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《水力學(xué)論文水力學(xué)水頭損失的理論探討》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、水力學(xué)水頭損失的理論探討摘要：本文結(jié)合一系列真空管道輸水工程，對“真空高速流”的流態(tài)進(jìn)行了觀測，討論了其中遇到的主要水力學(xué)問題。指出空氣阻力在現(xiàn)實工程中對于入管水流的均勻性、平穩(wěn)性和水頭損失等水力問題都有著明顯的作用和影響。闡述了液流粘滯性根源理論存在的誤區(qū)以及“真空流”出現(xiàn)后如何以全新眼光看待液體能量損失問題。關(guān)鍵詞：真空高速流水頭損失水力學(xué)氣阻重力流配水工程⒈前言1.1水力學(xué)是研究以水為代表的液體的宏觀機(jī)械運動規(guī)律，及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。水力學(xué)包括水靜力學(xué)和水動力學(xué)。1.2水靜力學(xué)研究液體靜止或相對靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用，探討液體內(nèi)部壓強(qiáng)分布
2、，液體對固體接觸面的壓力，液體對浮體和潛體的浮力及浮體的穩(wěn)定性，以解決蓄水容器，輸水管渠，擋水構(gòu)筑物，沉浮于水中的構(gòu)筑物，如水池、水箱、水管、閘門。堤壩、船舶等的靜力荷載計算問題。1.3隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，水力學(xué)學(xué)科衍生了一些新的分支，以處理特定條件下的水力學(xué)問題，如以解決河流泥沙運動所導(dǎo)致的河床演變問題的動床水力學(xué)，以解決風(fēng)浪對防護(hù)構(gòu)筑物的動力作用和對近岸底砂的沖淤作用等問題的波浪理論等。1.4水力學(xué)作為學(xué)科而誕生始于水靜力學(xué)。公元前400余年，中國墨翟在《墨經(jīng)》中，已有了浮力與排液體積之間關(guān)系的設(shè)想。公元前250年，阿基米德在《論浮體》中，闡明了浮體
3、和潛體的有效重力計算方法。1586年德國數(shù)學(xué)家斯蒂文提出水靜力學(xué)方程。十七世紀(jì)中葉，法國帕斯卡提出液壓等值傳遞的帕斯卡原理。至此水靜力學(xué)已初具雛形。水力學(xué)研究經(jīng)歷了漫長歷程。早期的古典流體力學(xué)，在數(shù)學(xué)分析上系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)，但計算結(jié)果與實驗不盡符合。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，一些工程師和實際工作者，憑借實地觀測和室內(nèi)實驗，得出經(jīng)驗公式，或在理論公式中引入經(jīng)驗系數(shù)以解決實際工程問題。前者偏理論重數(shù)學(xué)，后者偏經(jīng)驗重實用，但兩者之間存在著一個難以磨合的能量損失問題，它的根源在哪里，它的數(shù)量有多大，成為基礎(chǔ)水力學(xué)理論研究中的重要內(nèi)容。為了解決理想概念給實際流體求解帶來的困難
4、，科學(xué)家們作出許多努力，將研究的重點轉(zhuǎn)移到液體粘性上，創(chuàng)立了邊界層理論、紊流理論等，并在理想流體方程中添加粘性項使之適用于實際流體。液體的粘滯性概念應(yīng)運而生，成為產(chǎn)生能量損失的最大根源。它的影響力在水力學(xué)研究中是相當(dāng)深遠(yuǎn)的，幾乎所有的流體工程，無論是設(shè)計施工還是運行監(jiān)測，都離不開對水頭損失進(jìn)行衡量與估算。然而研究古典流體力學(xué)的數(shù)學(xué)、力學(xué)家們沒有想到，在21世紀(jì)的今天，他們所論證的偏重于數(shù)學(xué)理論的理想流態(tài)模型可以在真空中存在，并且這種接近理想的流態(tài)同樣可以廣泛應(yīng)用于各類大型的實際工程當(dāng)中，它的水頭損失大大降低了，“液體的粘滯性”幾乎不存在了！這是一個驚人的
5、發(fā)現(xiàn)！筆者稱這種新的流體輸送形式為“真空高速流”，簡稱為“真空流”。對于“真空流”這種特殊流體，國內(nèi)外尚欠缺這方面研究文獻(xiàn)，本文就是針對這一流體，介紹其形成概況、工程效益以及對水力學(xué)理論的影響沖擊，深入探究水頭損失產(chǎn)生的根源。1.5水動力學(xué)的數(shù)理分析首先是根據(jù)問題的客觀條件和生產(chǎn)任務(wù)或理論要求，對所研究的液體建立力學(xué)模型，提出假設(shè)，使分析簡化。最常用的力學(xué)模型有連續(xù)介質(zhì)模型，將由分子組成、分子之間有空隙的的非連續(xù)液體看作分子緊密相依沒有空隙的連續(xù)介質(zhì)；不可壓縮流體模型，將受壓收縮、受熱膨脹、有彈性的液體，看作無彈性密度不變的不可壓縮流體；無粘性流體模型，
6、將流動時因粘性作用產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的液體，看作粘性不起作用，無內(nèi)摩擦力的流體；理想液體模型，不可壓縮無粘性的液體。力學(xué)模型確定后，以相適應(yīng)的運動學(xué)和動力學(xué)基本方程式為工具，結(jié)合起始條件和邊界條件，進(jìn)行各種流動的質(zhì)量平衡、動量平衡和能量平衡分析，求出所需要的各種變量?！ υ土鲃舆M(jìn)行系統(tǒng)的觀察和測定，從原始數(shù)據(jù)中尋求流動規(guī)律，是水力學(xué)研究的最可靠的方法。如果實際上不可能，或需要費用太大，則可在實驗室根據(jù)力學(xué)相似原理，找出影響流動的主要作用力，選用相應(yīng)的模型律，以縮小的比例尺在模型上近似地重現(xiàn)和原型成一定比例的流動，根據(jù)模型流動的測定，估算原型流動的狀態(tài)和各種
7、參數(shù)，是數(shù)理分析和實驗分析的重要補(bǔ)充，它是以白金漢提出的，定理為依據(jù)，使有因次方程無因次化?！ ∮捎谒W(xué)的基本量是長度、時間和質(zhì)量，獨立因次的數(shù)目為三，則用無因次方程代替有因次方程可以使變量減少三個。這在實驗分析中，可大量地減少實驗次數(shù)加速實驗進(jìn)程；在理論分析中，可以更合理地提出變量關(guān)系式?！ ?shù)值模擬是計算機(jī)問世以來所采用的研究方法，也是數(shù)理分析的一種補(bǔ)充。當(dāng)研究對象過于復(fù)雜、控制方程非線性、邊界條件不規(guī)則，利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)力學(xué)方法難以得出解析解時，可以建立數(shù)值模型，編制程序，通過計算機(jī)運算得出數(shù)字結(jié)果或圖線。和實驗研究相比，數(shù)值模擬在邊界條件和流體物
8、理性質(zhì)上有更大的靈活性和控制范圍。對于必須進(jìn)行實驗研究的問題先進(jìn)行數(shù)值模擬，可以
