第五章流体动力学基础(补充)流体力学课件

1、第五章流体动力学基础(补充)流体力学课件第一页，共38页。流体动力学概述流体动力学是研究流体在外力作用下的运动规律即研究流体动力学物理量和运动学物理量之间的关系的科学。流体动力学主要研究内容就是要建立流体运动的动量平衡定律、动量矩平衡定律和能量守恒定律（热力学第一定律）、流量测量原理。第二页，共38页。得到理想不可压缩流体重力作用下沿流线的伯努利方程式： 式一 式二 式三二、理想流体总流的伯努利方程1、动能修正系数用平均速度表示的单位时间内通过某一过流断面的流体动能为：第三页，共38页。式中：于是：得理想流体总流的伯努利方程式：第四页，共38页。对不可压缩流体的定常流动，Q1=Q2上式称为总流

2、的伯努利方程。对于管流，z和p可以在轴线上取值。动能修正系数与截面上的速度分布有关，速度分布愈不均匀,的值愈大。在工程实际的流动中，1第五页，共38页。总流的伯努利方程应用条件(1)恒定(定常)(2)理想流体(3)不可压流体(4)重力场(5)所选过流断面流动均匀或渐变流第六页，共38页。5-6动量方程和动量矩方程及其应用 在工程实际中，常常需要求物体所受的流体作用力或者力矩。解决这类问题的方法有两种： 一种是利用流体运动的微分方程式，再根据边界条件求出速度和压强的分布。用这种方法的困难很大。 另一种办法则是利用动量方程和动量矩方程求解，这种方法往往不需要知道流动的细节，只要根据一些边界上的流动

3、状况就可以解决问题。 下面我们详细介绍定常流动的动量方程和动量矩方程。第七页，共38页。牛顿定律可表示为流体的动量定理可以表述为：系统的动量对于时间的变化率等于作用在系统上的外力和，即动量方程第八页，共38页。第九页，共38页。第十页，共38页。第十一页，共38页。第十二页，共38页。称为总流的动量方程它的物理意义是：在定常流动中，单位时间内，从控制面流出的动量减去流入的动量，等于作用在控制体上的外力和。第十三页，共38页。称为总流的动量矩方程它的物理意义是：在定常流动中，单位时间内，从控制面流出的动量矩减去流入的动量矩，等于作用在控制体上所有的外力矩之和。对某点取矩第十四页，共38页。有多个

4、出口和入口情况第十五页，共38页。 应用动量方程和动量短方程时，要注意以下几点：择一个适宜的坐标系，求出各项的投影值。 选择一个合适的控制体。方程的未知数较多，要联立连续性方程和伯努利方程才能得以求解。 下面举例说明方程的应用。第十六页，共38页。动量和动量矩方程的应用1、 水流对弯管的作用力 上图是一段弯管，截面11和22的过流面积分别为A1、A2，弯管的转角为。设水流量为Q，求固定此段弯管所需的力F。第十七页，共38页。先分析弯管管壁的受力。设弯管在水平面上，取如图示的水平面坐标xy。弯管内壁受水流压强p的作用，外壁受大气压pa作用。设表面积为A0，外法线n0。在水流和大气压的作用下，管壁

5、受到的合力F为:第十八页，共38页。水流对弯管的作用力 控制体受到的外力(大气压pa在任意封闭面的积分为零)： 分析控制体所受的外力。由于弯管在水平面上，不必考虑重力影响。选取控制体如右图第十九页，共38页。取动量修正系数1，投影到x，y方向，为：上式最后一项就表示水流对物体的合力第二十页，共38页。为了固定弯管，必需施加的外力为FF。第二十一页，共38页。 由上面的分析可以看到，在应用总流的动量方程时，控制面上的压强一律采用表压强，如果用绝对压强，势必引起错误，因为这样就得不出合力F。第二十二页，共38页。第二十三页，共38页。第二十四页，共38页。2、水流对喷嘴的作用力 下图是消防水龙头的

6、喷嘴。高速水流从管道经过一个喷嘴射入大气。管嘴截面从A1收缩至A2，如果截面A1处中心的表压强为p1pa，求水流给喷嘴的合力F。 分析截面ll和22之间的控制体受力。在截面1上，表压强为p1pa，截面2的表压强为零。水流给喷嘴壁面的合力F向右，喷嘴壁面给水流控制体的合力向左。第二十五页，共38页。由连续性方程由伯努利方程p2 = pa由动量方程第二十六页，共38页。由连续性方程由伯努利方程由动量方程第二十七页，共38页。3、水流对水坝的作用力溢流坝是水电工程的水工建筑物。坝面上的动水压强分布很复杂。我们用动量方程求水流对坝体的合力。第二十八页，共38页。动量方程第二十九页，共38页。由连续性方程由伯努利方程第三十页，共38页。得由上面第三十一页，共38页。4、射流对平板的作用力 如图所示，平面射流射向一平板(单位宽度)，射流的流量为Q，速度为V，求射流对于平板的作用力，不计重力影响。第三十二页，共38页。 取如图控制体。进口截面和两出口截面上的压强近似地都等于大气压，如果射流处在水平面上，高程都相同， 根据伯努利方程， 得V1V2V。 水压强对板面的合力为F，与板面垂直。板给控制体的合力F，方向如图示。射流与平板的夹角为。第三十三页，共38页。