第六章流体力学10.8

2017/6/15

111:21黄磊

2017年06月

11:21§6-1 明渠均匀流的水力学特征

§6-2 明渠均匀流的基本计算公式

§6-3水力最优断面及允许流速第六章明渠均匀流

§6-4明渠均匀流水力计算的几类问题

§6-5复式断面明渠均匀流水力计算

11:21几个概念

输送具有自由液面液体的渠道，称为明渠。

明渠(Open channel)分为人工渠道和天然渠道。地球上的

大小河流均为天然渠道。

当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，

表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。

明渠水流可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、

渐变流与急变流等。一、明渠

11:21加拿大某渠涵箱

11:21泄洪洞

11:21龙羊峡导流洞

2017/6/15

211:21南水北调

11:21南水北调

11:21引渠

11:21引渠

11:21引渠

11:21明渠均匀流

明渠非均匀流V和h均沿程不变

流线为一簇相互平行的直线

从力学的观点看，明渠均匀流动

是一种直线等速运动

V和h均沿程变化明

渠

水

流明渠恒定流

明渠非恒定流运动要素不随时间变化

运动要素随时间变化

工程上的许多实际问题都必须在掌握了明渠水流运动

规律以后才能予以解决。二、明渠的分类

2017/6/15

311:21三、明渠底坡

明渠渠底倾斜的程度称为底坡，以符号i表示。

顺坡(正坡)：i>0

平坡：i=0

逆坡(反坡)：i<0明槽槽底沿程降低

不变

增高

11:21四、顺坡渠道

顺坡渠道i>0，当渠底坡度较小，

如i<0.01或θ很小时，两断面

间渠底长度△S与两断面间水平

距离△L近似相等，故：

此时，过流断面可以看成铅直面(θ很小)，水深h可以直

接量取，认为h=h’。

11:21五、棱柱形渠道

明渠断面形状、尺寸均沿程不变的长直渠道，成为棱柱形渠道，

否则成为非棱柱形渠道。

棱柱体棱柱体非棱柱体2

23

3

1—12—23—31

1在非棱柱体渠道中，由于

断面形状、尺寸等沿程发

生变化，流线不会是平行

直线，故水流不可能形成

均匀流动。

第八章 边界层理论基础

一、主要内容

（一）边界层的基本概念与特征

1、基本概念：绕物体流动时物体壁面附近存在一个薄层，其内部存在着很大的速度梯度和漩涡，粘性影响不能忽略，我们把这一薄层称为边界层。

2、基本特征：

（1）与物体的长度相比，边界层的厚度很小；

（2）边界层内沿边界层厚度方向的速度变化非常急剧，即速度梯度很大；

（3）边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；

（4）由于边界层很薄，因而可以近似地认为边界层中各截面上压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；

（5）在边界层内粘性力和惯性力是同一数量级；

（6）边界层内流体的流动与管内流动一样，也可以有层流和紊流2种状态。

（二）层流边界层的微分方程（普朗特边界层方程）

22100yxxxyyxvpvvvvxyxypyvvxy

其边界条件为：在0y处，0xyvv

在y处，()xvvx

（三）边界层的厚度

从平板表面沿外法线到流速为主流99%的距离，称为边界层的厚度，以表示。边界层的厚度顺流逐渐加厚，因为边界的影响是随着边界的长度逐渐向流区内延伸的。

图8-1 平板边界层的厚度

1、位移厚度或排挤厚度1

1001()(1)xxvvvdydyvv

2、动量损失厚度2

22001()(1)xxxxvvvvvdydyvvv

（四）边界层的动量积分关系式

200xxwPvdyvvdydxxxx

对于平板上的层流边界层，在整个边界层内每一点的压强都是相同的，即P常数。这样，边界层的动量积分关系式变为

200wxxddvdyvvdydxdx

二、本章难点

（一）平板层流边界层的近似计算

根据三个关系式：（1）平板层流边界层的动量积分关系式；（2）层流边界层内的速度分布关系式；（3）切向应力关系式。可计算得到在平板一个壁面上由粘性力引起的总摩擦力及摩擦阻力系数。

第六章 流体力学基础

基本概念

一、流体的粘滞性

流体流动时，由于流体与固体壁面的附着力及流体本身的分子运动和内聚力，使各流体层的速度不相等。在两个相邻流体层之间的接触面上，将产生一对阻碍两层流体相对运动的等值反向的摩擦力，叫做内摩擦力。

流体的粘滞性：流体流动时产生内摩擦力的性质。

二、理想流体与实际流体

粘性流体：具有粘性的流体（实际流体）。

理想流体：忽略了粘滞性的流体。

三、流体流动的基本概念

1．稳定流动与非稳定流动

(1) 稳定流动

运动流体内任意点的速度u和压力p仅仅是空间坐标zyx,,的函数，而不随时间变化而变化。

zyxuu,,

zyxpp,,

(2)非稳定流动

运动流体内任意点的速度u和压力p不仅是空间坐标zyx,,的函数，也随时间而不同。

tzyxuu,,,

tzyxpp,,,

2．迹线与流线

(1)迹线 流体质点的运动轨迹。

(2)流线

流场：流体流动的空间。

流线：是流场中某一瞬间绘出的一条曲线，在这条曲线上所有各流体质点的流速矢量与该曲线相切。

流线的性质：

①稳定流动时，流线形状不随时间而变化；

②稳定流动时，同一点的流线始终保持不变，且流线上质点的迹线与流线重合，即流线上的质点沿流线运动；

③流线既不会相交，又不能转折，只能是光滑的曲线。

假定某一瞬间有两条流线相交于M点或转折。M处就该有两个速度矢量，这是不符合流线的定义。

3．流管、微小流速及总流

(1)流管

在流场中取出一段微小的封闭曲线，过这条曲线上各点引出流线，这些流线族所围成的封闭管状曲面。

(2)微小流束及总流

流束：在流管中运动的流体。

微小流束：断面无穷小的流束称为微小流束。微小流束断面上各点的运动要素相等。

4-3 第四章 作业答案

4-16．水由具有固定水位的储水池中沿直径mm100d的输水管流入大气。管路由同样长度m50l的水平管段AB和倾斜管段BC组成，已知m21h，m252h，试问为使输水管B处的真空不超过7m水柱，阀门的局部阻力系数应为多少？此时流量Q为多少？（取035.0，5.0A，不计弯曲处损失）

解：以过B处的水平面为基准面，对液面和B处断面列伯努利方程：

BwABhgvph200021

gvgv...gvdlgvdlgvhAABwA2182105003505022222222

将此式代入上面的伯努利方程，得

gvgvphB2182221

代入数据，得：892181722.v

∴ sm053199892..v

sm02401041430534322....dvQ

取C处水平面为基准面，列液面和C处出口断面的伯努利方程：

CwAhgvhh20000221

gv.gv...gvdlhACwA253521050203505022222

将此式代入伯努利方程，得：

gv.gvhh253522221

4-3 代入数据：8.9205.35.3512522

∴ 39.205.3605.38.92272

4-20．自地下罐经离心泵向油库输油流程如图。管线直径200mm，吸入段总长20m，底下罐液面至泵中心高差4m。油品相对密度0.75，运动粘度4cSt。

（1）若设计输送量为108t/h，那么吸入段的总水头损失为多少m油柱？（包括沿程水头损失和局部水头损失）

（2）泵前真空表读数应为多少？

（3）如果泵出口压强为7.25at（表压），泵的效率为80%，则泵的额定功率（轴功率）应为多少？