能量方程和动量方程
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例3:如图4-36(a)所示有一高度为50mm,速度v为18m/s的单宽射流水股,冲击在边长为1.2m 的光滑平板上,射流沿平板表面分成两股。已知板与水流方向的夹角为30度,平板末端为铰点.若忽略水流、空气和平板的摩阻,且流动在同一水平面上,求:
(1)流量分配Q1和Q2;
(2)设射流冲击点位于平板形心,若平板自重可忽略,A端应施加多大的垂直力P,才能保持平板的平衡,图4-36(b);
(3)若B点不铰接,平板与水流方向一致以u=8m/s运动时,水流作用在平板上的垂直力的大小。
图4-36(a)
解: 1.选0-0,1-1,2-2断面间水体为隔离体,如图所示取x,y直角坐标。设平板作用在水股上的力为R(在y方向,无平板反力,忽略摩阻),沿y轴方向写动量方程(4-31)
(1)
写0-0,1-1断面的能量方程(4-15)(沿流线):
图4-36(b)
同理:又β1=β2=β=1,则(1)式为:
∴Q cos30°=Q1-Q2 (2)
由连续性方程(4-9):Q=Q1+Q2 (3)
联立(2)、(3)两式
Q2=Q-Q1=0.067Q
2.沿x轴方向写动量方程(4-31)式,如图4-36(c):
图4-36(c)
水对平板在x方向的冲击力F为8100N,方向与R的方向相反。现对B点取矩:∑M B=0
即:
∴ P=4050N
3.当平板以速度 u =8m/s 沿水流方向运动时,单位时间水流冲击在平板上的质量是ρA (v -u ),图示隔离体的相对速度v -u : 写x 方向的动量方程:
当平板运动时,水流作用在平板上的垂直作用力是2.5kN ,作用方向与R 相反。
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例4 图4-37为一滚水坝,上游水位因坝的阻挡而抬高,测得断面1-1的水深为1.5m ,下游断面2-2水深为0.6m 。略去水头损失,求水流对1m 坝宽(垂直纸面方向)的水平作用力F 。 解 在坝前一段距离处,取渐变流断面1-1;在坝下游水流较平直处,取断面2-2。以坝基底部为基准面0-0,设α1=α2=1,写出总流能量方程(4-15):
(1)
利用连续方程(4-9):
取宽度为1m ,得
代入(1)式:
图4-37
得
1m 坝宽的单宽流量
作用在断面1-1上的水压力
作用在断面2-2上的水压力
坝对水流作用力的合力为R,取断面1-1和2-2之间的水流为隔离体(图b),写出总流动量方程(4-30)
得:
则水流对1m 坝宽的作用力,方向与R相反。
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