流体力学第三章伯努利方程及动量方程
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 u a 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。
流体力学伯努利方程公式
流体力学伯努利方程公式
流体力学伯努利方程是物理学中最基本且重要的方程之一。
它是关于流体运动的一组非线性方程，用于以数学方法描述流体运动，它被用于解决流动问题，如气体动力学、湍流流动和热流动。
伯努利方程由英国数学家兼流体力学家约翰·尼科（John von Neumann）在1946年初提出，它是一个具有三个未知量的非线性方程组，同时反映了运动的流体的动量、动能和动量守恒的特性。
伯努利方程的首要用途是计算几何体内流体的参数，它刻画了由于抗力矢量和动量耦合而引起的湍流运动流场。
伯努利方程指定了一个n维流体中特定目标位置上物体的物理参数，它具有一个参数向量，即，流速，流体密度，力学压力，温度和能量密度。
基本伯努利方程可以写成：
∇·（ρu）=0，
∇·u=0，
∇·P+ρ∂u/∂t=ρS，
其中ρ是流体的密度，u是流速，P是静压力，t是时间，S代表的是外力。
伯努利方程被广泛地应用于可解决多维流动，如水流、风流、温度场、抗静电场和对流传输等。
在主动低频技术中，伯努利方程还用于解决超声成像，超声测量和声学设计方面的应用。
它通常被用于数值分析，以解决流动问题的复杂性，并根据实验数据预测流体的行为。
因此，伯努利方程在现代物理学中扮演着一个重要的角色，它不仅可以帮助人们更好地理解流体的行为，还可以帮助我们更特别的设计有效的模拟和预测流体的行为。
《工程流体力学》第三章 流体运动研究方法及一维定常流基本方程
控制体：1-1-2-2，用I+III表示 在空间上：固定的
t时体系：1-1-2-2，t时刻占据控制体I+III的流体
t+dt时体系：1’-1’-2’-2’ dt时间后： t时体系沿流线运动到III+II
由质量守恒定律： t时体系内质量＝t+dt时体系内质量
定常流：空间中任一点参数随不随时间变化？ 不随
物理意义？
A1, r1, V1 —— 控制面1-1上的横截面积、气流密度、速度
物理意义？
A2, r2, V2 —— 控制面2-2上的横截面积、气流密度、速度
物理意义？
一维定常流连续方程：在一维定常流中，通过同一流管任 意截面上的流体质量流量、重量流量保持不变。
例1：已知平面非定常流中的流速分量为：ux=x+t, uy= -y+t, 求：流线方程和迹线方程。 解：流线微分方程：
其中t为常数 积分后：
最后得：
迹线微分方程：
其中t为变量
结论：非定常流中迹线与流线不同
—— 迹线方程 ——流线方程
例2：已知平面定常流中的流速分量为：ux=x, uy= -y, 求：流线方程和迹线方程。 解：由流线微分方程：
体系动量对时间变化率：
控制体 = t时体系 环境对控制体内流体作用力 = 环境对t时体系内流体作用力
牛顿第二定律： 某瞬时作用在体系上全部外力合力 =该瞬时体系动量对时间的变化率
分量形式：
作用在控制体内流体上的外力： 1)表面力：控制体外流体或固体壁面作用在控制面上力
作用在进口截面上切向力：0 作用在出口截面上切向力：0
流体力学_第三章_伯努利方程及动量方程
23
第三节 恒定总流的伯努利方程
例 用直径d=100mm的水管从水箱引水，水管水面与
管道出口断面中心高差H=4m，水位保持恒定，水头 损失hw=3m水柱，试求水管流量，并作出水头线 解：以0-0为基准面，列1-1、2-2断面的伯努利方程
第三节 恒定总流的伯努利方程
渐变流及其性质
渐变流
(u )u 0
渐变流的过流断面近于平 面，面上各点的速度方向 近于平行。 渐变流过流断面上的动压 强与静压强的分布规律相 同，即：
p z c g
1
第三节 恒定总流的伯努利方程
大小的变化 流速的变化 方向的变化
出现直线惯性力 压强沿流向变化
微小圆柱体的力平衡
p1dA ldA cos p2 dA l cos Z1 Z 2 p1 (Z1 Z 2 ) p2
Z1 p1 Z2 p2
4
第三节 恒定总流的伯努利方程
Z1 p1
Z2
p2
均匀流过流断面上压强 分布服从水静力学规 律
40
2
,
2
第三节 恒定总流的伯努利方程
( a )( z2 z1 ) ( a )( z2 z1 ) ( a )
单位体积气体所受有效浮力
v1 2 gh d1 1 d 2
4
4
2 1
2 1
30
第三节 恒定总流的伯努利方程
Q v1
4
d
2 1
4
d
2 1
2 gh d1 d 1 2
流体力学第三章
ｖｘ ＝（ａ＋１）ｅｔ－１＝ｘ＋ｔ
ｖｙ ＝（ｂ＋１）ｅｔ－１＝ｙ＋ｔ
可进一步求得欧拉变数下的加速度为：
ａｘ ＝ｖｔｘ ＋ｖｘｖｘｘ ＋ｖｙｖｙｘ ＋ｖｚｖｚｘ ＝ｘ＋ｔ＋１
ａｙ ＝ｖｔｙ ＋ｖｘｖｘｙ ＋ｖｙｖｙｙ ＋ｖｚｖｚｙ ＝ｙ＋ｔ＋１
（４）有效断面、流量和平局流速等
流管
流管———在流场中作一条不与流线重合的任意封闭曲线，则通过此曲线上任一点的所有流线将 — 5—
如上图，一条迹线表示一个流体质点在一段时间内描述的路径。 特点：迹线上各点的切线方向表示的是同一流体质点在不同时刻的速度方向。 （２）流线 流线：流线是用来描述流场中各点流动方向的曲线，即矢量场的矢量线。在某一时刻该曲线上任 意处质点的速度矢量与此曲线相切。 注：矢量线———线上任一点的切线方向与该点的矢量方向重合，称为矢量线。
— 3—
２）二元流动：流体的运动参数只有两个坐标的函数。平面流动是二元流动。实际流体由于具有 黏性，故其流动至少是二元的，例如实际流体在圆管内的流动。由于水的黏性影响，靠近管壁的流速 低于中部的流速，即管道中的流速随管道的半径和流动方向的位移而变化，所以是二元流动。
３）三元流动：流体在空间流动一般说都是三元流动，运动参数是空间三坐标的函数。 考点四 流体运动学的基本概念和相关计算 （１）迹线 迹线：流体质点在不同时刻的运动轨迹。
构成一个管状曲面，这个管状曲面称为流管。
流束———充满在流管内部的流体。微小流束：断面无穷小的流束。 总流———管道内流动的流体的集合。 流管特点： ①流管表面不可能有流体穿过；②稳定流动时流管的形状和位置都不随时间变化，就像固体管道 的管壁；非稳定流动时，流管的形状及位置有可能随时间变化；③流管不可能在流场内部中断。 有效断面 有效断面———流束或总流上垂直于流线的断面。（有效断面可能是平面，也可能是曲面）
流体力学第3章(第二版)知识点总结经典例题讲解
dx u u( t ) dt
流体质点加速度：
dy v v(t ) dt
dz w w( t ) dt
d2x d2y d 2z ax 2 ， y 2 ， z 2 a a dt dt dt
x(t ) a t y( t ) b t z(t ) 0
y
迹线方程:
流线的性质
（1）流线彼此不能相交(除了源和汇)
交点
v1 v2
s1
（2）流线是一条光滑的曲线， 不可能出现折点(除了激波问题)
（3）定常流动时流线形状不变， 非定常流动时流线形状发生变化
s2
v1 v 折点 2
s
[例1] 由速度分布求质点轨迹
已知: 求： 解： 已知用欧拉法表示的流场速度分布规律为
(2)
由于在欧拉法中速度只和当地坐标以及时间有关,所以必须消 去初始座标,观察(1)式和(2)式可得:
u( x , y , z , t ) y v ( x , y , z , t ) x w( x, y, z, t ) 0
讨论：本例说明虽然给出的是流体质点在不同时刻经历的空间位置，即 运动轨迹,即可由此求出空间各点速度分布式（欧拉法），即各 空间点上速度分量随时间的变化规律。 此例中空间流场分布与时间无关,属于定常流场.
[例3] 由速度分布求加速度
已知: 已知用欧拉法表示的流场速度分布规律为 求各空间位置上流体质点的加速度 解： 对某时刻 t 位于坐标点上(x, y)的质点
dx xt dt dy v yt dt u
u xt v yt
(a )
求解一阶常微分方程（a）可得
x( t ) ae y( t ) be
流体力学 第三章
（1）有压流动 总流的全部边界受固体边界的约束， 即流体充满流道，如压力水管中的流动。
（2）无压流动 总流边界的一部分受固体边界约束，另 一部分与气体接触，形成自由液面，如明渠中的流动。
图 3-1 流体的出流
一、定常流动和非定常流动
这种运动流体中任一点的流体质点的流动参数(压强和 速度等)均不随时间变化，而只随空间点位置不同而变化的 流动，称为定常流动。
现将阀门A关小，则流入水箱的水量小于从阀门B流出的 水量，水箱中的水位就逐渐下降，于是水箱和管道任一点流 体质点的压强和速度都逐渐减小，水流的形状也逐渐向下弯 曲。
（2）如果流体是定常的，则流出的流体质量必然等于流 入的流体质量。
二、微元流束和总流的连续性方程 在工程上和自然界中，流体流动多数都是在某些周界
所限定的空间内沿某一方向流动，即一维流动的问题。 所谓一维流动是指流动参数仅在一个方向上有显著的
变化，而在其它两个方向上的变化非常微小，可忽略不计。 例如在管道中流动的流体就符合这个条件。在流场中取一 微元流束如图所示。
图 3-6 流场中的微元流束
假定流体的运动是连续、定 常的，则微元流管的形状不随时 间改变。根据流管的特性，流体 质点不能穿过流管表面，因此在 单位时间内通过微元流管的任一 过流断面的流体质量都应相等， 即
ρ1v1dA1=ρ2v2dA2=常数 dA1 、dA2—分别为1、2两个过 图 3-6 流场中的微元流束 流断面的面积，m2；
§ 3-1描述流体运动的两种方法
连续介质模型的引入，使我们可以把流体看作为由无 数个流体质点所组成的连续介质，并且无间隙地充满它所 占据的空间。
流体力学中的三大基本方程
dx
dt
p x
fx
单位质量流体的运动微分方程：
dx
dt
1
p x
fx
16
同理可得y,z方向上的：
dx
dt
x
t
x
x
x
y
x
y
z
x
z
1
p x
fx
dy
dt
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
1
p y
fy
dz
dt
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
1
p z
fz
17
向量形式：
dr
r f
1
gradp
dt
——理想流体欧拉运动微分方程
式中：
2x
z 2
)
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
fy
1
p y
( 2 y
x2
2 y
y 2
2 y )
z 2
19
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
fz
1
p z
( 2z
x 2
2z
y 2
2z )
z 2
1.
含有四个未知量（
，
x
y，完 z整, P的）方程组。
2. 描述了各种量间的依赖关系。
3. 通解、单值条件（几何条件、物理条件、边界条件、初始 条件）→特解。
流体力学例题及思考题-第三章
第三章流体运动学与动力学基础主要内容基本概念欧拉运动微分方程连续性方程——质量守恒*伯努利方程——能量守恒** 重点动量方程——动量守恒** 难点方程的应用第一节研究流体运动的两种方法流体质点：物理点。
是构成连续介质的流体的基本单位，宏观上无穷小（体积非常微小，其几何尺寸可忽略），微观上无穷大（包含许许多多的流体分子，体现了许多流体分子的统计学特性）。
空间点：几何点，表示空间位置。
流体质点是流体的组成部分，在运动时，一个质点在某一瞬时占据一定的空间点（x，y，z）上，具有一定的速度、压力、密度、温度等标志其状态的运动参数。
拉格朗日法以流体质点为研究对象，而欧拉法以空间点为研究对象。
一、拉格朗日法（跟踪法、质点法）Lagrangian method1、定义：以运动着的流体质点为研究对象，跟踪观察个别流体质点在不同时间其位置、流速和压力的变化规律，然后把足够的流体质点综合起来获得整个流场的运动规律。
2、拉格朗日变数：取t=t0时，以每个质点的空间坐标位置为（a，b，c）作为区别该质点的标识，称为拉格朗日变数。
3、方程：设任意时刻t，质点坐标为(x，y，z) ，则：x = x(a,b,c,t)y = y(a,b,c,t) z = z(a,b,c,t) 4、适用情况：流体的振动和波动问题。
5、优点： 可以描述各个质点在不同时间参量变化，研究流体运动轨迹上各流动参量的变化。
缺点：不便于研究整个流场的特性。
二、欧拉法（站岗法、流场法）Eulerian method1、定义：以流场内的空间点为研究对象，研究质点经过空间点时运动参数随时间的变化规律，把足够多的空间点综合起来得出整个流场的运动规律。
2、欧拉变数：空间坐标（x ，y ，z ）称为欧拉变数。
3、方程：因为欧拉法是描写流场内不同位置的质点的流动参量随时间的变化，则流动参量应是空间坐标和时间的函数。
位置： x = x(x,y,z,t)y = y(x,y,z,t) z = z(x,y,z,t)速度： u x =u x （x,y,z,t ）u y =u y （x,y,z,t ） u z =u z （x,y,z,t ）同理： p =p （x,y,z,t ） ，ρ=ρ(x,y,z,t) 说明： x 、y 、z 也是时间t 的函数。
伯努利流体力学方程
伯努利流体力学方程
伯努利流体力学方程是描述理想流体在恒定流动状态下，沿着一根流线流动过程中能量守恒的基本物理定律。
它在流体力学中具有广泛的应用，特别是对于液体和气体流动问题。
伯努利流体力学方程可以写成如下形式：
$$P+\frac{1}{2}\rho v^2+\rho gh=C$$
其中：
- P是流体的静压力，即流体在静止状态下所受的压强；
- ρ是流体的密度；
- v是流体的流速，即在流体中某一点上，每单位时间通过该点的流体体积；
- g是重力加速度；
- h是流体在该点上的高度差，相对于某一基准面；
- C是一个常数，即伯努利常数，它在整个流体的过程中保持不变。
伯努利方程从能量的角度来描述了流体在流动中的变化，它表明流体的总能量保持不变，即流体压力、动能和重力势能之和在任意一点上都保持相等，从而可以用于分析流体在不同处的流态变化。
例如，当流体贯穿缩流器或狭窄部分的管道时，流速会增加，而压力会降低，这是因为伯努利方程中流速的平方项会导致压力降低。
类似地，当流体流经扩张部分的管道时，
流速会降低，而压力会升高，这是由于伯努利方程对能量的绝对守恒要求。
流体力学中三大基本方程
（ d t） d x d y d zd x d y d z d td x d y d z
t
t
单位时间内，微元体质量增量：
dtdxd/dyt dzdxdydz
t
t
（微团密度在单位时间内的变率及微团体积的乘积）
⑶根据连续性条件：
t x （ x ） y （ y） z （ z） 0
ax
dx
dt
x
t
x
x
x
y
x
y
z
x
z
ay
dy
dt
y
t
x
y
x
y
y
y
z
y
z
az
dz
dt
z
t
x
z
x
y
z
y
z
z
z
⑷代入牛顿第二定律求得运动方程：
得x方向上的运动微分方程：
d d txd x d y d z p xd x d y d z fx d x d y d z
单位体积流体的运动微分方程：
dx
dt
同理可得在单位时间内沿y，z方向流出 及 流入控制体的质
量差为
vy
d
x
d
yd和z
vz
dxdydz
y
z
故单位时间内流出及流入微元体流体质量总变化为：
x （ x） y （ y） z（ z） dxdydz
⑵控制体内质量变化：
因控制体是固定的，质量变化是因密度变化引起的，dt时间内：
pxfx
单位质量流体的运动微分方程：
dx
dt
1
p x
fx
同理可得y,z方向上的：
第三章 液压流体力学基础
e2
当Ae A2时h （ 1 ) 1 则 v e 1
2 e
2g cv 2p
2( p1 p2 )
流经小孔的流量：
2 p q ve Ae v2 .cc A0 CcCv A0
2 p Cd A0
薄壁孔(l/d0<=0.5)和短孔(0.5>l/d0<=4)的流量计算式 均用此式，但Cc、Cv的大小不同。 式中流量系数Cd=Cc.Cv， Cc 为截面收缩系数， Cc = Ae / A0 Cv 为速度系数； Cd由经验公式或实验确 定。A0为过流断面面积，小孔前后的压差p=p1-p2
第三章 液压流体力学基础
本章重点掌握： 1、压力及其对固体璧面的作用力； 2、液体动力学的基本概念（通流截面、流量、 流速）；
3、流体动力学的三大方程（连续性方程、伯努 利方程、动量方程）的应用； 4、压力损失的定义及计算；
5、小孔及缝隙的流量计算
§3-1
静止液体的力学特性
一、压力及其特性
液体在单位面积上所受的内法线方向的法 向力称液体的压力。
q 1 A1 2 A2 constant
液体在密封容腔中连续流动时，流过所有断 面的流量都相等； 平均流速与过流断面成反比。
例：
1
d1
4
2
D
4
2
q
1
D
V
d
(D d )
2
2
4
2
d2
4
2
d1 V1 q1
d2 V2 q2
q q
1
2
三、伯努利方程(液体的能量守恒方程）
流体动力学动量方程及伯努利方程一流体力学
R
2
d2
p1
R
1
2
R Q(v3x v2x ) Q(0 v2x )
1000( 25 )( 4 25 / 3600 ) 3600 3.14 0.022 4
180N
3 v3 3 R′
v2
3
3
v3
对平板冲击力 F R 180N
总流伯努利方程
z1
p1
1V12
2g
z2
p2
2V2 2
2g
hl
总流伯努利方程意义与微小流束方程相 同，式中以均速替代实际流速，用系数修正
§5.6 动量方程
讨论运动的流体与固体边界的相互作用力。
质点系动量定理
dM dt
d ( mu)
dt
F
概念：
控制体
控制面
流体系统
一、定常不可压缩流体动量方程
p1
d12
4
0
Q(v2 x
v1x) )
Q2
d 2 2
[1 ( d2 )2 ]
4
d1
R
1000( 25 )2 3600
4 0.02 2
[1
( 0.02 ) 2 0.05
]
2.38
105
0.052 4
338N 喷嘴接头处拉力 F R 338N
取2-2,3-3面及射流表面 为控制面
d1
1
v1
2g
z p — 测压管水头；
单位重量流体 具有的比势能
z p u2 H
2g
H—总水头；
单位重量流体的总机械能，总比能
z1
p1
u12 2g
z2
p2
u22 2g
《流体力学》徐正坦主编课后答案第三章
第三章习题简答3-1 已知流体流动的速度分布为22y x u x -= ，xy u y 2-=，求通过1,1==y x 的一条流线。
解：由流线微分方程yx u dyu dx =得dy u dx u x y =则有 dy y x xydx )(222-=-两边积分可得C y y x yx +-=-3322即0623=+-C y x y将x=1,y=1代入上式，可得C=5，则 流线方程为05623=+-y x y3-3 已知流体的速度分布为⎭⎬⎫==-=-=tx x u ty y u y x 00εωεω（ω>0，0ε>0）试求流线方程，并画流线图。
解：由流线微分方程yx u dyu dx =得dy u dx u x y =则有 tydy txdx 00εε-=两边积分可得C y x +-=22流线方程为C y x =+223-5 以平均速度s m v /5.1=流入直径为D=2cm 的排孔管中的液体，全部经8个直径d=1mm 的排孔流出，假定每孔出流速度依次降低2%，试求第一孔与第八孔的出流速度各为多少？题3-5图解：由题意得：v 2=v 1(1-2%)，v 3=v 1(1-2%)2，…，v 8=v 1(1-2%)7 根据质量守恒定律可得282322212832144444dv d v d v d v D v Q Q Q Q Q πππππ⋅+⋅⋅⋅+⋅+⋅+⋅=⋅+⋅⋅⋅+++=sm d vD v v d v v v v d D v /4.80)98.01(001.002.002.05.1)98.01()98.01(98.01)98.01(4)(448228221812832122=-⨯⨯⨯=--⋅=∴--⋅=+⋅⋅⋅+++⋅=⋅πππ则 v 8=v 1(1-2%)7=80.4×(1-2%)7=69.8m/s3-6 油从铅直圆管向下流出。
管直径cm d 101=，管口处的速度为s m v /4.11=，试求管口处下方H=1.5m 处的速度和油柱直径。
第三章流体力学--流体力学基本方程
§3-1 描述流体运动的方法
a V u V v V w V t x y z
§3-1 描述流体运动的方法
a V u V v V w V t x y z
加速度的投影值：
ax
u t
u
u x
v
u y
w
u z
v v v v ay t u x v y w z
az
w t
u
w x
v
w y
dx dy dz x 2y 5z
dx1d(2y)d(5z) x 2 2y 5z
dx x
1 2
d(2 y) 2y
dx x
d(5 z) 5 z
由上述两式分别积分，并整理得：
§3-1 描述流体运动的方法
x
y c1
①
xc2z5c2 0
即流线为曲面 x y c1 和平面 xc2z5c20的交线。
§3-1 描述流体运动的方法
动
§3-1 描述流体运动的方法
§3-1 描述流体运动的方法
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：
dx dy x y
因此：
d dt
d
dM dt
t
d
A
vndA
对于任一物理量φ（如动量）：
d dt
d
t
d
vndA
A
φ——单位体积的某物理量。
§3-2 连续性方程
d dt
d
t
d
vndA
A
即：系统的任一物理量的总变化率等于控制体内该物理量的 时间变化率和该物理量通过控制体表面的净流出率之和。
大学课程《工程流体力学》PPT课件：第三章
§3.1 研究流体运动的方法
➢ 欧拉法时间导数的一般表达式
d (v ) dt t
d ：称为全导数，或随体导数。
dt
：称为当地导数。
t
v
：称为迁移导数。
例如，密度的导数可表示为： d (v )
dt t
§3.1 研究流体运动的方法
3.1.2 拉格朗日法
拉格朗日法的着眼点：特定的流体质点。
lim t0
(
dV
III
)
t
t
t
CS2 vndA
单位时间内流入控制体的物理量：
z
Ⅲ
Ⅱ’
Ⅰ
y
lim
t 0
(IdV )t t t CS1vndA
x
§3.3 雷诺输运方程
➢ 雷诺输运方程
dN dt
t
CV dV
CSvndA
雷诺输运方程说明，系统物理量 N 的时间变化率，等于控 制体该种物理量的时间变化率加上单位时间内经过控制面 的净通量。
d dt
V
dV
t
CV
dV
CS
vndA
0
因此，连续性方程的一般表达形式为：
t
CV
dV
CS
vndA
0
连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。
对定常流动，连续性方程简化为：
CS vndA 0
§3.4 连续性方程
对一维管流，取有效截面 A1 和 A2，及
v2
管壁 A3 组成的封闭空间为控制体：
ay
dv y dt
v y t
vx
v y x
vy
v y y
vz
v y z
az
液体动力学
液体在管道中流动时的沿程压力损失和液流的流 动状态有关。
一、流态与雷诺数
1、雷诺数实验装置
2、流动状态——层流和紊流
1）层流：液体质点定向而不相混杂的流动状 态，称为层流。
粘性力起主导作用。 2）紊流：如果液体流动时质点具有脉动速度， 引起流层间质点相互错杂交换，这种流动称为 紊流或湍流。 惯性力起主导作用。
注：在液压传动系统中，位能与动能常可以忽 略不计，只考虑压力能。(见例题2-2)。
4、伯努利方程应用举例
列伯努利方程为：
p1
h1g
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1v12
2
p2
h2
g
2v22 2
hwg
式 中 1—1 为 基 准 面 ， 则 h1=0 ； 因 油 箱 液 面 很 大 ， v1≈0；h2=h， p1为大气压力pa。
F (mv) t
任取控制液体12， 进行动量分析：
得液体作稳定流动的动量方程为：
F q2v2 q1v1 q(v2 v1)
该式是一个矢量表达式，应用时应指明方向求其
分量： FX =ρq（β2v2cosθ2 – β1v1cosθ1）
β1、β2为动量修正系数，一般在紊流时β＝1，层流 时β＝1.33。
第四节 液体在管道中的流动
在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失， 即伯努利方程中的pghw,其组成为：
沿程压力损失 局部压力损失
1)沿程压力损失：
油液沿等直径直管流动时因粘性摩擦而引起的压 力损失。
2)局部压力损失：
液体流经管道的弯管、接头、突然变化的截面以 及阀口等处时，液体流速的大小和方向发生变化，
液压流体力学基础动力学.
p p pdA ( p ds)dA dsdA p p
三 伯努利方程 ----能量守恒定律
1理想液体微分运动方程 根据牛顿第二定律
伯努利方程方程也称为能量 方程，它实际是能量守恒定 律在流动液体中的应用
F ma
p z dsdA gdsdA S s u u dsdA (u ) s t
v1
流入 流量 流出 流量
q1 A1v1 q2 A2v1 A1 A2
q2
q1 q2
连续性方程 在液压传动中的应用
速度传递特性
执行元件的运动速 度取决于流入或流 出的流量
液压泵输出流量，必然引起液压缸产生速度v1 液压泵 液压缸 q A1 液压缸 q q1 q2 A1 v1 v1
q v1 A1
2( p1 pa )
v2 2 gh
四 动量方程
刚体力学 动量定理
动量守恒定律在流体 力学中的具体应用
动量方程研究液体运动时动量的变化与所有作用在液体上的 外力之间的关系。
作用在物体上的所有外力的合力等于物体在合 力作用方向上动量的变化率，即
dI d ( mu ) F dt dt
在液压传动中，只研究流体作一维恒定流动时的流量连续性方程 在恒定流场中任取一流管，其两端通流 截面面积分别为A1、A2，在流管仲任取一微 小流束，并设微小流束两端的通流截面积分 别为dA1、dA2 ,液体流经这两截面的速度与 密度分别为u1、u2，ρ1、ρ2 根据质量守恒定律，单位时间内经界面 dA1流进微小流束的液体质量应与经截面dA2 流 出的液体质量相等
例2 侧壁孔口流出速度 条件: p1和p2 ，h为高，以小孔中心线为基准
沿流动方向，取两截面1-1，2-2
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0 p1 v12 0 p2 v22
2g
2g
28
第三节 恒定总流的伯努利方程
p1 p2 v22 v12 h
2g 2g
连续性方程
v1
4
d12
v2
4
d
2 2
v2 v1
d1 d2
Z1
dQ
p1
Z1
dQ
p1
Z1
Q
9
第三节 恒定总流的伯努利方程
同理：
p2 Z2 dQ
p2
Z2
dQ
p2
Z2
dQ
p2
Z2
Q
10
第三节 恒定总流的伯努利方程
二、动能积分 u2 dQ u3 dA u3dA
Q 2g
A 2g
2g A
表单位时间通过断面的流体动 能
v
Q
udA
A
AA
u3dA u3dA
18
第三节 恒定总流的伯努利方程
19
第三节 恒定总流的伯努利方程
20
第三节 恒定总流的伯努利方程
总水头线和测压管水头线
总水头=位置水头+压强水2g
H1 H2 hw 或 H2 H1 hw
v2 H H p 2g
水力坡度: J dH dhw dl dl
p1 (Z1 Z2 ) p2
Z1
p1
Z2
p2
4
第三节 恒定总流的伯努利方程
Z1
p1
Z2
p2
均匀流过流断面上压强 分布服从水静力学规 律
Z p c
5
第三节 恒定总流的伯努利方程
渐变流：非严格均匀流，接近于均匀流 渐变流： 1）流线近似于平行直线。 2）惯性力忽略不计。 3）过流断面近似于平面。 4）过流断面上，压强分布可认为服从流体静力学规律。
p2
g
u22 2g
gdQ
Q
hw gdQ
A1
p1
Z1
u12 2g
dQ
A2
p2
Z2
u22 2g
dQ Q
hw dQ
分三种类型积分
8
第三节 恒定总流的伯努利方程
一、势能积分
p
Z
dQ
p
Z
dQ
表单位时间通过断面的流体势
能
渐变流过流断面上： Z p C
p1 Z1dQ
p1
第三节 恒定总流的伯努利方程
渐变流及其性质
渐变流
(u)u 0
渐变流的过流断面近于平 面，面上各点的速度方向 近于平行。
渐变流过流断面上的动压 强与静压强的分布规律相 同，即：
z p c
g
1
第三节 恒定总流的伯努利方程
流速的变化 流速是向量
大小的变化 方向的变化
出现直线惯性力 压强沿流向变化
出现离心惯性力 压强沿断面变化
渐变流近似于均匀流
6
第三节 恒定总流的伯努利方程
元流的伯努利方程:
z1
p1
g
u12 2g
z2
p2
g
u22 2g
hw
1-1断面 2-2断面
渐变流段面
7
第三节 恒定总流的伯努利方程
两边同乘以ρgdQ= ρgu1dA1= ρgu2dA2 ，积分
Z1 A1
p1
g
u12 2g
gdQ
Z2 A2
总水头线 H
测压管水头线
2
0
20
24
第三节 恒定总流的伯努利方程
例：定性作水头线
总水头线
总水头线 测压管水头线
p
测压管水头线
p
25
第三节 恒定总流的伯努利方程
总水头线 测压管水头线
p
26
第三节 恒定总流的伯努利方程
p 总水头线 测压管水头线
27
第三节 恒定总流的伯努利方程
能量方程式的应用
文丘里流量计
v3dA
v3 A
——动能修正系数
11
第三节 恒定总流的伯努利方程
2g
u13dA
A1
2g
1v13dA
A1
1v12
2g
Q
2g
u23dA
A2
2g
2v23dA
A1 2
2v22
2g
Q
流速分布越不均匀, 之值越大。 流速分布均匀 1 实际工程计算， 常取 1
层流α=2 紊流α=1.05~1.1≈1
水头损失
沿程水头损失：沿管长均匀发生 的均匀流损失
局部水头损失：局部障碍引起的 急变流损失。
适用范围：
管道弯头、接头、闸 阀、水表
1、恒定流； 2、不可压缩流体； 3、质量力只有重力； 3、所取过流断面为渐变流断面； 4、两断面间无分流和汇流。
17
第三节 恒定总流的伯努利方程
断面上的压强 p 和 位置高度 z 必须去取同一点的值！！！
15
第三节 恒定总流的伯努利方程
z1, z2
选定的1、2渐变流断面上任一点相对于 选定基准面的高程。
p1, p2
v1, v2
1,2
hw
相应断面同一选定点的压强，同时用相对压强 或同时用绝对压强。 相应断面的平均流速
相应断面的动能修正系数
1、2两断面间的平均单位水头损失。
16
第三节 恒定总流的伯努利方程
12
第三节 恒定总流的伯努利方程
三、能量损失积分
hw dQ
Q
表单位时间通过断面的流体克服 1-2段阻力做功所损失的能量
hw dQ hw Q
hw
Q
平均单位重量流体的能量损失
13
第三节 恒定总流的伯努利方程
总结：
( z1
p1
1v12 )
2g
Q
(z2
p2
g
2v22
2g
)
Q hw
Q
——总流总能量方程
单位时间流入上游断面的能量，等于单位时间 流出下游断面的能量，加上流段所损失的能 量。
14
第三节 恒定总流的伯努利方程
( z1
p1
1v12
2g
)
Q
(z2
p2
g
2v22
2g
)
Q hw
Q
——总流总能量方程
单位重量流体的能 量方程
z1
p1
1v12
2g
z2
p2
g
2v22
2g
hw
恒定总流能量方程式，恒定总流伯努利方程
例 用直径d=100mm的水管从水箱引水，水管水面与 管道出口断面中心高差H=4m，水位保持恒定，水头 损失hw=3m水柱，试求水管流量，并作出水头线 解：以0-0为基准面，列1-1、2-2断面的伯努利方程
H
0
0
v22 2g
hw
1
1
v2 2gH hw 4.43m / s
Q v2 A2 0.35m3 / s 作水头线
对于总流，流速的变化包括上述两部分
2
第三节 恒定总流的伯努利方程
均匀流中，不存在惯性力，在均 匀流空间，是重力、压力和粘性 力的平衡。
粘性力对垂直于流速方向的过流 断面上的压强变化不起作用。过 流断面上仅仅考虑重力和压力的 平衡。
3
第三节 恒定总流的伯努利方程
微小圆柱体的力平衡
p1dA ldAcos p2dA l cos Z1 Z2
21
第三节 恒定总流的伯努利方程
测压管水头:
v2 H p H 2g
测压管水头坡度:
Jp
dH p dl
测压管水头下降 时Jp为正
22
第三节 恒定总流的伯努利方程
沿程水头损失与局部水头损失画法不同
4根线具有能量 意义： 总水头线 测压管水头线 水流轴线 基准面线
23
第三节 恒定总流的伯努利方程