1、n本章重點(diǎn)掌握n 1.流體的含義n 2.流體與固體的主要區(qū)別n 3.流體的主要物理性質(zhì)密度、重度、黏度n 4.作用在流體上的力外表力、質(zhì)量力n課程性質(zhì)n 工程流體力學(xué)是土建類專業(yè)的一門重要技術(shù)根底課n根底課技術(shù)根底課專業(yè)課。壓；拉、剪（流動(dòng)時(shí)）流體拉、壓、彎、剪、扭；固體力學(xué)特征。易流動(dòng)，隨容器而方圓流體有固定形狀固體形態(tài)特征氣體（氣體力學(xué)）液體（水力學(xué)）流體力學(xué)）流體（如水、氣體固體力學(xué)）固體（如土建結(jié)構(gòu)自然界的物質(zhì)n研究?jī)?nèi)容n 1.流體平衡的規(guī)律(教材第二章n 2.流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律教材第三、四、五章n 3.根本工程應(yīng)用第六、七、八、九章n根本假說n 連續(xù)介質(zhì)假說必要性、可行性n工程應(yīng)用工

2、程應(yīng)用n交通土建工程交通土建工程n市政及建筑工程市政及建筑工程n輸運(yùn)工程輸油、輸氣、真空管道運(yùn)輸輸運(yùn)工程輸油、輸氣、真空管道運(yùn)輸n環(huán)境工程環(huán)境工程n消防工程消防工程n水利水電工程水利水電工程n機(jī)械工程機(jī)械工程n 1.1 概述概述n研究方法 1.理論分析方法 2.實(shí)驗(yàn)分析方法 3.數(shù)值模擬方法n密度、重度密度、重度n黏度黏度n定義：在定義：在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體具有抵抗下，流體具有抵抗剪切變形速率剪切變形速率的能力的量度。的能力的量度。n牛頓平板實(shí)驗(yàn)牛頓平板實(shí)驗(yàn)ohdyyu+duuyU n牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律引入比例系數(shù)引入比例系數(shù) ，得，得ndu/dydu/dy的含義的含義數(shù)學(xué)含義

3、：垂直于流動(dòng)方向的流速梯度。數(shù)學(xué)含義：垂直于流動(dòng)方向的流速梯度。yuAhUAFdd yuAFdd 物理含義：運(yùn)動(dòng)流體的剪切變形速率。物理含義：運(yùn)動(dòng)流體的剪切變形速率。uu+dudt時(shí)刻t+dt時(shí)刻(u+du)dtdudtudtdyn、=/=/黏度系數(shù)黏度系數(shù)注意：液體和氣體的黏度隨溫度變化規(guī)律不同。注意：液體和氣體的黏度隨溫度變化規(guī)律不同。)(,等流體種類，壓強(qiáng)，溫度f or tLiquidsGasesn牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體n實(shí)際流體實(shí)際流體0與理想流體與理想流體=0dudyo0膨 脹 性 流 體賓 漢 型 塑 性 流 體牛 頓 流 體假 塑 性 流 體n壓縮性和膨脹性壓縮

4、性和膨脹性n壓縮性：在溫度不變條件下，流體體積隨壓強(qiáng)增加而減小的性質(zhì)。壓縮性：在溫度不變條件下，流體體積隨壓強(qiáng)增加而減小的性質(zhì)。體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)體積彈性模量體積彈性模量n膨脹性：在壓強(qiáng)不變條件下，流體體積隨溫度增加而增加的性質(zhì)。膨脹性：在壓強(qiáng)不變條件下，流體體積隨溫度增加而增加的性質(zhì)。體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù) =(dv/v)/dT =(dv/v)/dT/N)(m d/dd/d2ppVV)(N/m /dd/dd12pVVpE 1-31-3作用在流體上的力作用在流體上的力外表力外表力)( )( limlim00切向應(yīng)力法向應(yīng)力AFAFpTApAFFAFpTn質(zhì)量力質(zhì)量力kjikjifFfz

5、yxzyxfffmFmFmFm )m/s( 2或mgFFFzyx, 0, 0mgyxzogmmgfffzyx, 0, 0工程流體力學(xué)課件工程流體力學(xué)課件西南交通大學(xué)國(guó)家工科力學(xué)根底課教西南交通大學(xué)國(guó)家工科力學(xué)根底課教學(xué)基地學(xué)基地工工 程程 流流 體體 力力 學(xué)學(xué) 教教 研研 室室工程流體力學(xué)課件工程流體力學(xué)課件你想知道高爾夫球飛得遠(yuǎn)應(yīng)外表光你想知道高爾夫球飛得遠(yuǎn)應(yīng)外表光滑還是粗糙嗎？滑還是粗糙嗎？ 你想知道汽車阻力來至前部還是你想知道汽車阻力來至前部還是尾部嗎？尾部嗎？ 你想知道機(jī)翼升力來至下部還你想知道機(jī)翼升力來至下部還是上部嗎？是上部嗎？ 你想知道你想知道請(qǐng)學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)請(qǐng)學(xué)習(xí)工程流體力

6、學(xué)目錄目錄第第1 1章章 緒論緒論第第2 2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第第3 3章章 流體動(dòng)力學(xué)理論根底流體動(dòng)力學(xué)理論根底第第4 4章章 量綱分析與相似原理量綱分析與相似原理第第5 5章章 流動(dòng)阻力與水頭損失流動(dòng)阻力與水頭損失第第6 6章章 孔口、管嘴及有壓管流孔口、管嘴及有壓管流第第7 7章章 明渠恒定流動(dòng)明渠恒定流動(dòng)第第8 8章章 堰流堰流第第9 9章章 滲流滲流n禹華謙主編，工程流體力學(xué)，第禹華謙主編，工程流體力學(xué)，第1 1版，高等教育出版社，版，高等教育出版社，20042004n禹華謙主編，工程流體力學(xué)水力學(xué)，第禹華謙主編，工程流體力學(xué)水力學(xué)，第2 2版，西南交通大學(xué)版，西南交通大學(xué)出

7、版社，出版社，20072007n黃儒欽主編，水力學(xué)教程，第黃儒欽主編，水力學(xué)教程，第3 3版，西南交通大學(xué)出版社，版，西南交通大學(xué)出版社，20062006n劉鶴年主編，流體力學(xué)，第劉鶴年主編，流體力學(xué)，第1 1版，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，版，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，20012001n李玉柱主編，流體力學(xué)，第李玉柱主編，流體力學(xué)，第1 1版，高等教育出版社，版，高等教育出版社，19981998n禹華謙主編，水力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)，西南交通大學(xué)出版社，禹華謙主編，水力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)，西南交通大學(xué)出版社，19981998n禹華謙編著，工程流體力學(xué)新型習(xí)題集，天津大學(xué)出版社，禹華謙編著，工程流體力學(xué)新型習(xí)題集，天津大學(xué)出

8、版社，20062006講次講次第第1 1講講 第第2 2講講 第第3 3講講 第第4 4講講 第第5 5講講第第6 6講講 第第7 7講講 第第8 8講講 第第9 9講講 第第1010講講第第1111講講 第第1212講講 第第1313講講 第第1414講講 第第1515講講第第1616講講 第第1717講講高爾夫球外表為什么高爾夫球外表為什么有很多小凹坑？有很多小凹坑？n最早的高爾夫球最早的高爾夫球n現(xiàn)在的高爾夫球現(xiàn)在的高爾夫球高爾夫球外表為什么高爾夫球外表為什么有很多小凹坑？有很多小凹坑？n高爾夫球外表之所以設(shè)計(jì)有許多小凹坑，其目的是讓高爾夫球飛得更遠(yuǎn)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一顆外表平滑的高爾夫球，經(jīng)

9、職業(yè)選手擊出后，飛行距離大約只是外表有凹坑的高爾夫球的一半。為了找出最正確發(fā)射條件，高爾夫產(chǎn)業(yè)的工程師和科學(xué)家對(duì)球桿和球之間的撞擊進(jìn)行了深入的研究。撞擊通常只維持1/2000秒，它決定了球的速度、發(fā)射角以及球體的自旋速度。接著，球的飛行軌跡會(huì)受到重力以及空氣動(dòng)力學(xué)的影響。因此，空氣動(dòng)力學(xué)的最正確化設(shè)計(jì)便成為讓高爾夫球飛得遠(yuǎn)的關(guān)鍵。n空氣對(duì)于任何在其中運(yùn)動(dòng)的物體，包括高爾夫球，都會(huì)施加作用力。把你的手伸出行駛中的車外，可以很容易地說明這個(gè)現(xiàn)象?？諝鈩?dòng)力學(xué)家把這個(gè)力分成兩局部：升力及阻力。阻力的作用方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，而升力的作用方向那么朝上。高爾夫球外表的小凹坑可以減少空氣的阻力，增加球的升力。

10、n一顆高速飛行的高爾夫球，其前方會(huì)有一高壓區(qū)?？諝饬鹘?jīng)球的前緣再流到前方時(shí)會(huì)與球體別離。同時(shí)，球的前方會(huì)有一個(gè)紊流尾流區(qū)，在此區(qū)域氣流起伏擾動(dòng)，導(dǎo)致前方的壓力較低。尾流的范圍會(huì)影響阻力的大小。通常說來，尾流范圍越小，球體前方的壓力就越大，空氣對(duì)球的阻力就越小。小凹坑可使空氣形成一層緊貼球外表的薄薄的紊流邊界層，使得平滑的氣流順著球形多往后走一些，從而減小尾流的范圍。因此，有凹坑的球所受的阻力大約只有平滑圓球的一半。n小凹坑也會(huì)影響高爾夫球的升力。一個(gè)外表不平滑的盤旋球，會(huì)像飛機(jī)機(jī)翼般偏折氣流以產(chǎn)生升力。球的自旋可使球下方的氣壓比上方高，這種不平衡可以產(chǎn)生往上的推力。高爾夫球的自旋大約提供了一半

11、的升力。另外一半那么是來自小凹坑，它可以提供最正確的升力。n大多數(shù)的高爾夫球有300500個(gè)小凹坑，每個(gè)坑的平均深度約為0.025厘米。阻力及升力對(duì)凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米這么小的差異，也可以對(duì)軌跡和飛行距離造成很大的影響。小凹坑通常是圓形的，但其他的形狀也可以有極佳的空氣動(dòng)力性能，例如某些公司生產(chǎn)的高爾夫球采用的是六角形 汽車阻力來自前部還是后部？汽車阻力來自前部還是后部？n汽車創(chuàng)造于汽車創(chuàng)造于1919世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對(duì)世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對(duì)空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力空氣的撞擊，因此早期的汽車后部

12、是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)系數(shù)CDCD很大，約為很大，約為0.80.8。n 汽車阻力來自前部還是后部？汽車阻力來自前部還是后部？n實(shí)際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。實(shí)際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。汽車阻力來自前部還是后部？汽車阻力來自前部還是后部？n2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.60.6。汽車阻力來自前部還是后部？汽車阻力來自前部還是后部？n2020世紀(jì)世紀(jì)50506060年代改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為年代改

13、進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.450.45。汽車阻力來自前部還是后部？汽車阻力來自前部還是后部？n80年代經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3。 n以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，阻力系數(shù)為0.2。汽車阻力來自前部還是后部？汽車阻力來自前部還是后部？n9090年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.1370.137。n 經(jīng)過近經(jīng)過近8080年的研究改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從年的研究改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.80.8降至降至0.1370.137，阻力減，阻力減小為原來的小為原來的1/5 1/5 。n 目前，在汽車外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究

14、已占主導(dǎo)地位，合理目前，在汽車外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。的外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。第第3 3章章 流體動(dòng)力學(xué)理論根底流體動(dòng)力學(xué)理論根底n運(yùn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)流體第第3 3章章 流體動(dòng)力學(xué)理論根底流體動(dòng)力學(xué)理論根底第第3 3章章 流體動(dòng)力學(xué)理論根底流體動(dòng)力學(xué)理論根底第第3 3章章 流體動(dòng)力學(xué)理論根底流體動(dòng)力學(xué)理論根底研究思路：理想流體=0實(shí)際流體0研究?jī)?nèi)容：p=p(x,y,z,t),u=u(x,y,z,t)根本理論：質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律重點(diǎn)掌握：恒定總流的三大根本方程n拉格朗日法n研究對(duì)象流體質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)點(diǎn)系固體運(yùn)

15、動(dòng)常采用拉格朗日法研究，但流體運(yùn)動(dòng)一般較固體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，固體運(yùn)動(dòng)常采用拉格朗日法研究，但流體運(yùn)動(dòng)一般較固體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，通常采用歐拉法研究。通常采用歐拉法研究。n歐拉法n研究對(duì)象流場(chǎng)n當(dāng)?shù)丶铀俣葧r(shí)變加速度n遷移加速度位變加速度n恒定流動(dòng)與非恒定流動(dòng)n一元流動(dòng)、二元流動(dòng)、三元流動(dòng)n流線與跡線n定義u21uu2133u6545u46un根本方程根本方程n n 流線流線n性質(zhì)性質(zhì)n一般情況，流線不能相交，且只能是一條光滑曲線。一般情況，流線不能相交，且只能是一條光滑曲線。tuzuyuxzyxdddds1s2交點(diǎn)折點(diǎn)szyxuzuyuxddd0d或sun流線充滿整個(gè)流場(chǎng)。n定常流動(dòng)時(shí)，流線的形狀、位置不隨時(shí)

16、間變化，且與跡線重合。n流線越密，流速越大。n流管、元流、總流、過流斷面流管、元流、總流、過流斷面n流量、斷面平均流速流量、斷面平均流速n流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過的流體量。流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過的流體量。 常用單位：常用單位：m3/s或或 L/s 換算關(guān)系：換算關(guān)系：1m3=1000LAAuQdn斷面平均流速斷面平均流速w 過流斷面上實(shí)際流速分布都是非均勻的。過流斷面上實(shí)際流速分布都是非均勻的。n在流體力學(xué)中，為方便應(yīng)用，常引入斷面平均流速概念在流體力學(xué)中，為方便應(yīng)用，常引入斷面平均流速概念。vuAAuAQvAdn均勻流與非均勻流、漸變流n均勻流：各流線為平行直線的流動(dòng)；其遷移加速度等于零，即n非均勻流

17、：各流線或?yàn)榍€、或?yàn)楸舜瞬黄叫械闹本€；其遷移加速度不等于零，即 天然河流為典型的非均勻流動(dòng)。 非均勻流動(dòng)根據(jù)其流線彎曲程度又可分為漸變流和急變流。0)(uu0)(uun漸變流：流線近似為平行直線的流動(dòng)；或流線的曲率半徑R足夠大而流線之間的夾角足夠小的流動(dòng)。R漸變流過流斷面的兩個(gè)重要性質(zhì)n漸變流過流斷面近似為平面；n漸變流過流斷面上的動(dòng)壓近似按靜壓分布，即 Cpz流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式。一、連續(xù)性微分方程 取如下圖微小六面體為控制體，分析在dt時(shí)間內(nèi)流進(jìn)、流出控制體的質(zhì)量差：流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程x方向:zyx

18、xuzyxxuuxxzyxxuuxxmxxxxxxddd)(dd)d21)(d21(dd)d21)(d21(流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程Y方向：Z方向：據(jù)質(zhì)量守恒定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流進(jìn)、流出控制體的流體質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)、流出控制體的流體質(zhì)量差等于控制體內(nèi)流體面密度發(fā)生變化所引起的質(zhì)量增量。差等于控制體內(nèi)流體面密度發(fā)生變化所引起的質(zhì)量增量。即：即：zyxyumyyddd)(zyxzumzzddd)(zyxtmmmzyxddd流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程 將 代入上式，化簡(jiǎn)得： 或 上式即為流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性微分方程的一般形式。上式即為流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性微分方程的一般形式。zy

19、xmmm、0)()()(zuyuxutzyx0)(ut流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程 對(duì)于恒定不可壓縮流體，連續(xù)性方程可進(jìn)行簡(jiǎn)化：對(duì)于恒定不可壓縮流體，連續(xù)性方程可進(jìn)行簡(jiǎn)化： 定常流定常流 或或不可壓縮流體不可壓縮流體 或或)0(t0)()()(zuyuxuzyx0)(u)(常數(shù)0zuyuxuzyx0 u流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程二、連續(xù)性積分方程二、連續(xù)性積分方程 取圖示總流控制體，將連續(xù)性微分方程對(duì)總流控制體積分：取圖示總流控制體，將連續(xù)性微分方程對(duì)總流控制體積分：VV0dV)(dVut流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程因控制體不隨時(shí)間變化，故式中第一項(xiàng)因控制

20、體不隨時(shí)間變化，故式中第一項(xiàng)VVdVdVtt據(jù)數(shù)學(xué)分析中的高斯定理，式中第二項(xiàng)據(jù)數(shù)學(xué)分析中的高斯定理，式中第二項(xiàng)VddV)(AnAuu流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程故得連續(xù)性積分方程的一般形式為故得連續(xù)性積分方程的一般形式為0ddVVAnAut流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程三、定常不可壓縮總流的連續(xù)性方程三、定常不可壓縮總流的連續(xù)性方程0dAnAu對(duì)于定常對(duì)于定常 不可壓縮不可壓縮 常數(shù)總流常數(shù)總流 ，連續(xù)性，連續(xù)性積分方程可簡(jiǎn)化為：積分方程可簡(jiǎn)化為：)0dV(Vt流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程取圖示管狀總流控制體，因其側(cè)面上取圖示管狀總流控制體，因其側(cè)面上un=

21、0un=0為什么？請(qǐng)思考，故有為什么？請(qǐng)思考，故有120dd2211AAAuAu流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程式中第一項(xiàng)取負(fù)號(hào)是因?yàn)榱魉偈街械谝豁?xiàng)取負(fù)號(hào)是因?yàn)榱魉賣 u1 1與與d dA A2 2的外法線方向相反，應(yīng)的外法線方向相反，應(yīng)用積分中值定理，可得用積分中值定理，可得上式即為恒定不可壓縮總流的連續(xù)性方程。上式即為恒定不可壓縮總流的連續(xù)性方程。說明說明：流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程是不涉及任何作用力的運(yùn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程是不涉及任何作用力的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，因此對(duì)實(shí)際流體和理想流體均適用。學(xué)方程，因此對(duì)實(shí)際流體和理想流體均適用。QAvAv2211流體運(yùn)動(dòng)微分方程流體運(yùn)動(dòng)微分方程將歐拉平衡

22、微分方程 0F01pf推廣到理想運(yùn)動(dòng)流體 ,得上式也稱為歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程。aFmtpdd1uf一、理想流體定常元流的伯努利方程 將 各項(xiàng)點(diǎn)乘單位線段 ,得tpdd1ufsdsussfdddd1dtp為積分上式,現(xiàn)附加限制條件:定常流 :)0)(tppdd s不可壓縮流體 :)(cpppdd1d1s質(zhì)量力只有重力 :fds = -gdz沿流線積分 :2dddddddd2uttuususu代入 整理積分得：或沿同一流線上式即為理想流體定常元流的伯努利方程。 sussfdddd1dtpCgugpz2212S2gz222222111ugpgugpz伯努利方程的物理意義伯努利方程的幾何意義 實(shí)際流體由于

23、粘性的存在，在運(yùn)動(dòng)過程中，存在能量耗散，機(jī)械能沿流線不守恒。 設(shè) 為單位重量流體沿線的機(jī)械能損失，亦稱水頭損失，那么據(jù)能量恒定律，可得實(shí)際流體定常元流的伯努利方程WhWhgupzgupz2222222111為了形象地了解流體運(yùn)動(dòng)時(shí)能量沿示的變化情況定義：測(cè)壓管線坡度lpzJpdd總水頭線坡度lgupzJd2d2實(shí)際流體 ；理想流體 ；均勻流體 JJp0J0J三、實(shí)際流體定?？偭鞯牟匠?實(shí)際工程中往往要解決的是總流問題，現(xiàn)將實(shí)際流體定常元流的伯努利方程推廣到總流：適用條件流體是不可壓縮的，流動(dòng)為定常的；質(zhì)量力只有重力；過流斷面為漸變流斷面；兩過流斷面間沒有能量的輸入或輸出，否那么應(yīng)進(jìn)行修正

24、：Whgvpzgvpz222222221111WhgvpzHgvpz222222221111 式中：H為單位重量流體流過水泵、風(fēng)機(jī)所獲得的能量取“+或流 進(jìn)水輪機(jī)失去的能量取“-應(yīng)用定?？偭鞯牟匠探忸}時(shí)，應(yīng)注意的問題： 基準(zhǔn)面、過流斷面、計(jì)算點(diǎn)的選??；壓強(qiáng)p的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)量方程動(dòng)量方程一、歐拉型積分形式的動(dòng)量方程一、歐拉型積分形式的動(dòng)量方程據(jù)理論力學(xué)知，質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理為uFmt dd上式是針對(duì)系統(tǒng)而言的，通常稱為拉格朗日型動(dòng)量方程.現(xiàn)應(yīng)用控制體概念，將其轉(zhuǎn)換成歐拉型動(dòng)量方程。動(dòng)量方程動(dòng)量方程如下圖，設(shè)t時(shí)刻系統(tǒng)與控制體虛線重合，控制體內(nèi)任意點(diǎn)的密度為、流速為u動(dòng)量方程動(dòng)量方程 t時(shí)刻系

25、統(tǒng)的動(dòng)量時(shí)刻系統(tǒng)的動(dòng)量tdVVu t+tt+t時(shí)刻系統(tǒng)的動(dòng)量時(shí)刻系統(tǒng)的動(dòng)量AutAttddVVuuAutAutAAttdddV21Vuuu21AAA動(dòng)量方程動(dòng)量方程 將t時(shí)刻和t+t時(shí)刻系統(tǒng)的動(dòng)量代入拉格朗日型動(dòng)量方程，整理得AtAddVVuuF上式即為歐拉型積分形式的動(dòng)量方程。動(dòng)量方程動(dòng)量方程二、定常不可壓縮總流的動(dòng)量方程二、定常不可壓縮總流的動(dòng)量方程 對(duì)于恒定 不可壓縮 總流，歐拉型0)(tc1122ddd2AuAuAuAA12uuuF積分形式的動(dòng)量方程可簡(jiǎn)化為QvAuuAd動(dòng)量方程動(dòng)量方程故12FvvQ12上式即為恒定總流的動(dòng)量方程，其中稱為動(dòng)量修正系數(shù)，一般流動(dòng)=1.021.05,工程

26、中常見流動(dòng)通常取=1.0AAvuAd2動(dòng)量方程動(dòng)量方程適用條件不可壓縮流體；定常流動(dòng)。應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題 動(dòng)量方程為矢量方程，應(yīng)用時(shí)必須按矢量規(guī)那么進(jìn)行計(jì)算。 丹伯努利Daniel Bernoull，17001782：瑞士科學(xué)家，曾在俄國(guó)彼得堡科學(xué)院任教，他在流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、微分方程和概率論等方面都有重大奉獻(xiàn)，是理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。 伯努利以?流體動(dòng)力學(xué)?1738一書著稱于世，書中提出流體力學(xué)的一個(gè)定理，反映了理想流體不可壓縮、不計(jì)粘性的流體中能量守恒定律。這個(gè)定理和相應(yīng)的公式稱為伯努利定理和伯努利公式。 他的固體力學(xué)論著也很多。他對(duì)好友 歐拉提出建議，使歐拉解出彈性壓桿失穩(wěn)后的形狀，

27、即獲得彈性曲線的精確結(jié)果。17331734年他和歐拉在研究上端懸掛重鏈的振動(dòng)問題中用了貝塞爾函數(shù)，并在由假設(shè)干個(gè)重質(zhì)點(diǎn)串聯(lián)成離散模型的相應(yīng)振動(dòng)問題中引用了拉格爾多項(xiàng)式。他在1735年得出懸臂梁振動(dòng)方程；1742年提出彈性振動(dòng)中的疊加原理，并用具體的振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；他還考慮過不對(duì)稱浮體在液面上的晃動(dòng)方程等。 例題例題1 1kyykxxddcxy 例題例題1 1n跡線方程： 積分得：與流線方程相同，表恒定流動(dòng)時(shí)，流線與跡線在幾何上完全重合。tkyykxxdddktktecyecx21,ccceeccxyktkt2121假設(shè)不可壓縮流體的流速場(chǎng)為假設(shè)不可壓縮流體的流速場(chǎng)為u ux x=f=f( (

28、y,zy,z) ), u, uy y=u=uz z= =0 0 試判斷該流動(dòng)是否存在。試判斷該流動(dòng)是否存在。判斷流動(dòng)是否存在，主要看其是否滿足連續(xù)性微分方程。判斷流動(dòng)是否存在，主要看其是否滿足連續(xù)性微分方程。此題滿足0zuyuxuzyx故該流動(dòng)存在。0zuyuxuzyx例題3據(jù)恒定不可壓縮總流的連續(xù)性方程有據(jù)恒定不可壓縮總流的連續(xù)性方程有 v1 /v2 =(d2 /d1 )2=422221144dvdv例題例題4 4AABBupzpzhu例題例題4 4例題例題4 4先按理想流體研究，由A至B建立恒定元流的伯努利方程，有 故 考慮到實(shí)際流體粘性作用引起的水頭損失和測(cè)速管對(duì)流動(dòng)的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，

29、應(yīng)對(duì)上式進(jìn)行修正：式中： 稱為皮托管系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，通常接近于1.0。022BBAApzgupzuAABBghpzpzgu22ughu2據(jù)12建立總流的伯努利方程，有WhgvH200002WhHgv2得whHgdAvQ242例題例題5 5討論在理想流體情況下，hw =0，那么在H、d不變情況下，假設(shè)欲使Q增加，可采取什么措施？gHdQ242Q Qd dJ JJ Jp pwhgv22例題例題6 61d2dhph例題例題6 6從從1212建立總流的伯努利方程建立總流的伯努利方程0222222221111gvpzgvpz取 ，那么得0 . 12122112121221pzpzgvvv式中：可據(jù)總流

30、的連續(xù)性方程 求得：12vv2211AvAv例題例題6 622112ddvv22114212111214pzpzgdddAvQhK將其代入前式，整理得故管道的通過流量22114211211pzpzgddv測(cè)壓管測(cè)壓管pphK1差壓計(jì)差壓計(jì)例題例題6 6式中 為文丘里流量計(jì)系數(shù)。因?qū)嶋H流體存在水頭損失，故實(shí)際流量略小于上式計(jì)算結(jié)果，即1442121dddKpphKhKQ1為文丘里流量系數(shù)，一般為文丘里流量系數(shù)，一般99. 095. 0例題例題7 7 如圖所示矩形斷面平坡渠道中水流越過一平頂障如圖所示矩形斷面平坡渠道中水流越過一平頂障礙物。已知礙物。已知 m m， m m，渠寬，渠寬 m m，渠道

31、，渠道通過能力通過能力 ，試求水流對(duì)障礙物通水間的沖擊，試求水流對(duì)障礙物通水間的沖擊力力R R。0 . 21h5 . 02h5 . 1bsmQ35 . 1例題例題7 7w 取圖示控制體，并進(jìn)行受力分析。取圖示控制體，并進(jìn)行受力分析。w 建立建立xozxoz坐標(biāo)系。坐標(biāo)系。w 在在x x方向建立動(dòng)量方程（取方向建立動(dòng)量方程（取 ）。）。0 . 1211221vvQFPPkNbhhP5 .292111kNbhhP8 . 12222例題例題7 7smbhQv/5 . 011smbhQv/0 . 222代入動(dòng)量方程，得代入動(dòng)量方程，得kNR31.25故水流對(duì)障礙物迎水面的沖擊力故水流對(duì)障礙物迎水面的沖

32、擊力 kNRR31.25本章重點(diǎn)掌握：量綱分析方法瑞利法、 定理相似理論及其應(yīng)用相似準(zhǔn)那么、模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1 量綱分析的根本概念一、單位與量綱n單位：表征各物理量的大小。 如長(zhǎng)度單位m、cm、mm； 時(shí)間單位小時(shí)、分、秒等。n量綱：表征各物理量單位的種類。 如m、cm、mm等同屬于長(zhǎng)度類，用L表示； 小時(shí)、分、秒等同屬于時(shí)間類，用T表示； 公斤、克等同屬于質(zhì)量類，用M表示。4.1 量綱分析的根本概念二、根本量綱與根本物理量 1.根本量綱：具有獨(dú)立性、唯一性 在工程流體力學(xué)中，假設(shè)不考慮溫度變化，那么常取質(zhì)量M、長(zhǎng)度L和時(shí)間T三個(gè)作為根本量綱。其它物理量的量綱可用根本量綱表示，如流速 dimv

33、LT1密度 dimML3 力 dimFMLT2 壓強(qiáng) dim p=M L1 T14.1 量綱分析的根本概念2.根本物理量：具有獨(dú)立性，但不具唯一性 在工程流體力學(xué)中，假設(shè)不考慮溫度變化，通常取3個(gè)相互獨(dú)立的物理量作為根本物理量。 如(密度)、V(流速)、d(管徑)或F(力)、a(加速度)、l(長(zhǎng)度)等。 根本物理量獨(dú)立性判別 任何兩個(gè)物理量的組合不能推出第3個(gè)物理量的量綱，即為3個(gè)物理量相互獨(dú)立。4.1 量綱分析的根本概念三、物理方程的量綱齊次性原理但凡正確描述自然現(xiàn)象的物理方程，其方程各項(xiàng)的量綱必然相同。量綱齊次性原理是量綱分析的理論根底。工程中仍有個(gè)別經(jīng)驗(yàn)公式存在量綱不齊次。滿足量綱齊次性

34、的物理方程，可用任一項(xiàng)去除其余各項(xiàng)，使其變?yōu)闊o量綱方程。如流體靜力學(xué)根本方程用 除其余各項(xiàng)，可得無量綱方程：ghpp0gh10ghpghp4.2 量綱分析方法 常用的量綱分析方法有瑞利法和泊金漢法也稱定理一、瑞利法 根本思想：假定各物理量之間呈指數(shù)形式的乘積組合。4.2 量綱分析方法二、 根本思想：對(duì)于某個(gè)物理現(xiàn)象，假設(shè)存在n個(gè)變量互為函數(shù)關(guān)系，即0),.,(21nqqqF而這些變量中含有m個(gè)根本物理量，那么可組合這些變量成為(n m)個(gè)無量綱數(shù)的函數(shù)關(guān)系，即0),.,(21mn4.3 流動(dòng)相似的根本概念4.3 流動(dòng)相似的根本概念原型和模型對(duì)應(yīng)的線性長(zhǎng)度均成一固定比尺。長(zhǎng)度比尺：面積比尺：體積

35、比尺：mplll2lmpAAA3lmpVVV4.3 流動(dòng)相似的根本概念原型和模型的流速場(chǎng)相似，即流場(chǎng)中各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流速大小成比例，方向相同。流速比尺：mpvvv加速度比尺：lvmmppmpatvtvaa2/vlt4.3 流動(dòng)相似的根本概念原型和模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的同名力方向相同，大小成比例。說明FFFFGITp幾何相似是運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提；動(dòng)力相似是決定流動(dòng)相似的主要因素；運(yùn)動(dòng)相似是幾何相似和動(dòng)力相似的表現(xiàn)。4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么 流動(dòng)相似的本質(zhì)是原型和模型被同一個(gè)物理流動(dòng)相似的本質(zhì)是原型和模型被同一個(gè)物理方程所描述，這個(gè)物理方程即相似準(zhǔn)那么方程。方程所描述，這個(gè)物理方程即相似準(zhǔn)那么方程。一

36、、弗勞德準(zhǔn)那么一、弗勞德準(zhǔn)那么重力相似重力相似 要保證原型和模型任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流體重力相似，要保證原型和模型任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流體重力相似，那么據(jù)動(dòng)力相似要求有那么據(jù)動(dòng)力相似要求有IFG4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么重力比尺：glmpGgg3)V()V(式中：慣性力比尺：223)V()V(vlalmpFaaIlva24.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么故得弗勞德準(zhǔn)那么方程：mplgvglvglv)()(or 1即要保證原型流動(dòng)和模型流動(dòng)的重力相似，那么要求兩者對(duì)應(yīng)的弗勞德數(shù) 必須相等.glv/Fr 4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么要保證原型流動(dòng)和模型流動(dòng)的粘性力相似，那么根據(jù)動(dòng)力相似要求有：ITFF4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么式中

37、，粘性力比尺：vlvlmpFyuAyuAT)dd()dd(4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么故得雷諾準(zhǔn)那么方程：mplvvlvl)()(or 1即要保證原型流動(dòng)和模型流動(dòng)的粘性力相似，那么要求兩者對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù) 必須相等./Revl4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么要保證原型流動(dòng)和模型流動(dòng)的壓力相似，那么根據(jù)動(dòng)力相似要求有：IpFF式中，壓力比尺：2)()(lpmpFpApAp4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么故得歐拉準(zhǔn)那么方程：mpvppvppvp)()(or 1222即要保證原型流動(dòng)和模型流動(dòng)的壓力相似，那么要求兩者對(duì)應(yīng)的歐拉數(shù) 必須相等.)/(Eu2vp4.4 流動(dòng)相似的準(zhǔn)那么幾點(diǎn)說明：弗勞德準(zhǔn)那么、雷諾準(zhǔn)那么和歐拉準(zhǔn)

38、那么是工程流體力學(xué)的常用準(zhǔn)那么. 一般弗勞德準(zhǔn)那么、雷諾準(zhǔn)那么為獨(dú)立準(zhǔn)那么，而歐拉準(zhǔn)那么為導(dǎo)出準(zhǔn)那么. 4.5 4.5 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)一、模型律的選擇一、模型律的選擇 從理論上講，流動(dòng)相似應(yīng)保證所有作用力相似，但從理論上講，流動(dòng)相似應(yīng)保證所有作用力相似，但一般難以實(shí)現(xiàn)。如僅保證重力和粘性力相似，那么一般難以實(shí)現(xiàn)。如僅保證重力和粘性力相似，那么應(yīng)同時(shí)滿足弗勞德準(zhǔn)那么和雷諾準(zhǔn)那么，故有應(yīng)同時(shí)滿足弗勞德準(zhǔn)那么和雷諾準(zhǔn)那么，故有 即應(yīng)按上式選擇模型流體，一般難以實(shí)現(xiàn)；假設(shè)即應(yīng)按上式選擇模型流體，一般難以實(shí)現(xiàn)；假設(shè)取取 即原、模型采用同一流體，那么將導(dǎo)即原、模型采用同一流體，那么將導(dǎo)致致 ，失

39、去了模型試驗(yàn)的價(jià)值。，失去了模型試驗(yàn)的價(jià)值。1l 2/3l14.5 4.5 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常只保證主要力相似. 一般情況下： 有壓管流、潛體繞流：明渠流動(dòng)、繞橋墩流動(dòng)：選雷諾準(zhǔn)那么 選弗勞得準(zhǔn)那么4.5 4.5 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)定長(zhǎng)度比尺 ，確定模型流動(dòng)的幾何邊界；選介質(zhì) ，一般采用同一介質(zhì)： ；選模型律.l1例題1式中k為無量綱常數(shù)。其中，各物理量的量綱為：LdTMLMLLTVcdim,dimdim,dim1131假定dkVc例題1代入指數(shù)方程，那么得相應(yīng)的量綱方程LTMLMLLT)()(1131根據(jù)量綱齊次性原理，有1:31:0:TLM解上述三元一次方程組得

40、：1,1,1故得：dkVc其中常數(shù)k需由實(shí)驗(yàn)確定.例題2 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，球形物體在粘性流體中運(yùn)動(dòng)所受阻力FD與球體直徑d、球體運(yùn)動(dòng)速度V、流體的密度和動(dòng)力粘度有關(guān)，試用定理量綱分析法建立FD的公式結(jié)構(gòu).選根本物理量、V、d，根據(jù)定理，上式可變?yōu)槠渲?2211121dVFdVD假定0),(1dVFfD0),(21例題2對(duì)1：20:130:10:)()(11111213000111TLMMLTLLTMLTLM解上述三元一次方程組得：2, 2, 1111故221dVFD例題2代入 ，并就FD解出，可得：0),(212222(Re)dVCdVfFDD式中 為繞流阻力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。(Re)fCDRe12

41、Vd同理：例題3溢流壩流動(dòng)，起主要作用的是重力，應(yīng)選擇弗勞德準(zhǔn)那么進(jìn)行模型設(shè)計(jì).例題32)()( lVmpvAvAQQmpsL8 .35sm0358. 0601000 35 . 25 . 2lpmQQ5 . 2l由Fr準(zhǔn)那么：lv第第5 5章章 流動(dòng)阻力與流動(dòng)阻力與水頭損失水頭損失本章重點(diǎn)掌握黏性流體的流動(dòng)型態(tài)層流、紊流及其判別沿程水頭損失計(jì)算局部水頭損失計(jì)算5.1 概述一、章目解析從力學(xué)觀點(diǎn)看，本章研究的是流動(dòng)阻力。 產(chǎn)生流動(dòng)阻力的原因：內(nèi)因粘性+慣性外因外界干擾從能量觀看，本章研究的是能量損失水頭損失。5.1 概述二、研究?jī)?nèi)容內(nèi)流如管流、明渠流等：研究 的計(jì)算本章重點(diǎn)；外流如繞流等：研究C

42、D的計(jì)算。三、水頭損失的兩種形式hf ：沿程水頭損失(由摩擦引起)；hm ：局部水頭損失由局部干擾引起。wh總水頭損失：mfwhhh5.2 黏性流體的流動(dòng)型態(tài)黏性流體的流動(dòng)型態(tài)一、雷諾實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 1883年英國(guó)物理學(xué)家雷諾按圖示試驗(yàn)裝置對(duì)粘性流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出了流體運(yùn)動(dòng)存在兩種型態(tài)：層流和紊流。Osborne Reynolds (1842-1916)5.2 黏性流體的流動(dòng)型態(tài)黏性流體的流動(dòng)型態(tài)5.2 黏性流體的流動(dòng)型態(tài)黏性流體的流動(dòng)型態(tài) 雷諾在觀察現(xiàn)象的同時(shí)，測(cè)量 ，繪制 的關(guān)系曲線如下：Vhf,Vhflglg層流：0 . 1Vhf紊流：0 . 275. 1VhfAEBCD層流過渡區(qū)紊流5.2

43、黏性流體的流動(dòng)型態(tài)黏性流體的流動(dòng)型態(tài)二、判別標(biāo)準(zhǔn))(4000012000Re)(2300Re不穩(wěn)定較穩(wěn)定dVdVcccc5.2 黏性流體的流動(dòng)型態(tài)黏性流體的流動(dòng)型態(tài)圓管：取)(2300)(2300Re紊流層流Vd2300RedVcc非圓管：442dddR定義水力半徑 為特征長(zhǎng)度.相對(duì)于圓管有AR 5.2 黏性流體的流動(dòng)型態(tài)黏性流體的流動(dòng)型態(tài))(575)(575Re紊流層流VR故取575423004RedVRVccc5.3 恒定均勻流根本方程5.3 恒定均勻流根本方程對(duì)如下圖定常均勻有壓管流，由12建立伯努利方程，得： 流體用于克服阻力所消耗的能量全部由勢(shì)能提供。)()(2211pzpzhf15

44、.3 恒定均勻流根本方程2. 在s方向列動(dòng)量方程，得：式中：lzzAlGlTApPApP2102211cos,0cos21GTPP25.3 恒定均勻流根本方程3. 聯(lián)立1 、2，可得定常均勻流根本方程RJlhRRlhff00or 上式對(duì)層流、紊流均適用。35.3 恒定均勻流根本方程仿上述推導(dǎo)，可得任意r處的切應(yīng)力：JR考慮到 ，有240rdR2rR 故 線性分布00rr5.3 恒定均勻流根本方程由均勻流根本方程 計(jì)算 ，需先求出 。Rlhf0fh0),(10RVf因0),(Re,20VRf據(jù)定理：220)(Re,VRf故5.3 恒定均勻流根本方程8/)/(Re,2 Rf令 ，并考慮到 ，Rd4

45、Rlhf0fh式中， 為沿程阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定。)/(Re,df代入 可得沿程水頭損失 的通用公式達(dá)西公式：gVdlhf225.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)據(jù) dd21yurJrrJud2drry05.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)積分rrurrJu0d4d0得：)(4220rrJu旋轉(zhuǎn)拋物面分布5.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)最大流速：200max4rJuur流量：4402200A1288d2)(4d0dJrJrrrrJAuQr5.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)28max20urJAQv5.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)208rJv由和lhJf得：vr

46、lhf208gvdl2Re642)(0 . 1vhf2,Re0drvd5.4 圓管中的層流運(yùn)動(dòng)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)與hf的通用公式比較，可得圓管層流時(shí)沿程阻力系數(shù)：(Re)Re64f33.1Ad)(0.2Ad)(A2A3AvuAvu5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)主要特征：流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，作無定向、無規(guī)那么的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素在時(shí)間和空間都是具有隨機(jī)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。 嚴(yán)格來講，紊流總是非恒定的。 時(shí)間平均紊流：恒定紊流與非恒定紊流的含義。 紊流的脈動(dòng)性使過流斷面上的流速分布比層流的更均勻，但能量損失比層流更大。5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)紊流切應(yīng)力包括1和紊流附加切應(yīng)力2兩局部，即2

47、1其中：2221ddddyuyuy01ryy這里 稱為混合長(zhǎng)度，可用經(jīng)驗(yàn)公式 或 計(jì)算。5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)Re8 .32 dl水力光滑、水力粗糙的含義。粘性底層 一般只有十分之幾個(gè)毫米，但對(duì)流動(dòng)阻力的影響較大。l5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)粘性底層區(qū) )(ly)( 2*線性分布yvu式中： 0*v剪切流速 紊流核心區(qū))(ly)( ln*對(duì)數(shù)曲面分布cyvu5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)Johann Nikuradse5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)5.0ded=5.85.4 5.6d6.0fdddd1504101412521112030161

48、13.4lg(100l)0.70.60.50.40.30.2b2.6 2.83.23.01.11.00.90.8a5.2lg Re3.83.64.0 4.2c4.84.64.45.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)層流區(qū)I：Re64(Re) f層、紊流過渡：(Re)f紊流過渡區(qū)： )(Re,df)( )(ldf紊流粗糙區(qū)： 紊流光滑區(qū)： )( (Re)lf5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)層、紊流過渡區(qū)： 空白層流區(qū)I： )( Re64理論與實(shí)際完全一致0 . 1vhf紊流光滑區(qū)： )( Re .31600.25布拉休斯公式75. 1vhf紊流過渡區(qū)： )( )867. 01 (017

49、9. 03 . 03 . 0舍維列夫公式vd5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng))( 74.1lg22-0尼古拉茲公式r紊流粗糙區(qū)： )( 11. 025. 0希弗林松公式 d)( 0210.03 .0舍維列夫公式d2Vhf)( )Re51. 27 . 3lg(2柯列勃洛克公式d適合紊流區(qū)的公式： )( Re6811. 025. 0阿里特蘇里公式）（d5.5 圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)為便于應(yīng)用，莫迪將其制成莫迪圖。Lewis Moody5.6 局部水頭損失局部水頭損失旋渦區(qū)的存在是造成局部水頭損失的主要原因。 局部水頭損失與沿程水頭損失一樣，也與流態(tài)有關(guān)，但目前僅限于紊流研究，且根

50、本為實(shí)驗(yàn)研究。5.6 局部水頭損失局部水頭損失1.從12建立伯努利方程，可得gvvpzpzhm2)()(222211221115.6 局部水頭損失局部水頭損失2.在s方向列動(dòng)量方程)(cos112221vvQGTPP式中：環(huán)PApP111環(huán)ApAp11121Ap引入實(shí)驗(yàn)結(jié)果12AAA環(huán)0T cos 212222lzzlAGApP25.6 局部水頭損失局部水頭損失3.聯(lián)立1、2，并取 ，得0 . 12121gvvhm2)(221包達(dá)公式2211vAvAgvgvAAgvgvAA22122122222212211212215.6 局部水頭損失局部水頭損失gvhm22式中：=f(Re,邊界情況)，稱為

51、局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定。例題例題1 1因vdRe24dQvddQ145 . 0)/ 1/()/ 1 (Re/Re211212dddd故例題例題2 2gvH200002gvgvgvdl222222閥門進(jìn)例題例題2 2得流速據(jù)連續(xù)性方程得流量閥門進(jìn)dlgHv224dAvQ閥門進(jìn)dlgH2普朗特簡(jiǎn)介普朗特簡(jiǎn)介n普朗特普朗特18751953，德國(guó)物理學(xué)家，近代力學(xué)奠基人之一。，德國(guó)物理學(xué)家，近代力學(xué)奠基人之一。1875年年2月月4日生于弗賴辛，日生于弗賴辛，1953年年8月月15日卒于格丁根。他在大學(xué)時(shí)學(xué)機(jī)械日卒于格丁根。他在大學(xué)時(shí)學(xué)機(jī)械工程，后在慕尼黑工業(yè)大學(xué)攻彈性力學(xué)，工程，后在慕尼黑工業(yè)大

52、學(xué)攻彈性力學(xué)，1900年獲得博士學(xué)位。年獲得博士學(xué)位。1901年年在機(jī)械廠工作，發(fā)現(xiàn)了氣流別離問題。后在漢諾威大學(xué)任教授時(shí)，用自制在機(jī)械廠工作，發(fā)現(xiàn)了氣流別離問題。后在漢諾威大學(xué)任教授時(shí)，用自制水槽觀察繞曲面的流動(dòng)，水槽觀察繞曲面的流動(dòng)，3年后提出邊界層理論，建立繞物體流動(dòng)的小粘年后提出邊界層理論，建立繞物體流動(dòng)的小粘性邊界層方程，以解決計(jì)算摩擦阻力、求解別離區(qū)和熱交換等問題。奠定性邊界層方程，以解決計(jì)算摩擦阻力、求解別離區(qū)和熱交換等問題。奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)的根底。普朗特在流體力學(xué)方面的其他奉獻(xiàn)有：了現(xiàn)代流體力學(xué)的根底。普朗特在流體力學(xué)方面的其他奉獻(xiàn)有：風(fēng)洞實(shí)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)。他認(rèn)為研究空氣動(dòng)力學(xué)

53、必須作模型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)技術(shù)。他認(rèn)為研究空氣動(dòng)力學(xué)必須作模型實(shí)驗(yàn)。1906年建造了德國(guó)第年建造了德國(guó)第一個(gè)風(fēng)洞見空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)風(fēng)洞見空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，1917年又建成格丁根式風(fēng)洞。年又建成格丁根式風(fēng)洞。機(jī)翼機(jī)翼理論。在實(shí)驗(yàn)根底上，他于理論。在實(shí)驗(yàn)根底上，他于19131918年提出了舉力線理論和最小誘導(dǎo)年提出了舉力線理論和最小誘導(dǎo)阻力理論阻力理論 ，后又提出舉力面理論等。，后又提出舉力面理論等。湍流理論。提出層流穩(wěn)定性和湍湍流理論。提出層流穩(wěn)定性和湍流混合長(zhǎng)度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動(dòng)，后被稱流混合長(zhǎng)度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動(dòng)，后被稱為普朗特為普朗特-邁耶

54、爾流動(dòng)。他在氣象學(xué)方面也有創(chuàng)造性論著。邁耶爾流動(dòng)。他在氣象學(xué)方面也有創(chuàng)造性論著。 普朗特在固體力學(xué)方面也有不少奉獻(xiàn)。他的博士論文探討了狹長(zhǎng)矩形截普朗特在固體力學(xué)方面也有不少奉獻(xiàn)。他的博士論文探討了狹長(zhǎng)矩形截面梁的側(cè)向穩(wěn)定性。面梁的側(cè)向穩(wěn)定性。1903年提出了柱體扭轉(zhuǎn)問題的薄膜比較法年提出了柱體扭轉(zhuǎn)問題的薄膜比較法 。他繼承。他繼承并推廣了圣維南所開創(chuàng)的塑性流動(dòng)的研究并推廣了圣維南所開創(chuàng)的塑性流動(dòng)的研究 。T.von卡門在他指導(dǎo)下完成的卡門在他指導(dǎo)下完成的博士論文是關(guān)于柱體塑性區(qū)的屈曲問題。普朗特還解決了半無限體受狹條博士論文是關(guān)于柱體塑性區(qū)的屈曲問題。普朗特還解決了半無限體受狹條均勻壓力時(shí)的塑

55、性流動(dòng)分析。著有均勻壓力時(shí)的塑性流動(dòng)分析。著有?普朗特全集普朗特全集?、?流體力學(xué)概論流體力學(xué)概論?，此外，此外還與還與O.G.蒂瓊合寫蒂瓊合寫?應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)?1931等等 。第第6 6章章 孔口、管嘴孔口、管嘴及有壓管流及有壓管流第第6 6章章 孔口、管嘴及有壓管流孔口、管嘴及有壓管流本章所用知識(shí)點(diǎn)n連續(xù)性方程n能量方程n沿程水頭損失n局部水頭損失重點(diǎn)掌握n孔口、管嘴恒定出流的水力計(jì)算n有壓管路恒定流動(dòng)的水力計(jì)算n離心式水泵的水力計(jì)算6.0 6.0 概述概述Hld6.0 6.0 概述概述w 0dl孔口10Hd 10Hd 小孔口大孔口w 43dl管嘴w 4d

56、l管路10004dl短管1000dl長(zhǎng)管簡(jiǎn)單管路復(fù)雜管路復(fù)雜管路串聯(lián)管路并聯(lián)管路管網(wǎng)枝狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)6.1 6.1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流n工程實(shí)例6.1 6.1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流0fh收縮現(xiàn)象從 1C 建立伯努利方程，有0011ccHdl6.1 6.1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流gvgvHccc220000202gHgHvcc221001c 為孔口流速系數(shù)，對(duì)于小孔口，97. 0gHAgHAvAQcc22AAc 、 分別為孔口收縮系數(shù)和流量系數(shù)，對(duì)于小孔口分別為孔口收縮系數(shù)和流量系數(shù)，對(duì)于小孔口：62. 0,64. 00011ccHdl6.1 6.

57、1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流2.淹沒式孔口出流1HH2Hdl002211從從 12 12 建立伯努利方程，有建立伯努利方程，有g(shù)vgvHHcsec22000022021gHHHgvsec221210（與自由式出流公式完全相同）2101HHHsegHAvAQcc2（與自由式出流公式完全相同）（與自由式出流公式完全相同）6.1 6.1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流3.影響孔口收縮的因素n孔口形狀n孔口位置二、管嘴出流的計(jì)算110c220cHddl)43(0fh在C-C斷面形成收縮，然后再擴(kuò)大，逐步充滿整個(gè)斷面。6.1 6.1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流從 12 建立伯

58、努利方程，有g(shù)vgvHn22000022gHgHvnn221nn1 為管咀流速系數(shù)，n82. 0n110c220cHddl)43(6.1 6.1 孔口、管嘴恒定出流孔口、管嘴恒定出流gHAAvQn2管嘴正常工作條件管嘴正常工作條件w dl43w mH9 為管咀流量系數(shù)，n82. 0nn6.2 6.2 短管水力計(jì)算短管水力計(jì)算短管的定義短管的定義10004dlmfwhhh6.2 6.2 短管水力計(jì)算短管水力計(jì)算三、實(shí)例分析 1.水泵吸水管的水力計(jì)算 計(jì)算內(nèi)容： ，求水泵安裝高度 。sH vhldQ、彎進(jìn)吸6.2 6.2 短管水力計(jì)算短管水力計(jì)算2.虹吸水力計(jì)算虹吸灌溉6.2 6.2 短管水力計(jì)算

59、短管水力計(jì)算真空輸水：世界上世界上最大直徑的虹吸管最大直徑的虹吸管( (右側(cè)直徑右側(cè)直徑15201520毫毫米、左側(cè)米、左側(cè)600600毫米毫米), ),虹吸高度均為八米，虹吸高度均為八米，猶如一條巨龍伴游猶如一條巨龍伴游一條小龍匐臥在浙一條小龍匐臥在浙江杭州蕭山區(qū)黃石江杭州蕭山區(qū)黃石垅水庫(kù)大壩上，尤垅水庫(kù)大壩上，尤為壯觀，已獲吉尼為壯觀，已獲吉尼斯世界紀(jì)錄斯世界紀(jì)錄 。6.2 6.2 短管水力計(jì)算短管水力計(jì)算我國(guó)最大的倒虹吸管6.2 6.2 短管水力計(jì)算短管水力計(jì)算6.3 6.3 長(zhǎng)管水力計(jì)算長(zhǎng)管水力計(jì)算長(zhǎng)管的定義：長(zhǎng)管的定義：一、計(jì)算特點(diǎn)一、計(jì)算特點(diǎn) 1. 1. 2. 2.二、計(jì)算類型與短

60、管相同二、計(jì)算類型與短管相同1000dlfwhh022gv6.3 6.3 長(zhǎng)管水力計(jì)算長(zhǎng)管水力計(jì)算三、簡(jiǎn)單管路d、Q沿程不變的管路，稱為簡(jiǎn)單管路。H001122ld,w 伯努利方程伯努利方程ffhHhH00000全部作用水頭均消耗在沿程水頭損失上。6.3 6.3 長(zhǎng)管水力計(jì)算長(zhǎng)管水力計(jì)算w 連續(xù)性方程連續(xù)性方程24dQvfh222SlQgvdlhf24dQv稱為比阻稱為比阻。dfdgS,8526.3 6.3 長(zhǎng)管水力計(jì)算長(zhǎng)管水力計(jì)算四、串聯(lián)管路6.3 6.3 長(zhǎng)管水力計(jì)算長(zhǎng)管水力計(jì)算w 2SlQhHf（能量關(guān)系）（能量關(guān)系）w iiiqQQ1（流量關(guān)系）（流量關(guān)系）6.3 6.3 長(zhǎng)管水力計(jì)算