流体力学 第九章

第九章边界层理论9-1设长为L ，宽为b 的平板，其边界层中层流流动速度分布为δ//0y U u =。

试求边界层的厚度分布()x δ以及平板的摩擦阻力系数。

答：（1）求边界层的厚度分布()x δ：边界层的动量损失厚度为：δδδδδδδθδδδδ6131211102200000=-=-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎰⎰⎰⎰dy y dy y dy y y dy U u U u ， 壁面剪切应力0τ为：δμμτ000U y u y =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂==。

将θ和0τ代入平板层流边界层动量积分方程中：20U dx d ρτθ= 得到：δνδμρδ0020161U U U dx d =⋅=， 整理得到：dx U d 06νδδ= 对上式两端同时积分可得：C x U +=02621νδ 式中C 为积分常数。

将边界层前缘边界条件0=x 时0=δ代入上式，可得0=C ；因此：x U 0212νδ= x x U x Re 32320==νδ（2）求平板的摩擦阻力系数：由动量积分方程可得平板表面摩擦剪切应力为：dxd U dx d U δρθρτ2020061==， 由于： 032U xνδ=，两端同时对x 求导得到：21021032132--⋅=⋅⋅=x U x U dx d ννδ， 代回到0τ的表达式中，得到：xU x U U x U U dx d U Re 1636363612002021020200ρνρνρδρτ==⋅==- 因此局部摩擦阻力系数为：x x U C Re 1578.0Re 13321/200=⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρττ； 总摩擦阻力系数为：⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰Lb U dx C Lf 200021/ρτ 由于：L L L L U L U L U dx x U U dx Re 13333632002002102000ρνρνρτ===⎰⎰-， 因此：L L L f b b Lb U L U C Re 155.1Re 1332211Re 1332020=⋅=⋅=ρρ。

第九章明渠恒定流本章主要介绍流体流动的基本方程在无压流中的应用。

首先介绍了明渠均匀流的产生条件、水力特征、基本方程式及其水力计算问题。

接着介绍了明渠非均匀流的流动状态——缓流、急流、临界流，明渠非均匀流的基本概念：断面单位能量、临界水深、临界底坡等，并在棱柱形渠道非均匀流基本公式的基础上对水面曲线作了定性的分析与定量的计算。

本章最后介绍了水跃与水跌的基本概念。

概述明渠（channel）：是人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。

明渠流（channel flow）：具有露在大气中的自由液面的槽内液体流动称为明渠流（明槽流）或无压流（free flow）。

一、明渠流动的特点（图9-1）1.具有自由液面，p0=0，为无压流（满管流为压力流）；2.湿周是过水断面固体壁面与液体接触部分的周长,不等于过水断面的周长；3.重力是流体流动的动力，为重力流（管流则是压力流）；4.渠道的坡度影响水流的流速、水深。

坡度增大，则流速增大，水深减小；5.边界突然变化时，影响范围大。

压力流无压流图9-1明渠流与满管流最大的区别在于前者是无压流，而后者是有压流。

二、明渠流的分类图9-2三、明渠的分类明渠断面形状（如图9-2）有：梯形：常用的断面形状矩形：用于小型灌溉渠道当中抛物线形：较少使用圆形：为水力最优断面，常用于城市的排水系统中复合式（如图9-3）：常用于丰、枯水量悬殊的渠道中图9-31.按明渠的断面形状和尺寸是否变化分：棱柱形渠道（prismatic channel）：断面形状和尺寸沿程不变的长直明渠称为棱柱形渠道，h=f(i)。

非棱柱形渠道（non-prismatic channel）：断面形状和尺寸沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道，h=f(i,s)2.底坡底坡i——渠道底部沿程单位长度的降低值（图9-4）。

平坡（horizontal bed）：i=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。

正坡（downhill slope）：i>0，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。

一元气体动力学基础1.若要求22v p ρ∆小于0.05时，对20℃空气限定速度是多少？ 解：根据220v P ρ∆=42M 知 42M < 0.05⇒M<0.45，s m kRT C /3432932874.1=⨯⨯== s m MC v /15334345.0=⨯==即对20℃ 空气限定速度为v <153m/s ，可按不压缩处理。

2.有一收缩型喷嘴，已知p 1=140kPa （abs ），p 2=100kPa （abs ），v 1=80m/s ，T 1=293K ，求2-2断面上的速度v 2。

解：因速度较高，气流来不及与外界进行热量交换，且当忽略能量损失时，可按等熵流动处理，应用结果：2v =2121)(2010v T T +-，其中T 1=293K1ρ=11RT p =1.66kg/m 3. k P P 11212)(ρρ==1.31kg/m 3. T 2=RP 22ρ=266 K 解得：2v =242m/s3.某一绝热气流的马赫数M =0.8，并已知其滞止压力p 0=5×98100N/m 2，温度t 0=20℃，试求滞止音速c 0，当地音速c ，气流速度v 和气流绝对压强p 各为多少？解：T 0=273+20=293K ，C 0=0KRT =343m/s根据 20211M K T T -+=知 T=260 K ，s m kRT C /323==，s m MC v /4.258==100-⎪⎭⎫ ⎝⎛=k k T T p p解得：2/9810028.3m N p ⨯=4.有一台风机进口的空气速度为v 1，温度为T 1，出口空气压力为p 2，温度为T 2，出口断面面积为A 2，若输入风机的轴功率为N ，试求风机质量流量G （空气定压比热为c p ）。

解：由工程热力学知识：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=22v h G N ∆∆，其中PAGRT T c h P ==，pA GRT A G v ==ρ ∴⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=)2()(2121122222v T c A p GRT T c G N P P 由此可解得G5.空气在直径为10.16cm 的管道中流动，其质量流量是1kg/s ，滞止温度为38℃，在管路某断面处的静压为41360N/m 2，试求该断面处的马赫数，速度及滞止压强。

[陈书9-11] 具有s Pa 1003.43⋅⨯=-μ，3m kg 740=ρ的油液流过直径为2.54cm 的圆管，平均流速为0.3m/s 。

试计算30m 长度管子上的压强降，并计算管内距内壁0.6cm 处的流速。

［解］管内流动的雷诺数：μρdu =Re 将s Pa 1003.43⋅⨯=-μ、3m kg 740=ρ、s m 3.0=u 和d=2.54cm 代入，得：2.139940325437401003.41054.23.0740Re 32=⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=--因为20002.1399Re <=，所以流动为层流，沿程阻力损失系数：Re64=λ 沿程阻力损失：gu d l h 22λλ=表示成压强降的形式：2Re 64222u d l u d l gh p ρρλρλ===∆代入数据，得：()Pa 1799974054.2152.139964209.07401054.2302.1399642=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=∆-p因为是层流运动，流速满足抛物面分布，且其分布为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆=2244r d l p u μ 将()cm 67.06.0254.2=-=r 、s Pa 1003.43⋅⨯=-μ、d=2.54cm 和l=30m 代入，得： ()m 433.067.0454.24031217991067.0454.2301003.441799224223=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯⨯⨯=--u［陈书9-12］某种具有3m kg 780=ρ，s Pa 105.75⋅⨯=-μ的油，流过长为12.2m ，直径为1.26cm 的水平管子。

试计算保持管内为层流的最大平均流速，并计算维持这一流动所需要的压强降。

若油从这一管子流入直径为0.63cm ，长也为12.2m 的管子，问流过后一根管子时的压强降为多少？［解］管内流动的雷诺数：μρdu =Re 管内保持层流时，雷诺数低于下临界雷诺数，即：2320Re ==cre R所以：dR u cre ρμ=将s Pa 105.75⋅⨯=-μ、3m kg 780=ρ、2320=cr e R 和d=1.26cm 代入，得：()m 0177.01267802325.71026.178********.725=⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=--u 压强降：()Pa 264.3177.0786.121222323220177.07801026.12.122320642Re 64222222=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯===∆-u d l u d l p ρρλ流入后一根管子时，流量不变，直径减小，用上标“~”表示后一种情况，则有：dd d u d u ~~~Re e R ~== 所以：4640232063.026.1Re ~e R ~=⨯==d d 此时流动进入湍流光滑区，且5104640e R ~<=，可用布拉修斯公式求解沿程阻力损失系数，即：25.03164.0eR =λ 压强降：23164.02225.02u d l R u d l p e ρρλ==∆ 此时，平均流速：()m 63.026.10177.02⎪⎭⎫⎝⎛⨯=u所以：()Pa 13.1456312677.178636146403164.063.026.10177.027801063.02.1246403164.04225.042225.0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯=∆-p[陈书9-13] C 30o的水流经过直径d=7.62cm 的钢管（mm 08.0=∆），每分钟流量为3m 340.0。