水力學課件-水動力學

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1、注冊公用設備師給排水基礎考試水力學-水動力學基礎南京工業(yè)大學城建學院市政工程系二零零四年七月十日三、流體動力學(一)、基本概念1.恒定流與非恒定流(1).恒定流:流體流動時,流體中任一位置的壓強、流速等運動要素不隨時間變化的流動稱為恒定流。如圖1-6(a)所示。(2).非恒定流:流體流動時,流體中任一位置的壓強、流速等運動要素隨時間變化而變動的流動稱為非恒定流。如圖1-6(b)所示。自然界中都是非恒定流,工程中取為恒定流。2.壓力流與無壓流(1).壓力流:流體在壓差作用下流動時,流體整個周圍都和固體壁相接觸,沒有自由表面,如供熱工程中管道輸送汽、水帶熱體,風道中氣體,給

2、水中流體輸送等是壓力流。(2).無壓流:流體在重力作用下流動時,流體的部分周界與固體壁相接觸,部分周界與氣體相接觸,形成自由表面。如天然河流、明渠流等一般都是無壓流。3.流線和跡線(1).流線:流體流動時,在流速場中畫出某時刻的這樣一條空間曲線,它上面所有流體質(zhì)點在該時刻的流速矢量都與這條曲線相切,這條曲線就稱為該時刻的一條流線。歐拉法(2).跡線:流體流動時,流體中的某一質(zhì)點在連續(xù)時間內(nèi)的運動軌跡稱為跡線。流線與跡線是完全不同的概念。非恒定流時流線與跡線相重合。拉格朗日法4.均勻流與非均勻流(1).均勻流:流體運動時,流線是平行直線的流動稱為均勻流。如等截面長直管中的

3、流動。(2).非均勻流:流體流動時,流線不是平行直線的流動稱為非均勻流。如流體字收縮管、擴大管或彎管中流動等。它又可分為:<1>.漸變流:流體運動中流線接近于平行線的流動稱為漸變流。<2>.急變流:流體運動中流線不能視為平行直線的流動稱為急變流。均勻流和非均勻流5.元流、總流、過流斷面、流量與斷面平均流速(1).元流:流體運動時,在流體中取一微小面積dω,并在dω面積上各點引出流線并形成了一股流束稱為元流,見圖1-7。在元流內(nèi)的流體不會流到元流外面;在元流外面的流體亦不會流進元流中去。由于dω很小,可以認為dω上各點的運動要素(壓強與流速)相等。(2).總流:流體運動時

4、,無數(shù)元流的總和稱為總流。(3).過流斷面:流體運動時,與元流或總流全部流線正交的橫斷面稱為過流斷面。用dω或ω表示,單位為m2或cm2。均勻流的過流斷面為平面,漸變流的過流斷面可視為平面;非均勻流的過流斷面為曲面。元流與總流流線與過流斷面(4)流量:流體運動時,單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體體積稱為體積流量。用符號Q表示。單位是m3/s或L/s。一般流量指的是體積流量,但有時亦引用重量流與質(zhì)量流,它們分別表示單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體重量和質(zhì)量。重量流量的單位為N/s。質(zhì)量流量的單位為kg/s。(5).斷面平均流速:過流斷面面積乘平均流速v所得到的流量,等于實際流速通

5、過該斷面的流量。斷面平均流速計算公式為:流量、過流斷面和平均流速三者之間的關系(二)、恒定流的連續(xù)性方程式在恒定總流中任取一元流,如圖1-11所示,元流在1-1過流斷面上的面積為d1,流速圖1-10斷面流速圖1-11恒定總流段為u1;在2-2過流斷面上的面積為d2,流速u2。并考慮到:(1)由于流動是恒定流,元流形狀及空間各點的流速不隨時間變化。(2)流體是連續(xù)介質(zhì)。(3)流體不能從元流的惻壁流入或流出。Q1=Q2V1A1=V2A2(三)恒定總流能量方程式1.恒定總流實際液體的能量方程式1738年荷蘭科學家達·伯努里(DanielBernoulli)伯努里方程式。(1-

6、17)z1、z2—過流斷面1-1、2-2單位重量液體位能,也稱位置水頭;—過流斷面1-1、2-2單位重量液體壓能,也稱壓強水頭;—過流斷面1-1、2-2單位重量液體動能,也稱流速水頭;hw1-2—單位重量液體通過流段1-2的平均能量損失,也稱水頭損失。壓強和流速可用測壓管和測速管測出來如果把各過流斷面的測壓管水頭()連成線,如圖1-12中實線所示,稱之為測壓管水頭線。測壓管水頭線可能上升,可能下降,也可能水平,可能是直線也可能是曲線。如果把各斷面上的總水頭頂點連成一條線,則此線為總水頭線,如圖1-12虛線所示。在實際水流中,由于水頭損失h1-2的存在,所以總水頭線總是沿

7、流程下降的傾斜線??偹^線沿流程的降低值h1-2與沿程長度的比值,稱為總水頭坡度或水力坡度,它表示沿流程單位長度上的水頭損失,用表示,即:(1-17)圖1-12圓管中有壓流動的總水頭線與測壓管水頭線比托管測點流速文丘里流量計(四)恒定總流動量方程第二節(jié)流動阻力和流動損失一、流動的兩種形態(tài)—層流和紊流人們在長期工程實踐中發(fā)現(xiàn)管道沿程阻力與管道的流動速度之間的對應關系有其特殊性。當流速較小時,沿程損失與流速一次方成正比(如圖1-13)示,并且在這兩個區(qū)域之間有一個不穩(wěn)定區(qū)。這一現(xiàn)象,促使英國物理學家雷諾于1883年在類似于圖1-14所示的裝置

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