恒定总流的连续性方程
液体运动的流束理论
液体运动的流束理论本章先建立液体运动的基本概念,然后依据流束理论,从质量守恒定律出发建立水流的连续性方程、从能量方程出发建立水流的能量方程，以及从动量定理出发建立水流的动量方程。
1、描述液体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法。
拉格朗日法，以研究个别液体质点的运动为基础，通过对每个液体质点运动规律的研究来获得整个液体运动的规律性，所以这种方法又称为“质点系法”。
欧拉法，以考察不同液体质点通过固定的空间点的运动情况来了解整个流动空间的流动情况，即着眼于研究各种运动要素的分布场，所以这种方法又叫做“流场法”。
2、恒定流与非恒定流恒定流：在流场中，任何空间点上所有的运动要素都不随时间而改变，即“运动要素仅仅是空间坐标的连续函数，而与时间无关”。
非恒定流：流场中任何点上有任何一个运动要素是随时间而变化的。
3、迹线与流线迹线，拉格朗日法研究个别液体质点在不同时刻的运动情况而引出的，是指某一液体质点在运动过程中不同时刻所流经的空间点所连成的线，即液体质点运动时所走过的轨迹线。
流线，欧拉法考察同一时刻液体质点在不同空间位置的运动情况引出的，是指某一瞬时在流场中绘出的一条曲线，在该曲线上所有各点的速度向量都与该曲线相切。
流线具有瞬时性（对于非恒定流来说，其图形会随时间变化），迹线没有瞬时性；流线与迹线都具有族线。
流线的基本特性：1恒定流时，流线的形状和位置不随时间而改变；2恒定流时液体质点运动的流线与迹线相重合；3流线不能相交。
4、流管、微小流束、总流，过水断面、流量与断面平均流速流管：在水流中任意一微分面积dA ，通过该面积的周界上的每一个点均可作一根流线，这样就构成一个封闭的管状曲面，称为流管。
微小流束：充满以流管为边界的一束液流，称为微小流束。
微小流束性质：1微小流束内外液体不会发生交换；2恒定流微小流束的形状和位置不会随时间而改变，非恒定流时将会随时间而改变；3横断面上各点的流速和压强可看作是相等的。
总流：任何一个实际水流都具有一定规模的边界，这种有一定大小尺寸的实际水流称为总流。
连续性方程是什么定律在流体力学中的应用
连续性方程是什么定律在流体力学中的应用
连续性方程是流体力学中的一个重要定律。
它表明物质的流动是连续的，即它是恒定的，不会失去或添加。
连续性方程定义了流体力学中影响流动的主要变量，即流体密度，速度
和压力。
它可以用一个公式来描述：ρ/ t + (ρv/ x ) + (ρvv/ y ) + (ρwz / z ) = 0。
这个方程描述了流体在时间和空间上的变化，即随着时间的推移，物质的流动越来越慢，可以用来研究气体和液体的流动。
可以用来评估各种变量，如流体密度、速度、压力和其
他变量的影响。
在应用连续性方程时，必须考虑在流体的混合阶段，如随着时间的推移，物质中必须有交换力存在，以使其不减少或增加。
在流体力学中，能量方程和动量方程也可以用来研究流体的运动。
当应用连续性方程时，可以考察不同变量对流体动力学的影响，比如不同密度和速度的流
体如何影响液体的压力，以及流体在某一时刻的运动行为等。
这可以帮助科学家们更好地
理解流体的运动。
总的来说，连续性方程是流体力学中重要的定律，可以用来描述和研究气体和液体的流动状态。
它考察的变量如浓度，速度和压力的影响可以帮助科学家们更好地理解流体的运动
特性。
连续性方程则是流体力学中重要的定律，也是在研究流体动力学时必不可少的方程。
流体力学标准化作业答案第三章
流体力学标准化作业（三）——流体动力学本次作业知识点总结1.描述流体运动的两种方法 （1）拉格朗日法；（2）欧拉法。
2.流体流动的加速度、质点导数流场的速度分布与空间坐标(,,)x y z 和时间t 有关，即(,,,)u u x y z t =流体质点的加速度等于速度对时间的变化率，即Du u u dx u dy u dza Dt t x dt y dt z dt ∂∂∂∂==+++∂∂∂∂投影式为x x x x x x y z y y y y y x y zz z z z z x y zu u u u a u u u t x y z u u u u a u u u t x y z u u u u a u u u t x y z ∂∂∂∂⎧=+++⎪∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪=+++⎨∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂=+++⎪∂∂∂∂⎩或 ()du ua u u dt t ∂==+⋅∇∂在欧拉法中质点的加速度du dt 由两部分组成， ut∂∂为固定空间点，由时间变化引起的加速度，称为当地加速度或时变加速度，由流场的不恒定性引起。
()u u⋅∇为同一时刻，由流场的空间位置变化引起的加速度，称为迁移加速度或位变加速度，由流场的不均匀性引起。
欧拉法描述流体运动，质点的物理量不论矢量还是标量，对时间的变化率称为该物理量的质点导数或随体导数。
例如不可压缩流体，密度的随体导数D D u t tρρρ∂=+⋅∇∂（） 3.流体流动的分类（1）恒定流和非恒定流 （2）一维、二维和三维流动 （3）均匀流和非均匀流 4.流体流动的基本概念 （1）流线和迹线流线微分方程x y zdx dy dz u u u ==迹线微分方程x y zdx dy dz dt u u u === （2）流管、流束与总流（3）过流断面、流量及断面平均流速体积流量 3(/)A Q udAm s =⎰ 质量流量 (/)mAQ udAkg s ρ=⎰断面平均流速 AudA Qv AA==⎰（4）渐变流与急变流 5. 连续性方程（1）不可压缩流体连续性微分方程0y x zu u u x y z∂∂∂++=∂∂∂ （2）元流的连续性方程121122dQ dQ u dA u dA =⎧⎨=⎩ （3）总流的连续性方程1122u dA u dA =6. 运动微分方程（1）理想流体的运动微分方程（欧拉运动微分方程）111xx x x x y z yy y y x y z zz z z x y z u u u u p X u u u x t x y zu u u u p Y u u u x t x y z u u u u p Z u u u x t x y z ρρρ∂∂∂∂∂⎫-=+++⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪∂-=+++⎬∂∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂∂-=+++⎪∂∂∂∂∂⎭矢量表示式1()uf p u u tρ∂+∇=+⋅∇∂ （2）粘性流体运动微分方程（N-S 方程）222111x x x x x x y z y y y y y x y z z z z z z x y z u u u u pX u u u u x t x y zu u u u pY u u u u x t x y z u u u u p Z u u u u x t x y z νρνρνρ∂∂∂∂∂⎫-+∇=+++⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂∂⎪∂-+∇=+++⎬∂∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂∂-+∇=+++⎪∂∂∂∂∂⎭矢量表示式 21()uf p u u u tνρ∂+∇+∇=+⋅∇∂ 7.理想流体的伯努利方 （1）理想流体元流的伯努利方程22p u z C g gρ++=（2）理想流体总流的伯努利方程221112221222p v p v z z g g g gααρρ++=++8.实际流体的伯努利方程 （1）实际流体元流的伯努利方程2211221222wp u p u z z h g g g g ρρ++=+++（2）实际流体总流的伯努利方程2211122212w 22p v p v z z h g g g gααρρ++=+++10.恒定总流的动量方程()2211F Q vv ρββ=-∑投影分量形式()()()221122112211xx x y y y z z z F Q v v F Q v v F Q v v ρββρββρββ⎫=-⎪⎪=-⎬⎪=-⎪⎭∑∑∑标准化作业(5)——流体运动学选择题1. 用欧拉法表示流体质点的加速度a 等于( )。
水力学部分章节知识点
绪论1、密度是指单位体积液体所含有的质量 量纲为[M/L3]，单位为kg/m32、容重是指单位体积液体所含有的重量 量纲为[F/L3]，单位为N/m3一般取ρ水=1000 kg/m3，γ水=9800N/m3=9.8kN/m3第一章 水静力学1、静水压强的特性：①静水压强垂直指向受压面②作用于同一点上各方向的 静水压强的大小相等2、3、绝对压强——以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强，用p ′表示（绝对压强恒为正值）相对压强——以当地大气压作为零点计量的压强，用p 表示。
（相对压强可正可负） 4、真空——当液体中某点的绝对压强小于当地大气压强pa ， 即其相对压强为负值时，称为水力意义上的“真空”真空值（或真空压强）——指绝对压强小于大气压强的数值，用pk 来表示 5、压强的单位：1个工程大气压=98kN/㎡ =10m 水柱压=735mm 水银柱压6、压强的测量①测压管②U 形水银测压计③差压计7、静水压强分布图的绘制规则：1.按一定比例，用线段长度代表该点静水压强的大小 2.用箭头表示静水压强的方向,并与作用面垂直 8、平面的静水总压力的计算 ①图解法②解析法9、作用于曲面上的静水总压力（投影） 第二章 液体运动的流束理论1、迹线——某液体质点在运动过程中，不同时刻所流经的空间点所连成的线。
流线——是指某一瞬时，在流场中绘出的一条光滑曲线，其上所有各点的速度向量都与该曲线相切。
/流管——由流线构成的一个封闭的管状曲面 微小流束——充满以流管为边界的一束液流总流——在一定边界内具有一定大小尺寸的实际流动的水流，它是由无数多个微小流束组成2、水流的分类（1）按运动要素是否随时间变化①恒定流——运动要素不随时间变化②非恒定流——运动要素随时间变化（2）按同一流线上各质点的流速矢是否沿流程变化①均匀流——同一流线上流速矢沿流程不发生变化②非均匀流 a 、渐变流b 、急变流 3、均匀流的重要特性（1）过水断面为平面，且过水断面的形状和尺寸沿程不变(2) 同一流线上不同点的流速应相等，从而各过水断面上的流速分布相同，断面平均流速相等(3) 均匀流（包括非均匀的渐变流）过水断面上的动水压强分布规律与静水压强分布规律p z C gρ+=0p p ghρ=+相同，即在同一过水断面上各点的测压管水头为一常数推论：均匀流（包括非均匀的渐变流）过水断面上动水总压力的计算方法与静水总压力的计算方法相同。
流体力学全部总结
（二）图解法
适用范围：规则受压平面上的静水总压力及其作用点的求解 原理：静水总压力大小等于压强分布图的体积，其作用 线通过压强分布图的形心，该作用线与受压面的交点便 是总压力的作用点（压心D）。
液体作用在曲面上的总压力
一、曲面上的总压力 • 水平分力Px
Px dPx hdAz hc Az pc AZ
z1
p1 g
u12 2g
z2
p2 g
u2 2 2g
上式被称为理想流体元流伯诺里方程 ，该式由瑞士物理学家 D.Bernoulli于1738年首先推出，称伯诺里方程 。
应用条件：恒定流 不可压缩流体 质量力仅重力 微小流束（元流）
三、理想流体元流伯诺里方程的物理意义与几何意义
几何意义
p x p y p z pn
X
流体平衡微分方程 （欧拉平衡方程）
1 p x 1 p y 1 p z
Y Z
0 0 0
物理意义：处于平衡状态的流体，单位质量流体所受的表面力分量与质量
力分量彼此相等。压强沿轴向的变化率（ p , p , p ）等于该轴向单位体积上的 x y z 质量力的分量（X, Y, Z）。
u x x
u y y
u z z
0
适用范围：理想流体恒定流的不可压缩流体流动。
二、恒定总流连续性方程
取一段总流，过流断面面积为A1和A2；总流中 任取元流，过流断面面积分别为dA1和dA2，流速为 恒定流时流管形状与位置不随时间改变； u1和u2
考虑到： 不可能有流体经流管侧面流进或流出； 流体是连续介质，元流内部不存在空隙；
第三节 连续性方程
水力学重点
复习总结（标红或划线的需记住）0 绪论一、概念1、水力学：用实验和分析的方法，研究液体机械运动（平衡和运动）规律及其实际应用的一门科学。
2、密度和容重：ρ=V M γ=V Mgγ=ρg 纯净水1个标准大气压下，1atm 4℃时密度最大 ρ水=1000kg /m 3 γ水=9.80kN/m 3ρ水银=13.6×103 kg /m 3（1atm20℃） 1N=1kg m/s 2容重γ的概念一般新教材中多已不引用，但工程中仍采用，本教案中仍采用，3、粘滞性：液体质点抵抗相对运动的性质。
粘滞性是液体内摩擦力存在的表现，是液体运动中能量产生损失的根本原因。
4、理想液体：不考虑粘滞性、压缩性、热涨性、表面张力性质的液体称为理想液体。
τ=ηdydu 或T=ηAdyduη动粘 [ML -1T -1] Pa.s (帕.秒) 1 Pa=1N/m 2 1N=1kg ²m/s 2ν运粘 [L 2T -1] m 2/sν=η/ρ水的经验公式：ν=2000221.00337.0101775.0tt ++公式中ν单位为cm 2/s ，t 为水温℃。
5、连续介质模型：假定液体质点毫无空隙地充满所占空间，描述液体运动物理量（质量、速度、压力等）是时间和空间的连续函数，因而可用连续函数的分析方法来研究，这种假定对解决一般工程实际问题是有足够的精度的。
6、压缩性 一般不考虑热膨胀性 流动性二、 问题1、 牛顿内摩擦定律简单应用；2、 作用于液体上的力：质量力、表面力；3、 水力学研究方法：理论分析、科学试验、数值模拟4、 水力学应用（水利工程）：1）确定水力荷载2）确定水工建筑物过水能力（管、渠、闸、堰 ） 3）分析水流流动形态4）确定水流能量消耗和利用 5）水工建筑物水力设计1 水静力学一、概念1、静水压强：p =AP A ∆∆→∆0lim=dAdP2、等压面：均质连通液体中，压强各点相等的点构成的面称为等压面。
(完整版)第二章液体运动的流束理论
pdA p dpdA dG cos dm a
其中， dm dAds
cos dz
ds
a du du ds du u dt ds dt ds
z p u2 C
2g
28
z p u2 C
2g
或
z1
p1
u12 2g
z2
p2 u22
2g
理想液体恒定元流的能量方程
29
二、实际液体恒定元流的能量方程
恒定流的运动要素仅随空间位置变化，不随时间 变化。 例子：库水位不变时，引水隧洞中的水流。
5
2、非恒定流 流场中空间点的运动要素随时间变化的水流。 非恒定流的运动要素是时间和空间的函数。 实际水流严格上讲均为非恒定流。
6
二、流线、迹线 1、迹线 单个液体质点在空间的运动轨迹。 2、流线 某时刻在流场中绘制的一条光滑曲线。曲线上各 点切线的方向代表了同一时刻处于该点处的液体 质点的运动方向。
1、均匀流
流速的大小、方向沿流动方向（空间）都不变 的流动。
明渠均匀流
管道均匀流
31
均匀流特性 ①所有流线为相互平行的直线。
推论：过水断面为平面。 ②同一流线上各点流速相同。
推论：过水断面平均流速沿程不变。 注：不同流线上流速不一定相同。
7
3、流线的基本特性 对恒定流，流线形状不随时间变化，流线与 迹线重合；对非恒定流，流线只具有瞬时性， 流线与迹线不重合。 同一时刻，流场中的各条流线不相交。 流线为光滑的曲线。
8
流线分布的疏密程度反映流速的大小。流线 密的地方则流速大，流线疏的地方流速小。
1
2
9
溢流坝流线
10
三、 微小流束、总流 1、流管 在流场中，通过一个封闭线的周边上所有流线 围成的一个管状曲面。
第四章 恒定总流基本方程
z1
pg1
1v12
2g
z2
pg2
2v22
2g
hw
P32
教师：朱红钧
2、恒定总流伯努利方程的适用条件
（1）恒定流； （2）不可压缩流体； （3）质量力只有重力； （4）所选取的两过流断面必须是渐变流（或均匀流）断面
但两过流断面间可以是急变流。 （5）总流的流量沿程不变。 （6）两过流断面间除了水头损失以外，总流没有能量的输 入或输出。
流前，先分析元流流动，然后将元流积分就可推
广到总流。
元流 总流
P8 教师：朱红钧
2、控制断面恒选在渐变流上
什么是渐变流呢?
在总流分析法中，其控制断面恒取在渐变流， 或其极限情况（均匀流）。
想一想 为什么控制断面恒选在渐变流上？
为什么不能选在急变流段呢？
P9
教师：朱红钧
非均匀流中如流动变化缓慢，流线的曲率半径很大，接近 平行为渐变流（Gradually Varied Flow），否则为急变流 （Rapidly Varied Flow）。
际
zA
pA
g
uA2 2g
zB
pB
g
0 hw
Δh
H
0
0
应
令
uA
u
及
hw
u2 2g
u AB
式中 称为水头损失因数，由实验确定，图毕4-6托毕管托管的测速原理
用
值大于0且接近于0。
P36
教师：朱红钧
则
u 1
1
2g[(zB
pB
g
)
流体力学3-3连续性方程
dxdydz
M x
同理可得：
( ux ) x ( u y ) y ( uz ) z
dxdydz dxdydz dxdydz
M y M z
质量守恒定律：单位时间内流出与流入六面体的流体质量差之总
和应 等于六面体内因密度变化而减少的质量
M x M y M z [
t
( ux ) x
( u y ) y
( uz ) z
]dxdydz dxdydz
t
流体的连续性微分方程的一般形式：
( u x ) x
( u y ) y
( u z ) z
0
物理意义：作为水力学三大方程之一，体现了运动与空 间的关系 适用范围：理想流体或实际流体；恒定流或非恒定流； 可压缩流体或不可压 缩流体。
第三节 连续性方程
一、连续性微分方程
在流场内取一微元六面体如图，边长为dx,dy,dz，中心点O’流速为 （ ux,uy,uz ） D' z C' 以x轴方向为例： 左表面流速 右表面流速
ux
1 u x 2 x
1 u x 2 x
u x dx x 2
A' M A o
dz o’ uy D dx
uz ux
B'
ux
N C
u x dx x 2
uM Байду номын сангаас x
dx
uN ux
dx
y
dy B
x
∴ 单位时间内x方向流出流进的质量流量差：
( ux ) x
( ux ) 1 ( ux ) M x M 右 M 左 [ u x 1 dx ] dydz [ u x 2 x 2 x dx]dydz
流体力学复习要点(计算公式)
DDy Sx ePgh2gh1h2h1b L y CC DDy xPhc第一章绪论单位质量力：mF f B m密度值：3mkg 1000水，3mkg 13600水银，3mkg 29.1空气牛顿内摩擦定律：剪切力：dydu ，内摩擦力：dydu AT动力粘度：完全气体状态方程：RTP压缩系数：dpd 1dpdV 1V （Nm2）膨胀系数：TTVV Vd d 1d d 1(1/C或1/K)第二章流体静力学+流体平衡微分方程：1;01;01zp zyp Yxp X液体平衡全微分方程：)(zdz ydy xdx dp 液体静力学基本方程：Cgp zgh p p 0或绝对压强、相对压强与真空度：a abs P P P ；va abs P P P P压强单位换算：水银柱水柱mm 73610/9800012m mN at 2/1013251mN atm 注：hgP P；PN at 2m/98000乘以2/98000mN P a平面上的静水总压力：（1）图算法SbP作用点eh y D sin1)()2(32121h h h h L eρ若01h ，则压强为三角形分布，32L ey Dρ注：①图算法适合于矩形平面；②计算静水压力首先绘制压强分布图，α且用相对压强绘制。
（2）解析法Agh Ap Pc c 作用点Ay Iy y C xcCD矩形123bLIxc圆形644d I xc曲面上的静水总压力：x c xc x A gh A p P ；gVP z总压力zx P P P与水平面的夹角xzP P arct an潜体和浮体的总压力：xP 排浮gV F P z 第三章流体动力学基础质点加速度的表达式zuuyu uxu u tu az u u y u u x u ut ua z uu y uu x uu t ua zzz y z xz zy zy y y x yyxzxyxxxxAQ VQ Q Q QQ GA断面平均流速重量流量质量流量体积流量g udA m流体的运动微分方程：tztytxd du zp zd du yp Yd du xp X1;1;1不可压缩流体的连续性微分方程：zu yu xu zy x 恒定元流的连续性方程：dQA A 2211d u d u 恒定总流的连续性方程：QA A 2211无粘性流体元流伯努利方程：g2u gp z g 2u gp z 22222111粘性流体元流伯努利方程：w22222111'h g2u gp z g2u gp z恒定总流的伯努利方程：w2222221111h g2gp z g2gp z 气流伯努利方程：w22212211P 2)()(2P z z g P a有能量输入或输出的伯努力方程w2222221111h g2gp z g2gp z m H 总流的动量方程：1122QF 投影式)()()(112211221122zzzy y y xx xv vQ F v V Q F v vQ F 动能修正系数：11.105.1Av dAu 33，一般，较均匀流动A 动量修正系数：105.102.1Av dAu 22，一般，较均匀流动A水力坡度dldh dldH Jw 测压管水头线坡度dldh dldHJw p第四章流动阻力和水头损失圆管沿程水头损失：gvd l h f222g 8Re64C；紊流层流局部水头损失：gvh j22.15.015.0v v g2v v h 1g2v h 1g2v h 12221j2122222j 2211211j出入；管道出口注：管道入口）（用细管流速（突缩管—其余管用断面平均流速—弯管）（）（，）（，突然扩大管A A A A A A 雷诺数：575Re e 2300de deccRR ccR RR R R ，非圆管，圆管流态判别，流动为临界流为紊流，为层流，c c c Re Re流动Re e 流动Re eR R 谢才公式：RJC V 谢才系数：gC8; 曼宁公式：611R nC均匀流动方程式：lh gRgRJf 0圆管过流断面上剪应力分布：r r 圆管层流：（1）流速分布式)r (r 4g u22J （2）最大流速2maxr4g u J （3）断面平均流速：2u vmax （4）Re64紊流剪应力包括：粘性剪应力和附加剪应力，即21，dyu d x 1，yx 2u u 紊流流速分布一般表达式：CIny k1u*非圆管当量直径：)4Re;2(42Rv vd gvd l h R de e fe 绕流阻力：AU C D D220第五章孔口、管嘴出流和有压管流薄壁小孔口恒定出流：2gHv2gHA Q97.062.0AA c 0H 作用水头，自由出流gv HH 22，若00v ，HH；淹没出流gv g vH H H 2222221121，若21v v ，HH H H 210孔口变水头出流：)(2221H H gA F t，若02H ，放空时间max1222Q V gAH F t圆柱形外管嘴恒定出流：2gHvn；02gHA Qn；82.0nn ；32.1n；75.0H gP v 简单管道：5228,dgaaalQ h Hf比阻，（62/ms ）串联管道：ii ni i i ni ii i ni fil a SQ S Q l a h Hi阻抗,12121并联管道：233322222111321,Q l a Q l a Q l a h h h f f f 注：串联、并联管道有时需结合节点流量方程求解。
恒定流的基本原理
生变化的流动。
3-1 液体运动的一些基本概念
六、渐变流和急变流 渐变流：流线曲率很小、流速沿程变化平缓， 且流线间近乎平行的流动。其特点是： 流线近似为平行线 过水断面近似的平面 压强分布可以采用静水压强分布规律 急变流：流线曲率较大或流线间夹角较大、 流速沿程变化较急剧的流动。
3-2 恒定总流的连续性方程
3-1 液体运动的一些基本概念
一、恒定流与非恒定流 恒定流：在流体中，任何空间点上所 有的运动要素都不随时间而改变。运动 要素仅仅是空间坐标的连续函数，而与 时间无关。 非恒定流：流体中任何点上有任何一 个运动要素是随时间而变化的。
3-1 液体运动的一些基本概念
二、迹线与流线
迹线：某一液体质点在运动过程中，不同 时刻所流经的空间点所连成的线称为迹线， 即液体质点运动时所走过的轨迹线。
3-3 恒定总流能量方程
连续性方程说明了流速与过水断面的 关系，是运动学方程；水流能量方程则 是从动力学的观点讨论水流各运动要素 之间的关系，是能量守恒在水流运动中 的具体表现。
3-3 恒定总流能量方程
微小流束的能量方程 恒定总流能量方程 有分支与汇流的恒定总流能量方程 有能量输入或输出的能量方程
Q A11 A2 2
（2）在不可压缩液体恒定总流中，任意两个 过水断面平均流速的大小与过水断面面积成反比， 断面大的地方流速小，断面小的地方流速大.
Q A11 A2 2
v2 A1 v1 A2
对圆型管道： v2 A1 ( D1 )2 v1 A2 D2
3-2 恒定总流的连续性方程
管
位械
水 头
势 单位 能 位能
能 dA1 Z1
0
hw 12
水头 损失
水力学考试复习题
水力学考试复习题第一章1、水力学是研究液体平衡和运动规律及其工程应用的一门科学。
2、液体的基本特性：易流动性、不能承受拉力、均质液体。
3、液体的粘滞性：在运动状态下，液体具有抵抗剪切变形的能力。
4、液体的粘滞性是液体固有的物理性质之一。
静止的液体，粘滞性不起作用。
只有在运动状态下，液体的粘滞性才能表现出来。
5、动力粘滞系数和运动粘滞系数间的关系6、液体的粘滞系数随温度的升高迅速变小。
7、流体的粘滞性是流体分子间动量交换和内聚力作用的结果。
9、牛顿内摩擦定律：做直线运动的液体，相邻两液层间单位面积上的内摩擦力与流速梯度成正比，与液体的性质有关。
表示为dudy 。
10、液体的压缩性：液体受压后，体积缩小，压力撤出后，体积恢复的性质。
11、连续介质：在水力学中，认为液体的物理性质和运动要素在时间和空间上具有连续性。
12、液体作为连续介质看待，即假设液体是一种充满其所占据空间毫无空隙的连续体。
13、实际液体：可压缩、能膨胀、具有粘滞性、具有表面张力的液体。
理想液体：不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。
其中，有无粘滞性是实际液体和理想液体最主要的差别。
14、作用在液体上的力质量力表面力重力惯性力水压力摩擦力15、单位质量力fFm第二章1、水静力学的任务是研究液体的平衡规律及其工程应用。
2、液体的平衡状态有两种：静止、相对静止。
3、静水压强的特性：方向：垂直指向受压面；大小：同一点上各方向的静水压强的大小相等。
4、平衡液体微分方程：dp(某d某YdyZdz)。
该方程反映的物理意义是：平衡的液体中，空间点的静水压强的变化是单位质量力作用的结果。
5、等压面：液体中，由压强相等的点构成的面。
等压面与质量力正交。
6、只受重力作用的静止液体，等压面为一水平面。
7、重力作用下静水压强基本公式：zp常数或pp0h8、标准大气压patm：在国际单位制中，把101.325kN/m2称为一个标准大气压。
9、当地大气压pa：由于大气压强随海拔高程变化，地球上不同地点的大气压强值不同，此压强称为当地大气压。
恒定总流的三大方程
第二章 水流运动的基本原理
第三节 恒定总流连能量方程
三. 恒定总流的能量方程
恒定元流
( z1
p1
第二章 水流运动的基本原理
第二节 恒定总流连续性方程
• 根据质量守恒定律：在单位时间内通过 A1 流入控制
体的流体质量等于通过 A2 流出控制体的流体质量。
u1 dA1 dt u2 dA2 dt
恒定元流连 续方程
u1 dA1 u2dA2 dQ
第二章 水流运动的基本原理
第二节 恒定总流连续性方程
Q1 Q2 Q3
第二章 水流运动的基本原理
第三节 恒定总流能量方程
动能
• 能量方程 ——能
量转化与守恒原理 对液体运动的一个 基本约束
能 量 损 失
Qm 势A能1
位置势A2能 压强势能
第二章 水流运动的基本原理
第三节 恒定总流连能量方程
一、微小流束的能量方程
z 单位位能
单位总能量
p u2 z
2g
单位压能 p
单位动能 u 2 2g
单位势能
z p
第二章 水流运动的基本原理
第三节 恒定总流连能量方程
一、微小流束的能量方程
z1
p1
u12 2g
z2
p2
u22 2g
hw'
这是水力学中普遍使 用的伯努利方程
第二章 水流运动的基本原理
第三节 恒定总流连能量方程
急变流同一过流断面上的测压管水头不是常数
中，所有物理量的表达式中将不含时间，
它们只是空间位置坐标的函数，时变导数为零。
流体运动的连续性方程
在流场中取微小直角六面体空间为控制体，正交
三个边dx，dy，dz分别平行于x，y，z轴，如图所示。
首先计算dt时间x方向流出和流入控制体的质量差，
即x方向净流出质量为：
M x
(ux
(ux )
x
dx)dydzdt
uxdydzdt
(ux ) dxdydzdt
同理，y、x z方向的净流出质量如下：
x
M
y
少的质量，即
(ux
x
)
(uy
y
)
(uz
z
)
dxdydzdt
(ux ) (uy ) (uz ) 0
t
dxdydzdt （4-17）
t x
y
z
流体运动的连续性方程
1.1 连续性微分方程
式（4-17）即为可压缩流体非恒定流的连续性微分方程，它表 达了任何可实现的流体运动所必须满足的连续性条件。其物理意 义是：流体在单位时间流经单位体积空间时，流出与流进的质量 差与其内部质量变化的代数和为零，即流体质量守恒。
流体运动的连续性方程
1.1 连续性微分方程
对于均匀不可压缩流体，ρ为常数，则
ux uy uz 0 x y z
（4-18）
式（4-18）即为不可压缩流体的连续性微分方程。该式说明：
对于均匀不可压缩流体来说，单位时间流出与流进单位体积空间的
流体体积之差等于零，即流体体积守恒。
上述形式的连续性微分方程是1755年欧拉首先建立的，是质量
1A1 2 A2
1 A2 2 A1
（4-20）
该式表明，在不可压缩流体的恒定流动中，总流沿程通
过各过流断面的体积流量都相等，因而总流过任意两流断
恒定总流的连续性方程
dA2
Q dQ＝ u1dA1 u2 d A2 流量一定时，断面平 恒定总流的连续性方程
Q A1 A2
Q
dQ＝A1v1 A2 v 2
均流速与断面面积成反比。
Q
在过水断面积小的地方流
速大；过水断面面积大的
v1 A2 v2 A1
地方流速小。管道越粗，
流速越小，管道细，流速
dA1
u1dA1 u2 dA2
1
Q dQ＝ u1dA1
Q A1
A2
u dA
2
分别引入两个总流断面的断面平均流速v1、v2
A1
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA2 2
u1 dQ
u1dA1 u2 dA2 Q dQ＝ u1dA1 u2 d A2 2 Q A1 A2
dA1
u2
1 Q dQ＝A1v1 A2 v 2
3 流体动力学理论基础
3.1
描述液体运动的两种方法
3.2 3.3
3.4 3.5
流体运动的基本概念 恒定总流的连续性方程
恒定总流的能量方程 恒定总流的动量方程
液体运动必须遵循：质量守
恒的普遍规律。这个规律的具体
体现就是液体连续方程。
现推导如下:
恒定流中一个控制体：过水断面1
A1
1
过水断面2，以及两个断面之间的边壁与
越大。
v1 v2
v3
如果液体有分叉，或汇流情况，那 么水流的连续方程怎么写？
1
2 v2 2
Q1 v1 v3 Q3
3
1 Q1 v1
2 Q2 2 3 Q3 3
Q2
3
1
对于有分叉的恒定总流，连续性方 程可以表示为：
流体力学考试复习资料
第二讲流体动力学基础【内容提要】流体运动的基本概念：恒定总流的连续性方程，恒定总流的能量方程【重点、难点】恒定总流的连续性方程和能量方程的运用。
【内容讲解】一、流体运动的基本概念(一)流线和迹线流线是在流场中画出的这样一条曲线：同一瞬时，线上各流体质点的速度矢量都与该曲线相切，这条曲线就称为该瞬时的一条流线。
由它确定该瞬时不同流体质点的流速方向。
流线的特征是在同一瞬时的不同流线一般情况下不能相交；流线也不能转折，只能是光滑的曲线。
迹线是某一流体质点在一段时间内运动的轨迹，迹线上各点的切线表示同一质点在不同时刻的速度方向。
(二)元流和总流在流场中任取一微小封闭曲线，通过曲线上的每一点均可作出一根流线，这些流线形成一管状封闭曲面称流管。
由于速度与流线相切，所以穿过流管侧表面的流体流动是不可能的。
这就是说位于流管中的流体有如被刚性的薄壁所限制。
流管中的液(气)流就是元流，元流的极限是一条流线。
总流是无限多元流的总和。
因此，在分析总流前，先分析元流流动，再将元流积分就可推广到总流。
与元流或总流的流线相垂直的截面称过流断面，用符号A表示其断面面积。
在流线平行时，过流断面为平面，流线不平行则过流断面为曲面。
(三)流量和断面平均流速(四)流动分类1．按流动是否随时间变化将流动分为恒定流和非恒定流。
若所有的运动要素(流速、压强等)均不随时间而改变称为恒定流。
反之，则为非恒定流。
恒定流中流线不随时间改变；流线与迹线相重合。
在本节中，我们只讨论恒定流。
2．按流动是否随空间变化将流动分为均匀流和非均匀流。
流线为平行直线的流动称为均匀流。
如等直径长管中的水流，其任一点的流速的大小和方向沿流线不变。
反之，流线不相平行或不是直线的流动称为非均匀流。
即任一点流速的大小或方向沿流线有变化。
在非均匀流中，当流线接近于平行直线，即各流线的曲率很小，而且流线间的夹角也很小的流动称为渐变流。
否则，就称为急变流。
渐变流和急变流没有明确的界限，往往由工程需要的精度来决定。
流体力学讲义 第四章 恒定总流基本方程
第四章恒定总流基本方程本章是流体力学在工程上应用的基础。
它主要利用欧拉法的基本概念，引入了总流分析方法及总流运动的三个基本方程式：连续性方程、能量方程和动量方程，并且阐明了三个基本方程在工程应用上的分析计算方法。
第一节总流分析法一、概念1.流管（stream tube ):在流场中取任一封闭曲线（不是流线），通过该封闭曲线的每一点作流线，这些流线所组成的管状空间称为流管。
判断：棱柱形明渠不存在流管。
错图4-1 流管与元流图4-22.元流（tube flow)流管中的液流称为元流或微小流束（图4-1）。
元流的极限是一条流线（图4-2）。
3.总流（total flow）：把流管取在运动液体的边界上，则边界内整股液流的流束称为总流。
4.过水断面（cross section）：即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的横断面，如图4-3中的1-1，2-2断面。
判断：均匀流过水断面是一平面，渐变流过水断面近似平面。
对5.控制体：即在流场中划定的一个固定的空间区域，该区域完全被流动流体所充满。
6.控制断面：即控制体（流管）有流体流进流出的两个断面，如图4-4中的3-3，4-4断面。
图4-3 过水断面图4-4 总流、控制体与控制断面判断：恒定总流的能量方程可通过元流的能量方程在整个总流上积分而得。
对二、控制断面的选取1.渐变流的性质渐变流过水断面近似为平面，即渐变流是流线接近于平行直线的流动。
均匀流是渐变流的极限。
动压强特性：在渐变流同一过水断面上，各点动压强按静压强的规律（2-11）式分布，如图4-5，即图4-5求证：在恒定渐变流的同一过流断面上各点动水压强按静水压强规律分布，即：。
证明：列出z1方向的N—S方程有：对恒定流，当地加速度为0；对渐变流，迁移加速度近似为0，故根据欧拉加速度的定义：又如图4-6所示：图4-6积分得：即证。
注：上述结论只适用于渐变流或均匀流的同一过水断面上的各点，对不同过水断面，其单位势能往往不同。
恒定总流连续性方程 (2)
恒定总流连续性方程恒定流连续性方程是水动力学的一个基本方程，它是质量守恒原理在水力学中的应用。
从总流中任取一段（图2-5），其进口过水断面1-1面积为A 1，出口过水断面2-2面积为A 2；再从中任取一微小流束，其进口过水断面面积为dA 1，流速为u 1；出口过水断面面积为dA 2，流速为u 2。
考虑到：（1）在恒定流条件下，微小流束的形状与位置不 随时间改变； 图2-5（2）不可能有液体经微小流束侧壁流进或流出； （3）液体一般可视为不可压缩的连续介质，其密度为常数。
根据质量守恒原理，单位时间内流进dA 1的质量等于流出dA 2的质量，即1122u dA u dA ρρ==常数消去ρ，则有dQ dA u dA u ==2211(2-8)式（2-8）即为恒定流微小流束的连续性方程。
总流是无数个微小流束之和，将微小流束的连续性方程在总流过水断面上积分，可得总流的连续性方程：221121dA u dA u dQ A A ⎰⎰⎰==引入断面平均流速后成为Q A v A v ==2211(2-9)式（2-9）即为不可压缩恒定总流的连续性方程。
该式表明，不可压缩液体的恒定总流中，任意两过水断面，其平均流速与过水断面面积成反比。
上述总流的连续性方程是在流量沿程不变的条件下导出的。
若沿程有流量汇入或分出，则总流的连续性方程在形式上需作相应的修正。
如图2-6所示的情况。
图2-6123Q Q Q +=或321Q Q Q += (2-10)[例2-1] 直径d 为100mm 的输水管道中有一变截面管段（图2-7），若测得管内流量Q 为10L/s ，变截面管段最小截面处的断面平均流速v 0=20.3m/s ，求输水管的断面平均流速v 及最小截面处的直径d 0。
图2-7解：1.输水管的断面平均流速 由恒定总流连续性方程Q vA =故 2321.014.341101041⨯⨯⨯==-d Q v π=1.27m/s2. 最小截面处的直径d 0 由恒定总流连续性方程220044d d vv ππ=故 220201.03.2027.1⨯==d v v d =0.000626 所以d 0=0.0250m=25mm。
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3.1
描述液体运动的两种方法
3.2 3.3
3.4 3.5
流体运动的基本概念 恒定总流的连续性方程
恒定总流的能量方程 恒定总流的动量方程
液体运动必须遵循：质量守
恒的普遍规律。这个规律的具体
体现就是液体连续方程。
现推导如下:
恒定流中一个控制体：过水断面1
A1
1
过水断面2，以及两个断面之间的边壁与
dA2
Q dQ＝ u1dA1 u2 d A2 流量一定时，断面平 恒定总流的连续性方程
Q A1 A2
Q
dQ＝A1v1 A2 v 2
均流速与断面面积成反比。
Q
在过水断面积小的地方流
速大；过水断面面积大的
v1 A2 v2 A1
地方流速小。管道越粗，
流速越小，管道细，流速
dA1
u1dA1 u2 dA2
1
Q dQ＝ u1dA1
Q A1
A2
u dA
2
分别引入两个总流断面的断面平均流速v1、v2
A1
1 A2 2
u1 dQ
u1dA1 u2 dA2 Q dQ＝ u1dA1 u2 d A2 2 Q A1 A2
dA1
u2
1 Q dQ＝A1v1 A2 v 2
液体之间的交界面。从过水断面1上取一 微小流束，符号如图。
A2
2
u1 d Q
u2
u1dA1 dt u2 dA2 dt
dA1
u1dA1 u2 dA2
1 恒定微小流束连续方程
2
dA2
将上式沿总流过水断面进行积分
A1
1 A2 2
u1 dQ u2 2 dA2
2
u1dA1 dt u2 dA2 dt
越大。
v1 v2
v3
如果液体有分叉，或汇流情况，那 么水流的连续方程怎么写？
1
2 v2 2
Q1 v1 v3 Q3
3
1 Q1 v1
2 Q2 2 3 Q3 3
Q2
3
1
对于有分叉的恒定总流，连续性方 程可以表示为：
∑Q流入=∑Q流出