力学流体动力学4.1理想流体的运动微分方程在流动的理想流体中,取出一个微元平行六面体的微团,它的各边长度分别为dx、dy和dz,如图4-1所示。由于是理想流体,没有黏性,运动时不产生内摩擦力,所以作用在流体微团上的外力只有质量力和压强。该压强与静压
2、强一样,垂直向内,作用在流体微团的表面上。假设六面体形心的坐标为x、y、z,压强为p。先分析x方向的运动,在垂直于x轴的左右两个平面中心点上的压强各等于由于是微元面积,所以这些压强可以作为各表面上的工程流体力学工程流体力学3 34.4.流体动力学流体动力学图4-1推导欧拉运动微分方程用图工程流体力学工程流体力学4 44.4.流体动力学流体动力学平均压强。设在六面体形心上的单位质量的质量力分量为X、Y 和Z,则作用在微元平行六面体的流体微团上的质量力在轴方向的分量为Xdxdydz又流体微团的加速度在x轴上的投影为,则根据牛顿第二定律得x轴方向的运动微分方程将上式各项除以流体微团的流体质量dxdy
3、dz,化简后得:同理(4-1)工程流体力学工程流体力学5 54.4.流体动力学流体动力学这就是理想流体的运动微分方程,早在1755年就为。对于静止的流体u=v=w=0,则由式(4-1)可以直接得出流体平衡微分方程,即欧拉平衡微分方程式(2-3)。因此欧拉平衡微分方程只是欧拉运动微分方程的一个特例。如果把加速度写成展开式,可将欧拉运动微分方程写成如下形式(4-2)工程流体力学工程流体力学6 64.4.流体动力学流体动力学在一般情况下,作用在流体上的质量力X、Y 和Z是已知的,对理想不可压缩流体其密度为一常数。在这种情况下,式(4-2)中有四个未知数u、v、w和p,而式(4-2)中有三个方程,再加
4、上不可压缩流体的连续性方程,就从理论上提供了求解这四个未知数的可能性。工程流体力学工程流体力学7 74.4.流体动力学流体动力学二、理想流体的伯努利方程、理想流体的伯努利方程理想流体的运动微分方程只有在少数特殊情况下才能求解。在下列几个假定条件下:(1)不可压缩理想流体的定常流动;(2)沿同一微元流束(也就是沿流线)积分;(3)质量力只有重力。即可求得理想流体的伯努利方程。假定流体是定常流动,则有工程流体力学工程流体力学8 84.4.流体动力学流体动力学因此式(4-1)可写成(4-3)假如流体微团沿流线的微小位移ds在三个坐标轴上的投影为dx、dy和dz。现用dx、dy和dz分别乘以式的第一式
5、、第二式和第三式,则可得到工程流体力学工程流体力学9 94.4.流体动力学流体动力学(4-37)由流线微分方程有udy=vdxydz=wdy(4-38)wdx=udz将式(4-38)代入式(4-37)中的对应项,则得工程流体力学工程流体力学10104.4.流体动力学流体动力学(4-39)将式(4-39)的三个方程相加,得到(4-40)由于式(4-40)中的dx、dy和dz是流体微团沿流线微小位移ds的三个分量,所以要沿流线(或微元流束)进行积分。工程流体力学工程流体力学11114.4.流体动力学流体动力学式(4-40)中的假设质量力只有重力,X=0,Y=0,Z=-g,即z轴垂直向上,oxy为水
6、平面。则式(3-40)可写成又假设为不可压缩均质流体,即=常数,积分后得或(4-41)式(4-41)称为理想流体的伯努利方程。方程右边的常数对不同的流线有不同的值。工程流体力学工程流体力学12124.4.流体动力学流体动力学该方程的适用范围是:sy4.7理想不可压缩均质流体在重力作用下作定常流动,并沿同一流线(或微元流束)。若1、2为同一条流线(或微元流束)上的任意两点,则式(4-41)也可写成(4-42)在特殊情况下,绝对静止流体V=0,由式(4-41)可以得到静力学基本方程工程流体力学工程流体力学13134.4.流体动力学流体动力学三,1、伯努利方程的物理(能量)意义物理意义:在管内作稳定
7、流动的理想液体具有压力能、位能和动能三种形式的能量。在任意过流截面上这三种能量都可以相互转换,但其总和保持不变。把质量为m的物体从基准面提升z高度后,该物体就具有位能mgz,则单位重量物体所具有的位能为z(mgz/mg=z)。流体静压强p的作用下,流体进入测压管上升的高度h=p/g称为单位重量流体的压强势能。质量为m的物体以速度V运动时,所具有的动能为Mv2/2,则单位重量流体所具有的动能为V2/(2g)即(mV2/2)/(mg)=V2/(2g)。比位能比压能比动能工程流体力学工程流体力学14144.4.流体动力学流体动力学2、伯努利方程的几何意义位置水头压力水头速度水头总水头线和静水头线测压
8、管水头总水头工程流体力学工程流体力学15154.4.流体动力学流体动力学4.2、实际流体总流的伯努利方程实际流体是有粘性的,由于粘性的存在,在流体运动时将有一部分能量转化为其它形式的能量(如声,热等),这就意味着发生了一定的能量损失。这一损失表现在伯努利方程,就是实际流体中,流动路线上各点的速度头,位置头和压力头的总和不再等于常量,而是沿着流动线不断下降,这一下降从因次考虑,也可以用一个高度表示,这就是阻力损失。工程流体力学工程流体力学16164.4.流体动力学流体动力学一.实际流体总流的伯努利方程 a1、a2-为动能修正系数。流速均匀时取1,不均匀时取2。工程实际中,常取1.hL1-2-为实
9、际流体从1-1截面运动到2-2截面处所损失的能量工程流体力学工程流体力学17174.4.流体动力学流体动力学实际总流伯努利方程的应用条件:1)截面选择在缓变流截面上;2)流体为稳定流动;3)流体为不压缩性流体;4)流体只受到重力作用。工程流体力学工程流体力学18184.4.流体动力学流体动力学伯努力方程使用注意事项:1.适用条件.2.确定基准面.3.巧妙选取计算有效断面.4.统一单位5.动能修正系数(一般取1)工程流体力学工程流体力学19194.4.流体动力学流体动力学1.一般水利计算二.实际流体总流的伯努利方程的应用例题4-1:工程流体力学工程流体力学20204.4.流体动力学流体动力学工程
10、流体力学工程流体力学21214.4.流体动力学流体动力学【例题4-2】阀门全关,压力表读数49Kpa,阀门全开,压力表读数19.6Kpa。液面到压力表处水头损失1m,管径80mm。求流量。11H22解:阀关闭时阀开启时:工程流体力学工程流体力学22224.4.流体动力学流体动力学例例4-3 有一喷水装置如图示。已知h10.3m,h21.0m,h32.5m,求喷水出口流速,及水流喷射高度h(不计水头损失)。工程流体力学工程流体力学23234.4.流体动力学流体动力学2.节流式流量计常用的几种类型的流量计:孔板流量计、喷嘴流量计、文丘利流量计、浮子流量计、涡轮流量计、容积式流量计(椭圆齿轮流量计、
11、腰轮流量计、刮板流量计)其中、皆为节流式流量计。工程流体力学工程流体力学24244.4.流体动力学流体动力学特点:有效断面面积减小基本原理:当管路中的流体流经节流装置时,在收缩断面处流速增加,压力降低,使节流装置前后产生压差,可通过测量压差来计量流量。流量计公式:公式推导根据能量方程和连续性方程。工程流体力学工程流体力学25254.4.流体动力学流体动力学节流式流量计工作原理节流式流量计工作原理节流式流量计中,常用的节流装置包括:a、孔板b、喷嘴c、文丘里管节流式流量计工作原理:当流体经过过流断面缩小的节流装置时,流速增大,使动能增大,导致压能降低,在收缩断面前后产生压差。流量越大,压差越大。
12、压差在测压计上就表现为高度差。即。工程流体力学工程流体力学26264.4.流体动力学流体动力学为了测量管道中的流量,在管道中装置孔板流量计,这种测量流量的仪器包括一块有孔的薄板,安装在管道的法兰中,如图所示。理想液体孔板流量系数实际液体孔板流量系数通常选用空气或惰性气体1、孔板流量计工程流体力学工程流体力学27274.4.流体动力学流体动力学利用伯努力方程推到公式:以管轴为基准,在1-1,2-2断面列伯努利:(暂不考虑损失)通常选用空气或惰性气体又连续方程:故:工程流体力学工程流体力学28284.4.流体动力学流体动力学2、文丘里流量计文特里流量计主要用于管道中流体的流量测量,主要是由收缩段、
13、喉部和扩散段三部分组成,如图所示。它是利用收缩段,造成一定的压强差,在收缩段前和喉部用形管差压计测量出压强差,从而求出管道中流体的体积流量。工程流体力学工程流体力学29294.4.流体动力学流体动力学 以文丘里管的水平轴线所在水平面作为基准面。列截面1-1,2-2的伯努利方程 由一维流动连续性方程所以工程流体力学工程流体力学30304.4.流体动力学流体动力学则理想流体流量为:实际流体流量为:文丘里修正系数工程流体力学工程流体力学31314.4.流体动力学流体动力学文丘里管中的流动(变截面)工程流体力学工程流体力学32324.4.流体动力学流体动力学直接测量法:首先测出一定时间内的液体流过的体
14、积,然后根据流量的定义,计算出单位时间的液流体积,即得出体积流量。较适合流量较小的场合。间接测量法:使用仪器先测量出与流量或流速有关的压差、电信号等参数,然后通过公式再转换为流量。工程实际中常用。测流速和流量的方法工程流体力学工程流体力学33334.4.流体动力学流体动力学皮托管测速原理皮托管测速原理皮托管常用作测量液体质点的流速,其主要由测速管和测压管组成。如图所示。即为所测的流速,则1管测点A点压强为。而2管管口阻止流体的流动,B点的速度为0(称为驻点或滞止点),2管测的B点的压为。在A,B两点间由伯努利方程:考虑粘性和测速管对液流的影响12即得:工程流体力学工程流体力学34344.4.流
15、体动力学流体动力学如果测定气体的流速,则无法直接用皮托管和静压管测量出气柱差来,必须把两根管子连接到一个形差压计上,从差压计上的液面差来求得流速,如图所示,则用皮托管和静压管测量气体流速工程流体力学工程流体力学35354.4.流体动力学流体动力学测速管静压孔静压孔全压孔工程流体力学工程流体力学36364.4.流体动力学流体动力学节流式流量计小结各流量计基本原理相同,但不同的节流装置有不同的特点。孔板式易制造,成本低,用途较广,但阻力损失较大。文丘里管阻力损失较小,但制造工艺要求高,不易调换,属于精密仪器。浮子流量计因结构简单,维护方便而得到广泛应用。工程流体力学工程流体力学37374.4.流体
16、动力学流体动力学4.流动流体的吸引力喷射泵原理:利用喷嘴处高速水流造成低压,将液箱内液体吸入泵内与主流混合后排出.工程流体力学工程流体力学38384.4.流体动力学流体动力学例题4-3:问能否将液体吸入?工程流体力学工程流体力学39394.4.流体动力学流体动力学1.水力坡度:在流体力学中,液流沿流程在单位长度上的水头损失称为水力坡度,用i表示。断面1、2间的水头损失断面1、2间的长度对变径管路,则:5.水力坡度与水头线工程流体力学工程流体力学40404.4.流体动力学流体动力学工程流体力学工程流体力学41414.4.流体动力学流体动力学注意:1.理想流动流体的总水头线为水平线;2.实际流动流
17、体的总水头线恒为下降曲线;3.测压管水头线可升、可降、可水平。4.若是均匀流,则总水头线平行于测压管水头线。5.总水头线和测压管水头线之间的距离为相应段的流速水头。工程流体力学工程流体力学42424.4.流体动力学流体动力学工程流体力学工程流体力学43434.4.流体动力学流体动力学工程流体力学工程流体力学44444.4.流体动力学流体动力学1 12 23 34 45 56 67 78 85555545453535252505049494646454558585757565654545353525248484747位置水头线位置水头线压力水头压力水头总水头线总水头线理想水头线理想水头线位置水头
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