第4章 伯努利方程
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选择题(单选题)等直径水管,A-A 为过流断面,B-B 为水平面,1、2、3、4为面上各点,各点的流动参数有以下关系:(c )(a )1p =2p ;(b )3p =4p ;(c )1z +1p g ρ=2z +2p g ρ;(d )3z +3p g ρ=4z +4pgρ。
伯努利方程中z +p g ρ+22v gα表示:(a )(a )单位重量流体具有的机械能;(b )单位质量流体具有的机械能;(c )单位体积流体具有的机械能;(d )通过过流断面流体的总机械能。
水平放置的渐扩管,如忽略水头损失,断面形心点的压强,有以下关系:(c )p p 2(a )1p >2p ;(b )1p =2p ;(c )1p <2p ;(d )不定。
黏性流体总水头线沿程的变化是:(a ) (a )沿程下降;(b )沿程上升;(c )保持水平;(d )前三种情况都有可能。
黏性流体测压管水头线的沿程变化是:(d ) (a )沿程下降;(b )沿程上升;(c )保持水平;(d )前三种情况都有可能。
平面流动具有流函数的条件是:(d ) 无黏性流体;(b )无旋流动;(c )具有速度势;(d )满足连续性。
4.7一变直径的管段AB ,直径A d =0.2m ,B d =0.4m ,高差h ∆=1.5m ,今测得A p =302/m kN ,B p =402/m kN , B 处断面平均流速B v =1.5s m /.。
试判断水在管中的流动方向。
解: 以过A 的水平面为基准面,则A 、B 点单位重量断面平均总机械能为:42323010 1.0 1.50.40 4.89210009.80729.8070.2A A A A A p v H z g g αρ⨯⨯⎛⎫=++=++⨯= ⎪⨯⨯⎝⎭(m )2324010 1.0 1.51.5 5.69210009.80729.807B B B B B p v H z g g αρ⨯⨯=++=++=⨯⨯(m )∴水流从B 点向A 点流动。
第四章 伯努利方程4.1 伯努利方程4.1.1 理想流体沿流线的伯努利方程1. 伯努利方程的推导将欧拉运动微分方程式积分可以得到流体的压力分布规律,但只能在特殊的条件下,不可能在任何的情况下都可求得其解,故我们需对流场作出如下假设:(1)理想流体(2)定常流动(3)质量力有势(4)不可压缩流体(5)沿流线积分在定常流动的条件下,理想流体的运动微分方程(欧拉运动微分方程)可以写成 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∂∂+∂∂+∂∂=∂∂-∂∂+∂∂+∂∂=∂∂-∂∂+∂∂+∂∂=∂∂-z v v y v v x v v z p f z v v y v v x v v y p f z v v y v v x v v x p f z z z y z x z y z y y y x y x z x y x x x ρρρ111 (4.1) 将这个方程沿流线积分,如图4.1所示,可得到伯努利方程。
为此,将式(4.1)的第一式乘以x d 得x zv v x y v v x x v v x x p x f x z x y x x x d d d d 1d ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂-ρ (1) 按照流线方程 zy x v z v y v x d d d == 将有,y v x v x y d d =,z v x v x z d d =故式(1)可写成x x x x x x x x x v v z zv v y y v v x x v v x x p x f d d d d d 1d =∂∂+∂∂+∂∂=∂∂-ρ (2) 式(4.1)的另外两式分别乘y d 、z d 后,作类似的代换,可得y y y v v y yp y f d d 1d =∂∂-ρ (3)z z z v v z zp z f d d 1d =∂∂-ρ (4) 将式(2)、(3)和式(4)相加,得 z z y y x x z y x v v v v v v z zp y y p x x p z f y f x f d d d )d d d (1d d d ++=∂∂+∂∂+∂∂-++ρ (5) p 的全微分可以表示为 dz zp dy y p dx x p dp ∂∂+∂∂+∂∂= 质量力有势,则必存在势函数U ,满足y f y f x f z zU y y U x x U U y y x d d d d d d d ++=∂∂+∂∂+∂∂=而 2/d d d d 2v v v v v v v z z y y x x =++式中等号右端的v 为平均速度。
第四章习题简答4-2 管径cm d 5=,管长m L 6=的水平管中有比重为0.9油液流动,水银差压计读数为cm h 2.14=,三分钟内流出的油液重量为N 5000。
管中作层流流动,求油液的运动粘度ν。
解: 管内平均流速为s m d Q v /604.1)4/05.0/(180/)9.09800/(5000)4//(22=⨯⨯==ππ 园管沿程损失h f 为γ(h 水银γ/油)1-=0.142(13.6/0.9-1)=2.004m园管沿程损失h f 可以用达西公式表示: g v d l h f 22λ=,对层流, Re /64=λ, 有fgdh lv 264Re 2=, 但νvd =Re , 从而lv h gd f 6422=ν, 代入已知量, 可得到s m /10597.124-⨯=ν题 4-2 图4-4 为了确定圆管内径,在管内通过s cm /013.02=ν的水,实测流量为s cm /353,长m 15管段上的水头损失为cm 2水柱。
试求此圆管的内径。
解:422222212842642642642Re 64gd lQ d d g lQ gd lv g v d l vd g v d l h f πνπννν=⎪⎭⎫ ⎝⎛==== m gd lQ d 0194.002.08.9210013.0351********4=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==∴-ππν 4-6 比重85.0, s m /10125.024-⨯=ν的油在粗糙度mm 04.0=∆的无缝钢管中流动,管径cm d 30=,流量s m Q /1.03=, 求沿程阻力系数λ。
解: 当78)(98.26∆d >Re>4000时,使用光滑管紊流区公式:237.0Re221.00032.0+=λ。
园管平均速度s m d q v /4147.1)4//(2==π, 流动的33953Re ==νvd , : 723908)(98.2678=∆d , 从而02185.0Re /221.00032.0237.=+=o λ4-8 输油管的直径mm d 150=,流量h m Q /3.163=,油的运动黏度s cm /2.02=ν,试求每公里长的沿程水头损失。
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+22u P +ρ=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:ρPu +22=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:gu g P Z g u g P Z 2222222111++=++ρρ 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:1211222211ln 22P PP u gZ u gZ ρ++=+若为可逆绝热过程,方程可写为:1211222211ln 22P PP u gZ u gZ ρ++=+式中γ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d ο。
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h f ,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:α值可由速度分布计算而得, 流体在圆管内作层流流动时α=2;作湍流流动时,α≈1.06。
作业:15页,T6-T81Q S =∆=常量v 2211v v S S ∆∆+=常量=++221v ρρgh p常量=++221v ρρgh p •• ghB 2=v221221122p ρρ+=+v v 常量=++221v ρρgh p 实例: 喷雾器、水流抽气机、内燃机中汽化器S 2v 2=S 1v 15ABCA p 大C p 大B p 小p <p 021p =v ρv 2=0p p gh ρ'=+(3) 组合皮托管28Pitot tube on a helicopter to measureairspeed Close ‐up of a Pitot tube, showing the stagnation pressure hole and two of the five static circumferential pressure holes.1+ p1. 实验:甘油在竖直圆管中的分层流动分析11甘油、血液⋯理想流体:绝对不可压缩;完全没有黏性⇒较大的黏性黏性与哪些因素有关?第2节黏性流体的运动Motion of Viscous Fluid✶创造了用水银压力计测量狗主动脉血压的方法✶建立了黏滞流动的泊肃叶公式泊肃叶(Poiseuille,1778‐1869)法国医生及生理学家血压测量✶1733年英国牧师黑尔斯(R.S.Hales,1677-1761)完成最早的血压测量。
✶1828年,泊肃叶设计出了“U”形汞压力计。
✶1856年医生们开始用这种方法测量人的血压。
✶1896年,意大利医生罗克西首创了将袖带与血压计连接起来测量血压的方法。
16212()8p p R Lη-=max21v v =2212()(4p p R r Lη-=-v )rv248f LR Rη⇒=π只决定与管的长度、半径和流体的黏度。
+ + 412()8R p p Q Lηπ-=S 1SS 2vf R R生活小常识:为什么自来水龙头开大了以后,水流就变得不透明了?层流湍流20着色水水龙头清水层流状态23湍流会发声,层流不会发声。
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+22u P +ρ=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:ρPu +22=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:gu g P Z g u g P Z 2222222111++=++ρρ 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:1211222211ln 22P PP u gZ u gZ ρ++=+若为可逆绝热过程,方程可写为:1211222211ln 22P PP u gZ u gZ ρ++=+式中γ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d ο。
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h f ,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:α值可由速度分布计算而得, 流体在圆管内作层流流动时α=2;作湍流流动时,α≈1.06。
第四章 思考题:4-1:N-S 方程的物理意义是什么?适用条件是什么?物理意义:N-S 方程的精确解虽然不多,但能揭示实际液体流动的本质特征,同时也作为检验和校核其他近似方程的依据,探讨复杂问题和新的理论问题的参考点和出发点。
适用条件:不可压缩均质实际液体流动。
4-2 何为有势流?有势流与有旋流有何区别?答:从静止开始的理想液体的运动是有势流. 有势流无自身旋转,不存在使其运动的力矩.4—3 有势流的特点是什么?研究平面势流有何意义?有势流是无旋流,旋转角速度为零。
研究平面势流可以简化水力学模型,使问题变得简单且于实际问题相符,通过研究平面势流可以为我们分析复杂的水力学问题。
4-4.流速势函数存在的充分必要条件是流动无旋,即xu y u yx ∂∂=∂∂时存在势函数,存在势函数时无旋。
流函数存在的充分必要条件是平面不可压缩液体的连续性方程,即就是0=∂∂+∂∂yu x u yx存在流函数。
4—5何为流网,其特征是什么?绘制流网的原理是什么 ?流网:等势线(流速势函数的等值线)和流线(流函数的等值线)相互正交所形成的网格 流网特征:(1)流网是正交网格(2)流网中的每一网格边长之比,等于流速势函数与流函数增值之比。
(3)流网中的每个网格均为曲线正方形 原理:自由表面是一条流线,而等势线垂直于流线。
根据入流断面何处流断面的已知条件来确定断面上 流线的位置。
4-6.利用流网可以进行哪些水力计算?如何计算?解:可以计算速度和压强。
计算如下:流场中任意相邻之间的单宽流量∆q 是一常数。
在流场中任取1、2两点,设流速为,,两端面处流线间距为∆m1,∆。
则∆q=∆m1=∆,在流网中,各点处网格的∆m 值可以直接量出来,根据上式就可以得出速度的相对变化关系。
如果流畅中某点速度已知,就可以其他各点的速度。
流畅中的压强分布,可应用能量方程求得。
z1++=++当两点位置高度z1和为已知,速度,u2已通过流亡求出时,则两点的压强差为-=-+-如果流畅中某一点压强已知,则其他个点压强均可求得4.7利用流网计算平面势流的依据是什么?(参考4.6的解释)4-8流网的形状与哪些因素有关?网格的疏密取决于什么因素?答:流网由等势线和流线构成,流网的形状与流函数φ(x,y)和流速势函数ψ(x,y)有关;由∆q=∆ψ=常数,∆q=u1∆m1=常数,得两条流线的间距愈大,则速度愈小,若间距愈小,则速度愈大。
3-22 管道末端装一喷嘴,管道和喷嘴直径分别为D =100mm 和d =30mm ,如通过的流量为0.02m 3/s ,不计水流过喷嘴的阻力,求截面1处的压力。
已已知知::D=100mm ,d=30mm ,Q=0.02m 3/s ,p m2=0。
解析:由连续性方程,得m /s 55.21.014.302.044221=⨯⨯==D Q u πm /s 31.2803.014.3222=⨯==d u π列伯努利方程,基准面取在管轴线上,得2221m12121u u p ρρ=+ 22221222122m1N/m 8.397476)55.231.28(100021)(212121=-⨯⨯=-=-=u u u u p ρρρ3-23 水管直径50mm ,末端的阀门关闭时,压力表读数为21kN/m 2,阀门打开后读数降至5.5kN/m 2,如不计管中的压头损失,求通过的流量。
已已知知::d=50mm ,p 0=21kN/m 2,p=5.5kN/m 2。
解析:列伯努利方程,基准面取在管轴线上,得2021u p p ρ+= 则 m /s 568.51010)5.521(2)(2330=⨯-⨯=-=ρp p u 流量为 /s m 011.0568.505.014.34141322=⨯⨯⨯==u d Q π 3-24 用水银压差计测量水管中的点速度u ,如读数Δh =60mm ,求该点流速。
已已知知::Δh=60mm 。
解析:根据题意,由流体静力学方程,得h g h p p ∆ρρ∆γγ)()(0-=-=-汞汞列伯努利方程,基准面取在管轴线上,得2021u p p ρ+= 则 m /s 85.31006.01081.9)16.13(2)(2)(2330=⨯⨯⨯-⨯=-=-=ρ∆ρρρhg p p u 汞 3-25 流量为0.06m 3/s 的水,流过如图所示的变直径管段,截面①处管径d 1=250mm ,截面②处管径d 2=150mm ,①、②两截面高差为2m ,①截面压力p 1=120kN/m 2,压头损失不计。