伯努利方程
流体宏观运动机械能守恒原理的数学表达式。1738年瑞士数学家D.伯努利在《水动力学──关于流体中力和运动的说明》中提出了这一方程。它可由理想流体运动方程(即欧拉方程)在定态流动条件下沿流线积分得出;也可由热力学第一定律导出。它是一维流动问题中的一个主要关系式,在分析不可压缩流体的定态流动时十分重要,常用于确定流动过程中速度和压力之间的相互关系。
方程的形式 对于不可压缩的理想流体,密度不随压力而变化,可得:
Zg+22uPρ=常数
式中Z为距离基准面的高度;P为静压力;u为流体速度;ρ为流体密度;g为重力加速度。方程中的每一项均为单位质量流体所具有的机械能,其单位为N·m/kg,式中左侧三项,依次称为位能项、静压能项和动能项。方程表明三种能量可以相互转换,但总和不变。当流体在水平管道中流动时Z不变,上式可简化为:
ρPu22=常数
此式表述了流速与压力之间的关系:流速大处压力小,流速小处压力大。
对于单位重量流体,取管道的1、2两截面为基准,则方程的形式成为:
gugPZgugPZ2222222111ρρ
式中每一项均为单位重量流体的能量,具有长度的因次,三项依次称为位头、静压头和动压头(速度头)。
对于可压缩理想流体,密度随压力而变化。若这一变化是可逆等温过程,则方程可写成下式:
1211222211ln22PPPugZugZρ
若为可逆绝热过程,方程可写为:
1211222211ln22PPPugZugZρ
式中为定压比热容Cp和定容比热容Cv之比,即比热容比,也称为绝热指数。
对于粘性流体,流动截面上存在着速度分布,如用平均流速u表达动能项,应对其乘以动能校正系数dο。此外,还需考虑因粘性引起的流动阻力,即造成单位质量流体的机械能损失hf ,若在流体流动过程中,单位质量流体又接受了流体输送机械所做的功W,在这些条件下,若取处于均匀流段的两截面1和2为基准,则方程可扩充为: