水流运动的基本原理.pptx
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1、内容回顾内容回顾第二章第二章 水静力学水静力学液体主要物理力学性质液体主要物理力学性质水力学的任务及其应用水力学的任务及其应用 液体的基本特性液体的基本特性连续介质假设连续介质假设理想液体的概念理想液体的概念作用于液体上的力作用于液体上的力 密度密度容重容重粘滞性粘滞性压缩性压缩性表面张力特性表面张力特性第1页/共75页内容回顾内容回顾第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 压强的单位和量测压强的单位和量测 静水压强及其特性静水压强及其特性 静水压强的基本规律静水压强的基本规律作用于平面壁上的静水压力 作用于曲面壁上的静水总压力作用于曲面壁上的静水总压力 图解法 解析法 测压管 水
2、银测压计 差压计 第二章回顾第二章回顾 第2页/共75页本章学习指导本章学习指导 本章研究液体运动的基本方程式及其应用，并简要介绍如何运用这些基本方程式分析解决实际工程问题。三大方程是分析水流现象，研究液体运动的重要“工具”，也是分析解决实际工程的水力学问题最重要的理论基础。必须正确理解，明确建立这些方程式的条件和适用范围，掌握其运用。由于实际液体的粘滞性将发生作用，导致部分机械能的耗损，因而描述液体运动规律的方程式，一般比较繁杂，常常需要借助实验或原型观测资料作补充和修正。描述液体运动的两种方法，液体运动的基本概念；恒定总流的连续性方程及其应用；恒定总流的能量方程及其应用；恒定总流的动量方程
3、及其应用。本章重点第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第3页/共75页第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 拉格朗日法拉格朗日法 欧拉法欧拉法 着着眼眼于于流流体体质质点点，跟跟踪踪质点描述其运动历程质点描述其运动历程着着眼眼于于空空间间点点，研研究究质质点点流流经经空空间间各各固固定定点的运动特性点的运动特性是描述液体运动是描述液体运动常用的一种方法。常用的一种方法。一、描述水流运动的两种方法第4页/共75页第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流
4、运动的基本原理 流流线线是指某一瞬时在流场中绘出的一条空间曲线，在该曲线上所有液体质点在该时刻的流速矢量都与这一曲线相切。迹迹线线是指液体质点在运动过程中不同时刻所占据位置的连线，也就是液体质点运动的轨迹线。第5页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 流线有如下特征：（1）流线上所有各质点的切线方向就代表了该点的流动方向。（2）一般情况下，流线既不能相交，也不能是折线，而只能是一条连续光滑的曲线。（3）流线上的液体质点只能沿着流线运动。第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 无数条流线在流场中构成流线图.由流线图可知（1）流线的形状与固体边界形状有关
5、（2）流线的疏密程度反映了流速的大小.第6页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 流线流线在流场中，取一条不与流线重合的封闭曲线L，在同一时刻过 L上每一点作流线，由这些流线围成的管状曲面称为流管流管。与流线一样，与流线一样，流管是瞬时概念。流管是瞬时概念。L流管流管二、二、流管、微小流束、总流、过水断面流管、微小流束、总流、过水断面 第7页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法
6、 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 与流动方向正交的流管的横断面过水断面为面积微元的流管叫元元流流管管，其中的流动称为元元流流（微小流束）（微小流束）。过水断面为有限面积的流管中的流动叫总流总流。总流可看作无数个元流的集合。dA1u1过水断面过水断面dA2u2元流元流总流总流第8页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 单位时间内通过某一过水断面的液体体积，称为流量，单位为 m3/s三、水流的运动要素三、水流的运动要素 u1dA2dA1u2第9
7、页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 设想过水断面上各点的流速都均匀分布，且等于v，按这一流速计算所得的流量与按各点的真实流速计算所得的流量相等，则把流速v定义为 断面平均速度 ，单位为 m/s第10页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 三、水流运动的类型三、水流运动的类型 若流场中各空间点上的任何运动要素均不随时若流场中
8、各空间点上的任何运动要素均不随时间变化，称流动为间变化，称流动为恒定流恒定流。否则，为。否则，为非恒定流。非恒定流。恒定流中，所有物理量的表达式中将不含时间，恒定流中，所有物理量的表达式中将不含时间，它们只是空间位置坐标的函数，时变导数为零。它们只是空间位置坐标的函数，时变导数为零。（一）（一）恒定流、非恒定流恒定流、非恒定流 第11页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 运动要素是否沿程变化运动要素是否沿程变化？均匀流均匀流非均匀流非均匀流（二）均匀流、非均
9、匀流；渐变流、急变流均匀流、非均匀流；渐变流、急变流 均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流线要么是曲线，要么是不相平行的直线。举例。注意：注意：第12页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 是是否否接接近近均均匀匀流流？渐渐变变流流流线虽不平行，但夹角较小；流线虽有弯曲，但曲率较小。急急变变流流流线间夹角较大；流线间夹角较大；流线弯曲的曲率较大。流线弯曲的曲率较大。是是否否第13页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第
10、一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 有无自由表面有无自由表面 有压流有压流无压流无压流（三）有压流、无压流、射流有压流、无压流、射流 有压流主要是依靠压力作用而流动，而无压流主要是依靠重力作用而流动。举例。注意：注意：第14页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 任何实际流动从本质上讲都是在三维空间内发生的，二元和一元流动是在一些特定情况下对实际流动的简化和抽象，以便分析处理。注意：注意：（四
11、）（四）一元流、二元流、三元流一元流、二元流、三元流 一元流动：一元流动：只与一个空间自变量有关。二元流动：二元流动：与两个空间自变量有关。三元流动：三元流动：与三个空间自变量有关。第15页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第一节第一节 描述水流运动的两种方法描述水流运动的两种方法 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 在实际问题中，常把总流也简化为一维流动，但由于过水断面上的流动要素一般是不均匀的，所以一维简化的关键是要在过水断面上给出运动要素的代表值，通常的办法是取平均值。s 一元简化 元流是严格的一维流动。第16页/共75页第三章第三章 水流运动
12、的基本原理水流运动的基本原理 第二节第二节 恒定总流连续性方程恒定总流连续性方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 几个假定：恒定条件下，总流管的形状、位置不随时间变化。液体一般可视为不可压缩的连续介质，其密度为常数。没有流体穿过总流管侧壁流入或流出，流体只能通过两个过流断面进出控制体。恒定总流的连续性方程恒定总流的连续性方程A2QmQmA1 连续性方程 质量守恒定律对液体运动的一个基本约束第17页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第二节第二节 恒定总流连续性方程恒定总流连续性方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 根据质量守恒定
13、律：在单位时间内通过 A1 流入控制体的流体质量等于通过 A2 流出控制体的流体质量。恒定元流连续方程 第18页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第二节第二节 恒定总流连续性方程恒定总流连续性方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 或恒定总流连续方程 或第19页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第二节第二节 恒定总流连续性方程恒定总流连续性方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 在有分流汇入及流出的情况下，连续方程只须作相应变化。质量的总流入=质量的总流出。第20页/共75页第三章第三章 水流运动的基本
14、原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流能量方程恒定总流能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 A2QmA1 能量方程 能量转化与守恒原理对液体运动的一个基本约束动能动能势能势能能能量量损损失失位置势能位置势能压强势能压强势能第21页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 一、微小流束的能量方程一、微小流束的能量方程 单位总能量单位动能单位压能单位位能单位势能第22页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节
15、恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 一、微小流束的能量方程一、微小流束的能量方程 这是水力学中普遍使用的伯伯努利方程努利方程第23页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 急变流同一过流断面上的测压管水头不是常数第24页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 三三.恒定总流的能量方程恒定总流的
16、能量方程总流是无数元流的累加恒定总流恒定元流第25页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 解决测压管水头的积分寻求平均测压管水头均匀流或渐变流过水断面上测压管水头为常数。用断面平均流速 v 代替实际流速 u，解 决 流 速水头的积分第26页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 三三.恒定总流的能量方程恒定总流的能量方程恒定总流第27页/共75
17、页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 实际流体恒定总流实际流体恒定总流的能量方程的能量方程分析水力学问题最常用也是最重要的方程式第28页/共75页第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 第三节第三节 恒定总流连能量方程恒定总流连能量方程 第三章第三章 水流运动的基本原理水流运动的基本原理 四、能量方程的意义四、能量方程的意义单位重量流体所具有的位置势能（简称单位势能）单位重量流体所具有的压强势能（简称单位压能）单位重量流体所具有的总势能（简称单位势能）单位重量流体
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