《水力学》第三章 流管与流束
水力学课件 第三章_水动力学基础
(2) 恒定渐变流 过水断面上，动水压强近似 地按静水压强分布。
z p C
取过水断面上任意两相邻流线 间的微小液柱。轴向受力分析：
1） 表面力
液柱上、下底面 的动水压力 pdω与(p+dp)dω
液柱侧面
的动水压力及摩擦力趋于零；
液柱底面的 摩擦力，与液柱垂直。
2） 质量力 自重分力：γdωdn cosα 惯性力：恒定渐变流条件下略去不计。
用欧拉法描述液体运动时，液体运动质点的加速度是当地加速 度与迁移加速度之和。
当地加速度: 固定点速度随时间的变化，
第一项：
ux
/ t,u y
/ t,uz
/ t
迁移加速度:等号右边括号内项反映了在同一时刻因地 点变更而形成的加速度。
§3—2 欧拉法的若干基本概念
1． 迹线和流线 迹线则是同一质点在一个时段内运动的轨迹线。
活学活用
பைடு நூலகம்
恒定渐变流中，同一过水断面上的动水压强近似按地静水压强分布 恒定均匀流中，同一过水断面上的动水压强精确地按静水压强分布
对恒定均匀流， z p C
同一过水断面上:
对于断面AB
pA
zA
pB
zB
C1
pA ? pB ?
对于断面CD
pC
zC
pD
zD
C2
pC ? pD ?
pA
zA
pB
zB
pC
zC
C
pA ? pB ? pC ?
§3—3 恒定总流的连续性方程
考虑到： (1)在恒定流条件下，元流的形状与位置不随时间改变； (2)不可能有液体经元流侧面流进或流出； (3)液流为连续介质，元流内部不存在空隙。
水力学第三章液体一元恒定总流基本原理.
六、均匀流和非均匀流，均匀流的特性
按流速的大小和方向是否沿流线变化 把液流分为： 均匀流：流速的大小和方向沿流线不变的流动。 渐变流：流速沿流线变化缓慢的流动。 非均匀流 急变流：流速沿流线变化剧烈的流动。
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1）均匀流
上式为理想液体恒定元流的能量方程，又称伯努利方程。
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解法二:
设在理想液体恒定流中，取一微小流束 依牛顿第二定律：
2 p+dp dA 1 α
Z dZ
F
s
ma s
其中： a s
du dt
p
Z
dG=ρgdAds
V
udA
A
见下例！
A
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A
旋转抛物面
Q udA
A
即为旋转抛物体的体积
V A Q 即为柱体的体积
断面平均流速V
V
udA
A
A
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流线不能相交，不能为折线。
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流线的形状与固体边界的形状有关。
流线分布的疏密程度与管道横断面的面 积大小有关。
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四、流管、微小流束(元流)、总流和过水断面
第3章-给水排水管网水力学基础
n
d (N)m di
kqNn l
d
m N
干管配水情况
3.4.2 沿线均匀出流的简化
给水管网中的配水管沿线向用户供水，如图3.6所示。假设沿线出流是 均匀的，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：
qx
qt
l
l
x
ql
沿程水头损失：
h f
l
k (qt
l
l
x
2y) D
或
y / D (1 cos ) / 2
2
式中，θ的单位为弧度。
过水断面面积、湿周 和水力半径依次为，
A D2 ( sin ) ，
8
D 和
2
R A D ( sin ) 4
设该管道的坡度为I，满管流时的过水断面面积、水力半径、流量和流速分别 为A0、R0、q0和v0，可得
A0 D2 / 4 ， R0 D / 4 ，
3.1.2 恒定流与非恒定流 由于用水量和排水量的经常性变化，给水排水管道中的流量和流速随时间变化，
水流经常处于非恒定流（又称非稳定流）状态。但是，非恒定流的水力计算 比较复杂，在管网工程设计和水力计算时，一般按恒定流（又称稳定流）计 算。 随着计算机技术快速发展与普及，国内外已经开始研究和采用非恒定流计算给水 排水管网，而且得到了更接近实际的结果。
hf
l v2
D 2g
式中 D──管段直径（m）；g──重力加速度（m/s2）； λ──沿程阻力系数， 8g。 C2
常用管材内壁当量粗糙度e（mm）
表3.1
3.2.3 局部水头损失计算
计算公式 ：
局部阻力系数ζ
式中，hm ──局部水头损失，m； ζ──局部阻力系数，见表3.5。
水流运动的基本原理
第三章水流运动的基本原理上一章已阐述了有关水静力学的基本概念、基本理论及其应用。
但在自然界或许多工程实际问题中，液体多处于运动状态。
只有对运动状态的液体进行深入地分析研究才能得出液体运动规律的一般原理。
因此，从本章开始将转入有关水流运动问题的讨论。
实际工程中的水流尽管千差万别，变化万千，但理论和实践都证明，它们必须遵循物质机械运动的普遍规律，如在物理学或理论力学中已学习过的质量守恒定律、动能定理和动量定理等。
本章作为水流运动问题的开端，重点介绍描述液体运动的方法和有关水流运动的基本概念，讨论并建立一元恒定流的连续性方程、能量方程、动量方程和动量矩方程。
至于如何应用这些规律解决具体边界条件特定形式的水流运动，如管流、明渠水流、堰闸水流等将在以后各章中分别讨论。
本章是水力学的理论核心内容，它将为以后各章的学习打下良好的基础。
第一节描述水流运动的两种方法一、描述水流运动的两种方法水流运动时，表征液体运动的各种物理量称为运动要素，常遇到的运动要素有流速、压强、加速度、切应力、液体的密度和容重等。
这些运动要素随着时间和空间位置不断发生变化。
水力学中研究水流运动通常采用两种方法，即迹线法和流线法。
（一）迹线法迹线法又叫拉格朗日（Lagrange）法，就是像物理学中研究固体运动那样，把液体中单个质点作为研究对象，通过对每个水流质点运动轨迹的研究来获得整个液体运动的规律。
运用迹线法研究液体运动实质上与研究一般固体力学方法相同，所以也称为质点系法。
（二）流线法流线法又叫欧拉（Euler）法，就是把充满液体质点的固定空间作为研究对象，不再跟踪每个质点，而是把注意力集中在考察分析水流中的水质点在通过固定空间点时的运动要素的变化情况，来获得整个液体运动的规律。
水流运动时在同一时刻每个质点都占据一个空间点，只要搞清楚每个空间点上运动要素随时间的变化规律，就可以了解整个水流的运动规律了。
由于流线法是以流动的空间作为研究对象，而且通常把液体流动所占据的空间称为流场。
水力学 第三章 流体运动学
4
2、速度(velocity)
x xa , b, c, t ux t t y y a , b, c, t uy t t z z a , b, c, t uz t t
（1）若(a，b，c)为常数，t 为变数，可得某个指定质点在任何 时刻的速度变化情况 。 （2）若 t 为常数，(a，b，c)为变数，可得某一瞬时流体内部各 质点的速度分布。
ux
u y
uy
u y
uz
u y
斯托克斯(Stokes) 表示式
Du u a (u )u Dt t
全加速度， 随体导数， 质点导数， （material derivative) 当地加速度， 时变导数 (Local derivative) 迁移加速度， 位变导数 (Convective derivative)
拉格朗日法的优点：物理意义较易理解 。 拉格朗日法的缺点：函数求解繁难；测量不易做到。
§3-1 描述流体运动的两种方法
6
3-1-2 欧拉法
一、欧拉法（Euler Method）
从分析通过流场中某固定空间点的流体质点的运动着手，设法 描述出每一个空间点上流体质点运动随时间变化的规律。 运动流体占据的空间，称流场(flow field)。通过流场中所有 空间点上流体质点的运动规律研究整个流体运动的状况，又称流场 法。
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例3-1 已知流体质点的运动，由拉格朗日变数表示为: (t ) (t ) x a cos 2 b sin 2 2 a b a b2 (t ) (t ) y b cos 2 a sin 2 2 a b a b2 式中， (t ) 为时间，的某一函数。试求流体质点的迹线。
水力学第三讲
§3-1 流动描述 • 2 迹线与流线 • 流线：某一时刻各点的切线方向与通过这些点的 流体质点的流速方向重合的空间曲线称为流线。
dx(t 0 ) ds dy(t 0 ) 用欧拉法描述， t 确定，由定义 u y u y ( x, y, z, t 0 ) u ，u 是合成流速 ds dz(t 0 ) u z u z ( x, y, z, t 0 ) u ds u x u x ( x, y , z , t 0 ) u
dz
u y dy ( u y )dxdydt y 2
u x dx ( u x )dydzdt x 2
( u z
u z dz )dxdydt z 2
dxdydzdt t
( u x
u x dx )dydzdt x 2
( u z
u z dz )dxdydt z 2
z (
§3-4流体微团运动分析（简介） • 2无旋流与有旋流：基本概念、无旋流满足的条件
有旋流：流体微团绕自身轴旋转，
x 2 y 2 z 2 0
无旋流：流体微团不绕自身轴旋转，
x y z 0
u z u y y z u x u z 无旋流满足的条件 z x u y u x x y
严格讲流体运动都属于三元流动，质点运动都具有一元流性质。
§3-2 描述流体运动的一些基本概念
• 4 均匀流与非均匀流、渐变流与急变流
• 均匀流：运动要素(沿流线)不随空间位置变化的流动； • 非均匀流：运动要素(沿流线)随空间位置变化的流动； • 渐变流：运动要素(沿流线)随空 • 间位置缓慢变化的流动；
13高职高专水力学第三章液体运动的基本原理
学院
教师授课教案
课程名称：水力学20年至20年第二学期第七次课
授课教师：授课日期：20年3 月17日
学院
教师授课教案
课程名称：水力学20年至20年第二学期第八次课
授课教师：授课日期：20年3 月18日
，m ＝ρV Q ＝t V
1111V Q t ρ=，122222m V Q t ρρ==
2、动能、压强势能、位置势能及转化
二、微小流束的能量方程
学院
教师授课教案
课程名称：水力学20年至20年第二学期第九次课
授课教师：授课日期：20年3 月24日
学院
教师授课教案
课程名称：水力学20年至20年第二学期第十次课
授课教师：授课日期：20年3 月25日
学院
教师授课教案
课程名称：水力学20年至20年第二学期第十一次课
授课教师：授课日期：20年3 月31日。
北航水力学第三章—流体运动学
自然界和工程实际中，流体大多数处于流动状态，流体 的流动性是流体在存在状态上与固体的最基本区别。
本章介绍研究流体运动的两种方式；以及相应的运动要素表达；迹线流线 等概念；连续性方程；有旋运动与无旋运动；环量与涡量概念
第三章 流体运动学
第一节 描述流体运动的方法
描述流体运动形态和方式：拉格朗日法和欧拉法
三元流：流动参数是三个空间坐标函数, ux ux (x, y, z,t) uy uy (x, y, z,t) uz uz (x, y, z,t)
实际流动一般都是三元流动。 三元流分析时分析起来十分复杂，一般我们设法将其简化为二元流或一元 流。简化过程中要引进修正系数，修正系数可通过实验方法来确定。
ux uy uz 0 x y z
得
uz (ux uy ) 2(x y)
z
x y
积分得
uz z
dz
2(x
y)dz
得 uz 2(x y)z c 其中，c可为某一常数，也可以是与 z 无关的某一函数 f (x, y)
所以 uz 2(x y)z f (x, y)
(3)
ux 2ln(xy)
uy
3y x
uz 4
(4) ux x2 z2 5 uy y2 z2 3
解： (1)
ux uy uz 2 11 0 x y z
满足
(2)
ux uy uz 2x y 2 y 0
x y z
三维定常流：流动参数是三个空间坐标函数，与时间无关
ux ux (x, y, z) uy uy (x, y, z) uz uz (x, y, z)
水力学-第3章流体运动学 - 发
dx dy ux (x, y, z,t) uy (x, y, z,t)
将两个分速度代入流线微分方程（上式），得到
dx dy ky kx
xdx ydy 0 积分 x2 y2 c
即流线簇是以坐标原点为圆心的同心圆。
流线的基本特性
• 流线的特性 – 流线一般不相交
§3.1 研究流体运动的两种方法
怎样描述整个流体的运动规律呢？
拉格朗日法
欧拉法
§3.1 研究流体运动的两种方法
1.拉格朗日法
拉格朗日法: 从分析流体质点的运动入手，设法描述出每一 流体质点自始至终的运动过程，即它们的位置随时间变化的 规律，综合流场中所有流体质点的运动情况，来获得整个流 体运动的规律。
§3.1 研究流体运动的两种方法 迹线、流线和脉线
• 迹线
– 一个流体质点在一段连续时间内在空间运动的轨迹
线，它给出同一质点在不同时刻的速度方向
• 迹线方程
拉格朗日法
欧拉法
x x(a,b,c,t) y y(a,b,c,t)
z z(a,b,c,t)
a,b,c确定后，消去t 后可得迹线方程
dx uxdt dy uydt dz uzdt
(x, y, z) :
(a, b, c , t ) :
质点起始坐标 任意时刻 质点运动的位置坐标 拉格朗日变数
欧拉法
(x, y, z) : t:
(x, y, z , t ) :
空间固定点（不动） 任意时刻 欧拉变数
§3.1 研究流体运动的两种方法
液体质点通过任意空间坐标时的加流速
a x
du ( x, y, z, t) x dt
第三章恒定流的基本原理
第三章 恒定流的基本原理本章主要介绍液体运动的基本规律,描述运动规律和方法,建立一元流的三大方程,是本章的重点内容.第一节 描述水流的运动方法一、拉格朗日法.运动要素(水力要素)表示液体的运动的各种物理量.运动要素不仅是空间坐标的函数还是时间的函数.),,,(t x y x p p = ),,,(t x y x u u =),,,(t z y x a a =前面已讲述,液体由无数质点构成的连续介质,拉格朗日法就是以质点为研究对象.跟踪质点在一段时间内的运动情况综合起来得到整个运动情况规律,质点法,适线法.该法概念清晰简单易懂,但只适用于质点且每个质点的运动都较为复杂,研究起来非常困难,一般不用.二、欧拉法将流动的空间作为研究对象,描述瞬时的流场中固定的空间点的运动情况,流场法,流线法.即流场中,每一瞬时的各固定空间点上的质点是有ρ,,,a u p 等水力要素,并且水力要素是空间坐标的函数和时间坐标函数,所以流场中可表示为如u),,,(t x y x u u x x =),,,(t z y x u u y y =),,,(t z y x u u z z =若空间点固定,而z y x ,,为常数,t 为变数,可得到固定空间点不同时刻流速的变化情况.若t 为常数,z y x ,,为变数,可得同一时刻的不同流场上流速的分情况.同样 压强 ),,,(t z y x p p = 密度 ),,,(t z y x ρρ=另外,不同时间质点位置是不同的,所以,位置是时间的函数.)(t x x =, )(t y y =, )(t z z = x u 是t 的复合函数.由复合函数求导数的方法,对时间求导得到:t uu t u u t u u t u dt du a zz y y x x x x x ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂== t u u t u u t u u t u dt du a zz y y x y y y y ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂==t u u t u u t u u t u dt du a z z y y x x z z x ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂==由此可见,质点的加速度由二部分组成.一是液体质点通过固定空间点的速度对时间的变化率dt du当地加速度为a .二是同一时刻由于空间位置的不同而引起的加速度,迁移加速度a .第二节 液体运动的基本概念一、迹线与流线1、迹线--------液体质点在运动的过程中不同时刻所占据的位置的连线,即轨迹线.2、流线--------某一瞬时,在流场中绘出的一条空间曲线,在曲线上所有质点 在该时刻的流速矢量都与曲线相切.如下图所示:当0→∆s 时绘出的曲线即为曲线.流线特性：（1）恒定流时,流线地形状和位置不随时间改变而改变.非恒定流时流线是瞬时的概念,意义. （2）恒定流时,迹线和流线是重合的. （3）流线不能相交,不能是折线.无数条流线在流场中构成流线图,图3-4为几种典型流线图.由流线图可知是有哪些特性,参看先提问学生后总结.（1）流线的形状与固体边界形状有关 （2）流线的疏密程度反映了流线的大小. 二、微小流束、总流1、流管-------在流场中任取封闭曲线上各点画出许多流线构成管状结构.2、微小流束------充满流管的一束液流有微小流束上,各点运动要素认为是相等(同),与外界无能量,动量,质量交换即流入与流出是完全一样的.3、总流--------给定的流动边界内,无数微小流束的总和,而实际上流.三.水流的运动要素1>过水断面 与水流流线正交(垂直)的横断面.分为平面,平行,曲面.2>流量 单位时间内通过某一断面的液体体积 .s m 3s L.若在总流中取一微小流束,面积为dA ,流速为u ,则通过的流量为 udA dQ = 总的流量为 ⎰⎰==AQudAdQ Q3>断面平均流速实际水流中,过水断面上各点的流速一般是不同相等的,且流速分布不易确定,为研究方便,引入断面平均流速.⎰==AVAudA Q u 为一点流速A udA A Q V A ⎰== 4>动水压强 液体运动时,液体中任意点上的压强. 动水压强与静水压强有一定区别.理想液体 实际液体静止时,为主生,内摩擦阻力(粘滞力),所以压强大小与作用方位无关.实际液体运动时,由于粘滞力与压应力同时存在,动水压强不再与方位无关,同一点各方向的压强并不相等,一般取,,,z y x 三个方向的平均值.四.一元流,二元流,三元流根据水力要素与空间自变量的关系,水流分为一元流,二元流,三元流.一元流--------水力要素与一个空间自变量有关系.(流程坐标 ).微小流束为一元流.总若用流断面平均水力要素平均值代替时为一元流.二元流--------水力要素与二个空间自变量有关系(流程,水深),平面流动. 三元流--------水力要素与三个空间自变量有关系(流程,水深,河宽).第三节 水流的运动模型一、恒定流与非恒定流.（随时间是否变化）恒定流--------水力要素不随时间发生变化.0=dt dQ 0=dtdU非恒定流---------水力要素随时间的变化而发生变化.0≠dt dQ 0≠dtdU. 二、均匀流与非均匀流1、均匀流--------在恒定流中,当水力要素不随空间坐标发生变化. 均匀流具有以下特点:①流线为相互平行的直线,不定期水断面为平面,形状,尺寸不变. ②各断面上流速分布相同(证明流速的概念)c V =. ③均匀流断面的动水压强分布与静水压强的相同.c pz =+γ同一断面.2、非均流-----水力要素沿空间坐标发生变化的水流,流线不再是相互平行的直线. 根据水力要素沿程变化急缓程度,非均匀流又可分为渐变流和急变流.渐变流 ：流线近似于平行直线,流线的曲率较小,流线间的夹角也很小,其极限情况即为均匀流,所以渐变流与均匀 流有相似的特性,0=+γpz ,孔口处水流c pz ≠≠γ.急变流：流线的曲率较大,流线间的夹角较大,流线不再是近似平行的直线, c pz ≠+γ.第四节 恒定总流的连续性方程水流运动和其它物质运动一样,在运动过程中遵循质量守恒定律,连续性方程实质上是质量守恒在水流运动中的具体表现.例如”为什么C Q =时水流在河槽宽时较慢,窄时快? 用连续性方程来解释. 在总流中取一微小流束来作为研究对象且：①恒定流条件,微小流速的形状和位置不随时间改变. ②液体为不可压缩的连续介质即C =ρ.③没有其它液体质点流入或流出. 则根据质量守恒定律，流出的质量=流入的质量.dt dA u dt dA u 2211ρρ= dt dA u V m 111ρρ==2211dA u dA u = 111dA u Q = 222dA u Q = 221121dA u dA u dQ Q A A Q⎰⎰⎰===由断面平均流速的概念可得出:C A v A v Q 常数===2211 即 1221A A v v =当为管流时21221)(d dv v =. 由此表明 小水慢大v A ,大水急小v A .若有3Q 流进或流出则 231Q Q Q =± 例题: 3-1 3-2 50P .第五节 恒定总流的能量方程前述连续方程反映了水流流速 与过水断面间的关系,但为能解决工程中作用力和能量的问题.下面我们从动力学方面来研究液体运动时能量转化.能量守恒定律,以此来建立能量方程.一、微小流量的能量方程物理学中,任何运动物体都具有机械:动能(221mv )和势能(mgh ).在第二章水静力学中,液体的势能 γpz +、位能z 、压能γp.下面我们用动量定理推导恒定流的微小流束的能量方程.动能定理: 运动物体的增加量=各力对物体所作功的代数和. 动量的增量为:)(2212121222122u u g dv mu mu E v -=-=∆γ v m ρ= gγρ= 在总流中取一微小流束1-1 1dA 1u γ1p 1z2-2 2dA 2u γ2p 2z在dt 时间段由1-2 运动到''21- dt u dS 11= dt u dS 22=''21-为液体始末共有流段,各外力所做的功分别为:1>重力作功1W )(211z z dV W -=γ 2>动水压力作功2W dV W )(212ρρ-=1-1动水压力为 11dAp 距离为1dS2-2动水压力为 22dA p 距离为2dS因为 22112dS pdA dS pdAW -= 所以 dV dS dA dS dA2211= 即 dV W )(212ρρ-= 3>摩擦力作功3W 即'21-w h'321--=w dVh W γ 外力作功之和W '2121321)()(w d V h dV p p z z dV W W W W γγ--++=++=由动能定理:'21212122)(1)()(2wdVh dV p p z z dV u u gdVγγγγ--+-=-'21212122)(1)()(21wh p p z z u u g --+-=-γ所以 '222221112122-+++=++wh g u p z g u p z γγ式中物理学量均为单位能量.z -----单位位能 γp-------单位压能γpz +------单位势能 测压管水头g u 22--------单位动能 E-------总能量 'w h -------单位能量损失 水头损失. 二、恒定总流的能量方程（一）总流能量方程的推导微小流束的能量方程只反映微小流内部或边界上各点的流速和压强的变化,为解决工程[实际问题,需建立总流的能量方程. 总流的机械能是各微小流束机械能之和,所以在做小流束的能量方程两边分别进行积分,并求得重量.⎰⎰⎰⎰⎰-+++=++Q w Q Q Q Q h dQ g u dQ p z g u dQ pz '2222211212)(2)(γγγγγ 分别进行积分:第一类Qpz dQ pz Qγγγγ)()(+=+⎰渐变流断面Cpz =+γ第二类 g v Qgu Q2222αγ=⎰所以dA v dA u AA⎰⎰≠33 udA dQ =α ------动能修正系数或动能分布不均匀系数,α=1.05~11.10 渐变流α=1.0第三类 2121'--=⎰wAw Qh dQ hγγ 代入方程得: '222221112122-+++=++wh g u p z g u p z γγ总能对理想液体0'21=-w h H 1=H 2（二）能量方程的图示--------水头线 zm g m gz=从能量方程中可以看出各项代表的是单位重量液体所具有的重复量,都是长度的单位,所以作几何线段来表示其大小.如图示:溢流坝,输水管道的水头线.1、水力坡度-------重要的水力要素. 用J 表示. 单位长度(流程)上产生的水头损失0≥=L h J w直线dl dh dL dH J w==2、测压管的坡度0)()(2211<≥+-+=或Lp z p z J p γγ（三）能量方程的应用条件及注意事项. 1、应用条件：1> 水流为不可压缩液体的恒定流,c =ρ c Q =.2> 作用在液体上的质量力只有重力.3>建立方程的断面符合渐变流条件,0.1=α Cpz =+γ4>两断面间没有Q 流入或流出.2、注意事项 ：1>基准面的选择,任意选,必顺统一,还要有选择的2>γp是相对可是绝对,必顺一致. 3>代表点的选择4>断面选择应符合渐变流,已知条件较啥的断面, 0.1=α 注意与实际的区别.三、流程中有能量输入或输出的能量方程 实际工程中,会遇到有能量输入或输出的渐变流时.'222221112122-+++=±++wh g u p z H g u p z γγ如抽水机时 '222221112122-+++=+++w m h g u p z H g u p z γγm t m QH N ηγ= 水轮机时 '222221112122-+++=-++wt h g u p z H g u p z γγ t t tQH N γη=第六节 能量方程的应用举例利用能量方程可以分析和解决许多工程中具体的问题.一、毕托管: 广泛应用于测量渠道貌岸然和管道中的水流点流的仪器.利用能量转化(动能转化为势能)原理γγAB p p g u h -==∆22所以h g u ∆=2 h g c u ∆=2 c 为校正系数常取0.98~1.0. 二、文德里流量计 用来测定管道中流量的仪器.1>组成 收缩 喉管 扩散2>原理 能量转化原理 图示为为斜置管道安装测压管.21222222221111-+++=++w h gv p z gv p z αγαγ1-1 与2-2 相距较近21=-w h则有g v g v p z p z 22)()(2112222211ααγγ-=+-+) 0.1=α 2121221)(d d A A v v ==4122222)(22d d g v g v h -=∆ 所以有hg d d v ∆-=2)(114122hk hd d g d V A Q ∆=∆-==4122222)(124π (41222)(124d d g d k -=π一般由厂家给出)h uk Q ∆= u -------流量系数 ,一般取0.95~0.98.搞生产试验或测定精度较高时要进行测定.如果改成水银测压计时, 则 有: h uk Q ∆=6.12 例题66P三、孔口，管嘴出流1>孔口出流 边壁上开口,水由此流出2>管嘴出流 在孔口上连接长度d L )4~3(=的短管,水流由短管流出. 水库放水,船闸充水,放水,均属于此类,一般计算过水能力, 如图示(水流现象)在孔口处发生收缩较孔口面积较小,2d处A 最小. c c -断面叫收缩断面.断面符合c c -符合渐变流的条件. 在孔口处以为基准建立1-1,c c -断面的能量方程.212222-++=+w xc ch gv p gv H αγαρρ 对v 进行修正g v H H 220ρρα+= c c -断面较小故0=γcp 暂不考虑0=w h所以g v H c c 22α=02gH v c = 0.1=c α2gH v c ϕ=ϕ流速系数,反映水头损失情况.所以022gH A hgH A v A Q c c μεϕ===式 中ϕεμ= 流速系数 62.0~58.0=μ 初算60.0=u .管嘴处:加(3~4)d 长的短管. 以0-0为基准,建立1-1,c c -能量方程0=w hg v p gv H c c2222211αγα+=+g v H H 22110α+= 0.11=α)(20γϕcc p H g v -= 所以)(20μγεϕcc c p H hg A v A Q =-==由此可见,在边界条件中,水流相同的情况下,2A A c< 所以 0<γcp0H p H c>-γ即管嘴的泄流能力>孔口的泄水能力.注意事项：①d L )4~3(= ②γcp I 不能太大.)(20γεϕcc c p H hg A v A Q -==第七节 恒定流总流的动量方程连续方程,能量方程在水利工程中得到广泛的应用,但无法确定水流对边界的作用力,需要动量方程来解决.一、动量定理物理学中,动量运动物体的质量m 与速度v 的乘积 .v m 为失量,动量定理就是运动物体在单位时间内动量的变化量等于作用在运动物体上所受外力的合力.动量方程即利用动量定理建立水流运动的方程.二、动量方程1、取脱离体,1-2流段内水体2、建立坐标系xoy3、受力分析111A p P =222A p P =V G γ= R ------待求力微小流束在dt 的时段内,水流1-1至''11- 2-2至''22-11122212u dtdA u u dtdAu K K dK ρρ-=-=-=流出流入 单位时间内动量的变化莫测量等于121222dA u dA u dt dK ρρ-=动量定理得:)(12u u Q dt dKF -==∑ρ总流1111111111111'Q v dt A v v dt dA u u dt K A βρβρρ===⎰-2222222222222'Q v dt A v v dt dA u u dt K A βρβρρ===⎰-A v dAu A22⎰=β 动量修正系数:表示单位时间内通过总过水断面的单位质量液体实际液体动量与单位时间内以相应的断面平均流速通过的动量比值.A v dA u A22>⎰ 所以 渐变流中05.1~02.1=β,为计算方便一般取0.1=β.总流的动量增量)(1122v v Q K ββρ-=∆ 动量方程..物理义意:单位时间内作用于报研究的总流段上的所有外力失量和等于该流段通过下游断面流出动量与通过上游断面流入动量的失量差,(外力和等于流出-流入)投影式)(1122x x xv v Q Fββρ-=∑)(1122y y yv v Q F ββρ-=∑)(1122z z zv v Q Fββρ-=∑∑F 是所有外力,包括1P 2P G R)(112221v v Q R G P P ββρ-=+++ 三、动量方程的适用条件的注意问题1、适用条件 ①水流为恒定流流入流出Q Q = 两个断面.②液体为连续,不可变压缩的液体. ③所选取的断面为渐变流断面. 2、注意问题:建立动量方程式①选取脱离体时,所取断面符合渐变流的条件.0.121==ββ.②建立坐标系时,可以任意选项取,应考虑计算成本方便,,投影失量与坐标轴方向一致为正,反之为负.③受力分析时,脱离体上的外力包括:1.两断面的动水压力,111A P P c = 222A P Pc =. 2.重力 V G γ= 3.所求外力(边界作用于脱离体的外力)'F F =,方向任意. 4.动量变化时等于流出-流入. 5.注意与边线地方程,能量方程联用.四.动量方程应用举例, (例题 《水力学》70P )。
《水力学》课件——第三章 流体运动学
是否是接
均匀流 否
？
渐变流
流线虽不平行，但夹角较小； 流线虽有弯曲，但曲率较小。
急变流
流线间夹角较大； 流线弯曲的曲率较大。
• 渐变流和急变流是工程意义上对流动是否符合均匀流条件的
划分，两者之间没有明显的、确定的界限，需要根据实际情况
来判定
急变流示意图
五. 流动按空间维数的分类
一维流动 二维流动 三维流动
• 根据流线的定
• 在非恒定流情况下，流
义，可以推断：除
线一般会随时间变化。在
非流速为零或无穷
恒定流情况下，流线不随
大处，流线不能相
时间变，流体质点将沿着
交，也不能转折。
流线走，迹线与流线重
合。
• 迹线和流线最基本的差别是：迹线是同一流
体质点在不同时刻的位移曲线，与拉格朗日观
点对应，而流线是同一时刻、不同流体质点速
• 由确定的流体质点组成
的集合称为系统。系统在 运动过程中，其空间位 置、体积、形状都会随时 间变化，但与外界无质量 交换。
• 有流体流过的固定不变
的空间区域称为控制 体，其边界叫控制面。 不同的时间控制体将被 不同的系统所占据。
• 通过流场中某曲面 A 的流速通量
u nd A
A
称为流量，记为 Q ，它的物理意 义是单位时间穿过该曲面的流体 体积，所以也称为体积流量，单 位为 m3/s .
n A
dA
u
• u n d A 称为质量流量，记为Qm，单位为 kg/s . 流量计算
A
公式中，曲面 A 的法线指向应予明确，指向相反，流量将反
s s — 空间曲线坐标
元流是严格的一维流动，空间曲线坐标 s 沿着流线。
水力学 第3章 流体力学基本方程PPT课件
积分得：
p u2 gzppρt精选版 2 cons. t
19
例1：已知：u = x+t，v = -y+t, w = 0。
求t=0时，经过点A（-1，-1）的流线方程。
解：t=0时，u=x, v=-y, w=0；代入流线微分方程， 有：
dx dy x y
ln xln yC 1
xyc
流线过点（-1，-1） ∴ C =1
流线方p程 pt精选为 版 x： y 1
这里：
Vuivjwk
aaxiay jazk
2.欧拉法：
以流场作为研究对象，研究各流场空间点上流体质 点的各运动要素随时间与空间的变化的分布规律。
流场：运动流体所占据的空间。
在欧拉法中，是以速度场来描述流体运动的，流体质点的运
动速度（即速度函数）是定义ppt在精选空版 间点上的，它们是空间点坐
标（x, y, z）的函数：
因为： V // ds
因此,两矢量的分量对应成比例：
ppt精选版
dx dy dz
u vw 15
四.流管、流束、元流、总流：
1.流管：
在流场中任意绘一条非流线的封 闭曲线，在该曲线上的每一点作流 线，这些流线所围成的管状面称为 流管。
由于流管的“管壁”是由流线构成的，因而流体质点的 速度总是与“管壁”相切，不会有流体质点穿过“管壁”流 入或者流出流管。流管内的流体就像是在一个真实的管子里 流动一样：从一端流入，从另一端流出。
二.恒定流与非恒定流：
1.恒定流（定常流动）：
流场中各点处的所有流动参数均不随时间而变化的流动。
特征 u ： v w 0 ， p0 等。
t t t
t
2.非恒定流（非定常流动）：
水力学系统讲义课件第三章水动力学基础
ux t
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
ay
uy t
ux
uy x
uy
uy y
uz
uy z
az
uz t
ux
uz x
uy
uz y
uz
uz z
4
a du du(x, y, z,t) u u dx u dy u dz
z p C
g
中，各项都为长度量纲。
位置势能（位能）： Z 位置水头（水头） ： Z
pA /
pB /
压强势能（压能）： p
测压管高度(压强水头) ： g
zA
O
zB
O
单测位压势管能水：头：z
p
g
35
恒定总流的能量方程
理想液体恒定微小流束能量方程推导
动能定理：某物体在运动过程中动能的改变等于其在同 一时间内所有外力所做的功。
解：ax
ux t
ux
ux x
uy
ux y
4y 6x 4y 6xt 6t 6y 9xt 4t
4y 6x 1 6t2 6t2
将t 2, x 2, y 4代入得，ax 4m / s2 同理可得， ay (6 y 9x) (4 y 6x)9t 2 (6 y 9t)6t 2
Q A
49 60
umax
24
（2）过流断面上，速度等于平均流速的点距管壁的距离。
1/ 7
第三章水流运动的基本原理
• 连续性方程 —— 质
量守恒定律对液体运
动的一个基本约束
Qm
A1
Qm A2
• 几个假定：恒定条件下，
➢ 总流管的形状、位置不随时间变化。 ➢ 液体一般可视为不可压缩的连续介质，其密度为常数 。 ➢ 没有流体穿过总流管侧壁流入或流出，流体只能通过两个 过流断面进出控制体。
第三章 水流运动的基本原理
解决测压管 水头的积分
寻求平均 测压管水头
均匀流或渐变流过水断面 上测压管水头为常数。
Q
(z
p
)dQ
(z
p
)Q
dQ
(z
p
)Q
解决流 速 水头的积分
用断面平均流速 v 代 替实际流速 u，
u2 v2
Q 2g 2g
第三章 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
恒定总流
第一节 描述水流运动的两种方法
s
• 一元简化
➢ 元流是严格的一维流动。
➢ 在实际问题中，常把总流也简化为一维流动，但由于
过水断面上的流动要素一般是不均匀的，所以一维简化的关键 是要在过水断面上给出运动要素的代表值，通常的办法是取平 均值。
第三章 水流运动的基本原理
第二节 恒定总流连续性方程
恒定总流的连续性方程
Q udA vA
A
第三章 水流运动的基本原理
第一节 描述水流运动的两种方法
三、水流运动的类型
（一）恒定流、非恒定流
• 若流场中各空间点上的任何运动要素均不随时
间变化，称流动为恒定流。否则，为非恒定流。
• 恒定流中，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。
水力学第三章液体运动的流束理论.
24
不可压缩液体恒定一元流微小流束的连续性方程为
dQ u1dA1 u2dA2
对总流过水断面积分得
dQ
Q
A1 u1dA1
A2 u2dA2
Q A11 A2 2
上式即为恒定总流的连续性方程。
ds g 2g
将上式沿流程s积分得 z p u 2 C
g 2g
对微小流束上任意两个过水断面有：
30
z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
ｚ：液体中某一点处的几何高度，单位重量液体的位
能；
p
g ： 代表单位重量液体的压能；
u2
2g ： 该质点所具有的动能。 该式表明：在不可压缩理想液体恒定流情况下，微
图3-2
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。 运动要素仅仅是空间坐标的 连续函数，而与时间无关。
8
恒定流时，所有的运动要素对于时间的偏导数应 等于零：
u x t
u y t
u z t
0
p 0 t
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。
三、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。总流可以看作是 由无限多个微小流束所组成。
16
四、过水断面
与微小流束或总流的流线成正交的横断面称为过 水断面。该面积dA或A称为过水面积，单位m2。
注意：过水断面可为平面也
可为曲面。
水力学课件 第3章液体一元恒定总流基本原理
其中dx , dy , dz 是液体质点位置坐标对时间的变化率，应等于质点速度。 dt dt dt
ux
dx dt
,uy
dy dt
,uz
dz dt
故液体质点的加速度为
ax
u x t
ux
u x x
uy
u x y
uz
u x z
ay
u y t
ux
u y x
uy
u y y
uz
u y z
az
21
3.3.5 流量与断面平均流速
1.流量 单位时间内通过某一过水断面的液体量称为流量,用Q表示。而液
体量可用体积或质量来度量，就有体积流量QV，和质量流量Qm。 水力学中采用体积流量，用Q来表示。 流量是衡量过水断面过水能力大小的物理量，单位m3/s,l/s
22
dt时刻通过过水断面dA的液体体积
z p c
g
z： 单位位能、位置水头 p/ρg： 单位压能、压强水头 z+p/ρg：单位总势能、测压管水头
伯努利方程
z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
u2
2g ：
单位动能、流速水头
z p u2 g 2g
：单位机械能、总水头
43
44
3.5.3实际流体恒定元流的能量方程
由于实际流体具有粘性，在流动过程中其内部会产 生摩擦阻力，液体运动时为克服阻力要消耗一定的能量。 液体的机械能将转换为热能而散失，因此总机械能将沿称 减少。对实际液体，根据能量守恒，实际液体恒定元流 的能量方程为：
24
3.3.6 均匀流和非均匀流，均匀流的特性
流速的大小和方向沿流线不变的流动称为均匀流； 否则称为非均匀流。
清华 水力学 讲义 第三章
第三章 流体运动学本章在连续介质假设下，讨论描述流体运动的方法，根据运动要素的特性对流动进行分类。
本章的讨论是纯运动学意义上的，不涉及流动的动力学因素。
连续方程是质量守恒定律对流体运动的一个具体约束，也在本章的讨论范围之中。
§3—1 描述流动的方法一. 拉格朗日法和欧拉法● 拉格朗日法是质点系法，它定义流体质点的位移矢量为：r r a b c t =(,,,)，其中(,,)(,,,)a b c r a b c t =0是拉格朗日变数，即t 0时刻质点的空间位置，用来对连续介质中无穷多个质点进行编号，作为质点标签。
● 欧拉法是流场法，它定义流体质点的速度矢量场为：u u x y z t =(,,,)，其中(,,)x y z 是空间点（场点）。
流体的其它物理特性和运动要素也都用对应于时间与空间域的场的形式描述。
二. 流体质点的加速度、质点导数● 在拉格朗日观点下，流体质点加速度的求法是比较简单的。
求速度和加速度只须将位移矢量直接对时间求一、二阶导数即可，求导时a,b,c 作为参数不变，意即跟定流体质点。
u r t rt a u t u t r t =====d d ,d d ∂∂∂∂∂∂22.● 欧拉法中流体质点加速度的表达必须特别注意，求加速度需要跟定流体质点，于是 x,y,z均随 t 变，而且),,(d ),,d(z y x u u u tz y x =，所以加速度 u u tz u u y u u x u u t u t z z u t y y u t x x u t u t u a z y x)(d d d d d d d d ∇⋅+=+++=+++==∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂. ● 建立 t 时刻和 t+dt 时刻的流场图，假设一流体质点在 t 时刻位于场点 M ，t + dt 时刻它到达场点M ’，在 t+dt 时刻的流场图上再标上与点M 处于同一位置的场点M 1，此时有另一个流体质点占据该场点。