第4章 水动力学基础
水力学

M ρ= V
流体质量( ) 流体质量(kg) 流体体积( 流体体积(m3)
非均质: 非均质:
牛顿内摩擦定律的内容: 牛顿内摩擦定律的内容: 的内容 流体相对运动时,层间内摩擦力 的大小与接触面积 的大小与接触面积、 流体相对运动时,层间内摩擦力T的大小与接触面积、 速度梯度成正比,与流体种类及温度有关, 速度梯度成正比,与流体种类及温度有关,即:
内摩擦力 动力粘性系数 (与流体性质、 与流体性质、 温度有关) 温度有关)
授课计划
绪论(4学时) 第一章 绪论 水静力学(10学时 学时) 第二章 水静力学 学时 水动力学基础(16学时) 第三章 水动力学基础 第四章 流动型态与水头损失 流动型态与水头损失(10学时) 孔口、管嘴出流和有压管流(14学时) 第五章 孔口、管嘴出流和有压管流 明渠恒定均匀流(6学时) 第六章 明渠恒定均匀流 第七章明渠恒定非均匀流
水力学的研究对象: 包括液体和气体,统称为流体 ① 、流体的概念 流体是一种受任何微小剪切力 剪切力都能 发生连续变形的物质。 流体是一种受任何微小剪切力都能 发生连续变形的物质。 它是气体和液体的通称。 它是气体和液体的通称。 ② 、流体的特点 液体 共同点 气体
不同点
易流动,只受压力, 切力, 易流动,只受压力,不受拉力和 切力, 没有固定形状,受到微小的剪切力就产生 没有固定形状 受到微小的剪切力就产生 变形或流动 有固定的体积,不易压 没有固定的体积, 有固定的体积 不易压 没有固定的体积 表面, 易压缩, 缩,有自由 表面,存 易压缩,没有 在表面张力 自由表面
水力学(水动力学基础)-试卷4

水力学(水动力学基础)-试卷4(总分:68.00,做题时间:90分钟)一、单项选择题(总题数:5,分数:10.00)1.单项选择题下列各题的备选答案中,只有一个是符合题意的。
(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________ 解析:2.在平面流动中,两条流线的流函数之差等于。
( )(分数:2.00)A.两条流线间的切应力差B.两条流线间的压强之差C.两条流线间的流速差D.两条流线间的单宽流量√解析:3.液体作有势运动时______。
( )(分数:2.00)A.作用于液体的力必须是有势的B.液体的角变形速度为零C.液体的旋转角速度为零√D.液体沿流向的压强梯度为零解析:4.伯努力积分的应用条件______。
( )(分数:2.00)A.理想不可压流体,质量力有势,非恒定无旋流动B.不可压缩流体,质量力有势,非恒定有旋流动C.理想不可压流体,质量力有势,恒定流动,沿同一流线√D.理想不可压流体,质量力有势,非恒定流动,沿同一流线解析:5.理想液体恒定有势流动,当质量力仅为重力时________。
( )(分数:2.00)A.√B.C.D.解析:二、填空题(总题数:19,分数:38.00)6.填空题请完成下列各题,在各题的空处填入恰当的答案。
(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________ 解析:7.恒定总流能量方程中,h ω的能量意义是_____。
它的量纲是_______.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________ 正确答案:(正确答案:(单位重量液体所损失的总能量、L)。
《水动力学理论基础》课件

重大突破
回顾水动力学领域的重大发现和 创新成果,以及它们对科学与工 程的影响。
势流理论
探索理想流体的势流理论以及它在实际 中的应用。
湍流和边界层理论
湍流现象
了解湍流的本质和特征,以 及其在实际中的影响。
边界层的形成
探究流体在边界附近的运动 规律,以及边界层的重要性。
边界层控制
思考如何控制边界层,以减 少阻力和实现更高的效率。
纳维-斯托克斯方程
方程表达
深入了解纳维-斯托克斯方程,它 描述了流体运动的基本规律。
水动力学的环境应用
1 水体污染模拟
使用水动力学模型评估和 预测水体污染的传播和影 响。
2 海岸工程
研究海岸侵蚀、海洋能源 利用等问题,保护生态环 境和人类安全。
3 水力发电
探讨利用水动力学原理进 行可持续的水力发电的技 术和方案。
总结与未来发展
研究趋势
展望水动学研究的未来发展方 向和挑战。
潜在应用
流体力学基础
流体的性质
探索流体的特性,包括粘性、密 度和表观黏度等。
流体力学的基本原理
学习流体力学的基本方程和质量 守恒定律。
流体分类
研究不同类型的流体,例如牛顿 流体和非牛顿流体。
流体运动的描述与分析
1
涡度和环流
2
讨论涡度和环流的重要性,以及它们在
流体运动中的角色。
3
流线、路径线和划线
解释流体运动中不同类型曲线的概念和 应用。
数值解法
讨论使用数值方法解决流体流动 问题的相关技术和算法。
工程应用
探索纳维-斯托克斯方程在不同工 程领域中的应用。
水力学水动力学基础PPT课件

设
hl’
为
单
位z1
p1
重量g液
体2u1g2由过z水2 断p面g2
1
-2u1g22运动hl至'
2
-
2
的
机
械
能
损失,
u12hΒιβλιοθήκη '或元流
的
水
头2损g 失
p1
g
,
实
际
液
体
元
流
伯
努
利
方
程
可u为22
2g p
2
g
z1
z2
第21页/共39页
3.5.5 实际液体总流的伯努利方程
总流是元流的集合,不同的元流存在着不同的运 动状
z
p
u2
c
沿元流机械能守恒,故又称能量方程。
g 2g
沿元流各点总水头相等,总水头线水平。
第19页/共39页
毕托管(Pitot tube)与流速水头
1730年法国工程师毕托用一根前端弯成直角的玻 璃管
测 量弯塞管前纳端河迎水向来的流流,水速 。
h
深H,入口前取A点,入口 后取B点,水流进入弯管后 上升至 h 。
流动参数(如流速)是三个空间坐标的函数,流动是 三元的。其他依此类推。
第4页/共39页
(3)流线 为形象地描述流动,特引入流线的概念。 流线(stream line)—流场中的空间曲线,在同
一瞬时 线上各点的速度矢量u1 与之相切。 u2
u3
两流线不能相交或为折线,而是光滑曲线或直线。 某时段内,液体质点经过的轨迹称迹线(path line)。 迹线与流线是完全不同的两个概念。恒定流时,流线 与迹线重合。
地下水动力学(第四章_地下水向完整井的非稳定运动-2-专)

s s t s 1 2 lg t t lg t lg t t lg t lg t lg t lg t t 2 * 2.3Q r Tt 2 4Tt * B e 2.3t t 4T 2s
r B B
2. 拐点法 (1)原理 r 2* Tt ① 拐点的斜率 * 2 s Q 1 4Tt B e 前面,水头下降速度中,给出 t 4T t 则 r Tt
s s lg t Q 1 e t lg t t 4T t
2. 水头下降速度 r 2* Tt * 2 s Q 1 4Tt B e t 4T t 前面推出无越流时的公式:
s Q 1 e t 4T t
r 2* 4Tt
相比,越流含水层水位下降速度比无越流含水层慢。 当t足够大时,
s Q t 4Tt
s 2.3Q e lg t 4T
r 2* Tt * 2 4Tt B
将此二式代入得: 得
s 2.3Q B e lg t p 4T
r
即拐点处的斜率为:
2.3Q ip e 4T
r B
② 拐点处降深
Q r 1 sp K 0 s max 4T B 2
r 0
lim r
s , t Q r 2T
下弱透水层:
2 s2 * s T2 2 2 2 z t s2 r,z, 0 0 s2 r, ,t 0 0 s2 r,m2,t s r,t
第四章 水动力学基础3

ux =
∂ϕ ∂x
uy =
∂ϕ ∂y
uz =
∂ϕ ∂z
平面流动: ϕ存在的条件(无旋条件) 本节内容:不可压缩、理想流体平面势流的基本概念和方法
∂uy ∂x
∂ϕ ∂y
=
∂u x ∂y
ux =
∂ϕ ∂x
uy =
25
26
且当流体为不可压缩流体时 (
∂u x ∂u y + = 0) ∂x ∂y
2、流函数 不可压缩流体平面流动(满足 必存在流函数ψ(x,y),且
y out
(
) = ∑F
in
y
z out
− ∑ (ρQβ v z )in = ∑ Fz
ρ Q (v 2 − v 1 cos θ ) =
ρ Q (0 − v 1
武汉大学水利水电学院 赵 昕
5
∑ F = p A cos θ − p A sin θ ) = ∑ F = p A sin θ − 0 − R ′
第四章 水动力学基础
取t时刻系统所占据空间为控制体CV,有
第六节 恒定总流的动量方程和动量矩方程
一、恒定总流的动量方程
用途: 求总流与边界之间的相互作用力的合力,而不需知道边界 上的压强、切应力分布; 或,已知上述作用力,反求其他流动参数。 方程的推导: 系统S的动量 K S = 动量定理
v v r dK S ∂K CV = + ∑ QK dt ∂t
γb 2 (h1 − h22 ) 2
P2
本题若完全按静压计算,得
R=
P1
解: 取1-1、2-2之间水体为控制体,列x方向动量方程 速度分量 v2x = v2cosβ,v1x = v1= v 受力: 断面及侧面均为大气压(p = 0),无作用力; 凹面板对水流反力R′= R,方向相反; 水平方向无重力作用; 不计摩擦。
水动力学基础分析课件

03
水动力学基本原理
伯努利方程
01
02
03
定义
伯努利方程是描述理想液 体在重力场作稳固流动时, 拥有压力能、位能和动能 之间转变的状况。
公式
给定流体的密度为ρ,速 度为v,高度为h,则伯努 利方程可表示为: Z+p/ρg+v^2/2g=C
意义
表明液体的压力能、位能 和动能之间能够互相转变, 且总和保持不变。
连续性方程
定义
连续性方程是质量守恒定律在水 动力学中的具体表达。
公式
连续性方程的数学表达式为: divergence of velocity = 0
意义
表示液体在运动过程中,单位时间 流入、流出控制体积的质量流量之 差等于体积V中液体质量的变化率。
实验设备
设计和搭建实验设备,模拟流体运动现象。
数据采集
采集实验数据,包括速度、压力、温度等参数。
实验结果分析
对实验数据进行处理和分析,验证理论预测的准确性。
数值水动力学
离散化方法 采用离散化方法将连续的流体运动转化为离散的数值计算。
数值求解 通过数值计算求解离散化的流体运动问题。
计算机模拟 利用计算机模拟技术,再现流体运动的真实情况。
它对于工程设计、施工和运行 等多个环节都至关重要。
水动力学的研究成果可以应用 于多个领域,如水力发电、港 口建设、水污染治理等。
水动力学的发展历程
水动力学的发展可以追溯到古代,但作为一门学科,它的发展主要了完善的理论体系。
20世纪以后,随着计算机技术的发展,数值模拟方法在水动力学中得到了广泛应用。
生物水动力学
生理水动力学
水力学-水动力学

C D (b)
ν ν
小 小
h1
(c)
ν ν
C C
(d) E 1 (a) A 2 B
ν ν
大 大
图1-14 雷诺实验 (a)实验装置;(b)层流;(c)过渡区;(d)紊 流
lghf
D
n=1.75-2.0
C A
层流
B
过渡 区 紊流
45° lgν O lgν lgν lgν c c
力曲线的走线为A B C D,如图1-13所示。 若实验时流速由大变小,则上述现象以相反的程序重演, 但由紊流转变为层流的流速 (下临界流速)要小于层流 ve 变为紊流的流速 (上临界流速),如图1-13所示。沿 程阻力曲线的走线为 v D C A,如图1-13所示。 e 实验进一步表明,同一实验装置的临界流速是不固定的。 随着流动的起始条件和实验条件的不同,外界干扰程度 不同,其上临界流速差异很大,但是,其下临界流速却 基本不变。在实际工程中,扰动是普遍存在的,上临界 流速没有实际意义,一般指的临界流速即下临界流速。 上述实验观察到两种不同的流态,以及流态与管道流速 之间的关系。由雷诺等人的进一步实验表明,流态不仅 和断面平均流速 有关,还和管径d、液体的粘性 和密
二、绕流阻力 流体绕物体的流动,可以有多种方式。它 可以是流体绕静止物体运动,亦可以是物体在静 止的流体中运动,或者两者都在运动。我们在研 究时,都是把坐标固结与物体,将物体看作是静 止的,而探讨流体相对于物体的运动。 实际流体绕经物体,作用在物体上的力, 除了法向压力外,还由于流体粘性引起的切向力, 即摩擦阻力。
Re
vd
当管中雷诺数小于临界雷诺数时,管中流动处于层流 状态,反之则为紊流。 二、动阻力和水头损失的两种损失
水力学课件-水动力学

数值模拟技术的应用
随着计算机技术的不断发展,数值模拟在水力学领域的应 用将更加广泛,有助于更深入地理解流体运动的规律和特 性。
多学科交叉融合
水力学与多个学科密切相关,如物理学、化学、生物学等 ,未来水力学的研究将更加注重多学科交叉融合,以解决 复杂的水力学问题。
THANKS
感谢观看
水动力学的应用领域
水利工程
环境工程
水动力学在水利工程中广泛应用于水电站 设计、水库调度、堤防工程和河流整治等 领域。
水动力学在环境工程中涉及污水处理、水 体修复和环境监测等方面,水动力学在海洋工程中应用于船舶设计、 海洋能源开发、海底资源勘探和海上风电 等领域。
水力发电
水力发电是利用水流所蕴含的势能和动能转化为机械能,进一步转化为电能的过程。
水力发电站通常由水坝、水轮机和发电机组等组成,通过调节水库水位或水轮机转 轮转速来控制发电量。
水力发电具有可再生、清洁、能源稳定等优点,但也存在建设成本高、对生态环境 影响较大等缺点。
水利工程设计
水利工程是指为了控制和调配自 然水以达到防洪、灌溉、供水、
流体静力学的基本原理包括流体平衡 原理、帕斯卡原理和连通器原理等。
流体动力学基本方程
流体动力学基本概念
流体动力学是研究流体运动规律的科学。
流体动力学基本方程
流体动力学的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守 恒方程等。
流体动力学方程的求解方法
流体动力学方程的求解方法有多种,如有限差分法、有限元法和谱 方法等。
水头损失
由于流体流动过程中受到阻力而产生的能 量损失。
流体流动的基本方程
包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等基 本物理定律。
对未来的展望
水动力学_精品文档

水动力学水动力学是研究水流运动及其相互作用的学科。
它涉及了水的运动规律、水力学原理、水的力学特性等方面的研究。
水动力学在许多领域中都有广泛的应用,如水利工程、环境工程、海洋工程等。
水动力学的研究对象主要是液体水在不同情况下的运动规律。
液体水的特点是流动性强,而且受到重力、惯性和表面张力等力的影响。
研究水的运动规律,可以帮助人们更好地理解水流的行为,为水利工程等领域的设计和施工提供科学依据。
在水动力学研究中,有几个基本的概念需要了解。
首先是水流速度,它是指单位时间内液体水通过某一横截面的流量。
水流速度的大小决定了水流的快慢,常用的单位是米/秒。
其次是水位高度,它是指液体水相对于某一基准面的高度。
水位高度与水流速度密切相关,通过测量水位高度的变化可以推算出水流速度的变化。
还有一个重要的概念是水压,它是指液体水由于受到重力的影响所产生的压力。
水压的大小与水位高度和重力加速度有关。
水动力学的研究方法包括实验研究和数值模拟两种。
实验研究是通过建立实验装置来模拟水流的运动过程,然后通过观察和测量来获取相关数据。
实验研究具有直观性和可重复性的优点,可以提供较为真实的物理现象。
但是,实验研究也受到实验条件的限制,且成本较高。
数值模拟是通过建立数学模型,运用计算机算法来模拟水流的运动过程,然后通过计算得到相关数据。
数值模拟具有灵活性和高效性的优点,可以在较短时间内获取大量数据。
但是,数值模拟的准确性受到模型假设和计算参数的影响,需要进行验证和修正。
水动力学在水利工程中有着广泛的应用。
水力发电是水利工程领域的一个重要方向,通过充分利用水流的动能来发电。
水动力学的研究可以帮助人们更好地了解水流的运动规律和能量转化过程,从而优化水力发电装置的设计和运行。
此外,水动力学还可以应用于水库调度、泄洪管理等方面的工作,以确保水资源的合理利用和安全管理。
水动力学在环境工程中也有一定的应用。
例如,在污水处理中,通过水动力学的研究可以确定污水处理设施的流量和水质要求,以实现污水的有效处理和排放。
水动力学基础课件:第四章 实际流体动力学(7)

(4) 求解流量时,一般要结合一维流动的连续性方程求解。伯努利 方程的p1和p2应为同一度量单位,同为绝对压强或者同为相对压强,p1和 p2的问题与静力学中的处理完全相同。
该物体上的所有外力的矢量和。
F
dk
dt
k mu
在此先建立控制体的概念:所谓控制体是空间的一个固定不变的
区域,它的边界面称为控制面。
如图,现以总流的一段管段为例。取断面1和2以及其间管壁 表面所组成的封闭曲面为控制面,内部的空间为控制体。流体 从控制面1流入控制体,从控制面2流出,管壁可看成流管,无 流体进出。
Q
Q
方程式的物理意义:
Z1
p1
g
1V12
2g
Z2
p2
g
2V22
2g
hw
H1 H2 hw E1 E2 hw
实际液体恒定总流的能量方程式表明:水流总是从水头大处流向水头
小处;或水流总是从单位机械能大处流向单位机械能小处。
实际液体总流的总水头线必定是一条 逐渐下降的线,而测压管水头线则可能是 下降的线也可能是上升的线甚至可能是一 条水平线。
B C 0.2m
A
3m
泵
例题示意图
[解] 取A、C两断面写能量方程:
zA
pA
g
2 A
2g
zC
pC
g
C2
2g
hAC
通过A点的水平面为基准面,则 zA 0, zC 3.2m;
pA 2at 1.96 108 Pa, pc 0(在大气中);水的重度g 9800 m3 ,
水力学水动力学基础

其汇总起来,就形成了对整个流场的描述。
欧拉法的运动参数例如:
ux ux x, y, z,t uy uy x, y, z,t
p px, y, z,t
x, y, z,t
uz uz x, y, z,t
式中x,y,z 为流场中的空间坐标,t 为时间。 由于 x,y,z 为液体质点在 t 时刻的运动坐标,故对y
拉格朗日法是固体力学常用的方法,此法中运动轨迹、 速度、加速度之间的关系可表示为:
ux
x t
ax
ux t
2x t 2
uy
y t
ay
uy t
2 y t 2
z uz t
az
uz t
2z t 2
由于液体的运动轨迹比较复杂,此法描述比较困难,因 此故除个别流动(波浪运动)外,一般不采用。
3.1.2 欧拉(Euler)法 欧拉法—以充满液体的空间,即流场为对象,观察不同 时刻流场中各空间点上液体质点的运动参数(流速等),将
100 mile/hr
3.5 伯努利方程 3.5.1 理想液体运动微分方程
z
a
b
pM
a’
b’
O’ dz
pN d’
d dy
z
c c’ dx
y
x y
x
理想液体内取边长分别为dx,dy,dz的微元六面体, 中心点O’(x,y,z)压强p(x,y,z)、流速u(x,y,z)。
Q A udA
除体积流量外,还可有质量流量及重量流量等。
总流过水断面上各点的速度 u 一般是不相等的。 以管流为例,管壁处流速最小(为0),管轴处最大。 为便于计算,设想过水断面上流速均匀分布,即各点 流速相同,通过的流量与实际相同,于是定义v 为该断面 的断面平均流速(mean velocity) ,表示为
水动力学基础

恒定总流的动量方程
在工程实际中,常遇到求流动的水流对固体边界 的作用力问题,此类问题用动量方程求解。
(a)
图 3.8.1
'
RZ
(b)
'
镇墩
动量方程 控制体形式的动量方程的一般形式为
Fcv u dV u u dA cs t cv
u2 u2 dA2 u1 u1 dA 1
总流单位时间内流出 与流入的动量差为
o
u1 1
A1
y
A2
u2 u2 dA2 u1 u1 dA 1
A1
x
引入动量校正系数α0,用v代替u。
0
2 u dA A
v2 A
α0与断面上流速分布有关,约为1.02-1.05,简化取1.0。
p2 p1
2 2
0 Rx
Rz
R
p2 9.8 9.39 92.03(kN / m2 )
4. 外力F应该包括作用在控制体上的所有质量力、 表面力(主要指压力)和固体边界的反作用力。 固体边界的反作用力的方向可以事先假设。解出 为正时说明假设的反作用力方向与实际相符合, 否则实际反作用力方向与假设方向相反。 5. 动量方程的右端项应为流出控制体的动量减去 流入控制体的动量。
6. 当问题中所需要的流速和压强均未知时,需要 与连续方程和能量方程联解。
v2 β 2 Q A 1 2 v 1 2 v 2
Rx u
y o x
β 2
(1)弯曲叶片的作用力
v2 β 2 12 Q A v 1 2 v 2 β 2
Rx u
y o x
图3.8.4 设叶片对控制体的作用力为 Rx,x方向的动量方程为
第四章 水动力学基础(完整版)

水轮机的 作用水头 水轮机效 水轮机的 率 H1 H t H 2 hw12 出力
ห้องสมุดไป่ตู้
gQH P P N P
P N P HP gQ
Nt t gQH t
Z2 Z1
0
0
表明:在不可压缩理想液体恒定流情况下,微小流束内不同过水断
面上,单位重量液体所具有的机械能保持相等(守恒)。
第四章
水动力学基础
4.1.3 毕托管测流速原理
其原理如下:
2 uA A点处水流的总能量为 h1 2g
根据伯诺里方程可得:
2 uA h2 g h1g 2
求得:
u A 2 g (h2 h1 ) 2 gh
2
2
1
1
2
2
(Z
Q
p ) gudA g
均匀流或渐变 流过水断面上
p ( Zg ) C
(Z
p p ) g dA ( Z ) gQ g g A
3 u dA A
2 g gudA
A
2
u gdA 2g
3 A
v3 A
v 2
2g
gQ
动能修正系数,1.05~1.1
第四章
水动力学基础
授课内容:
4.1 理想液体元流的能量方程 4.2 实际液体元流的能量方程 4.3 实际液体总流的能量方程 4.4 恒定总流动量方程
4.5 理想液体运动微分方程及其积分
4.6 实际液体的微分方程
4.7 恒定平面势流
4.1 理想液体元流的能量方程
4.1.1 理想液体元流的能量方程 取过水断面1–1及2–2为控 制面液体从断面1–1流向断面 2–2。 两端面之间没有汇流或分流
水动力学基础课件

p
α z z dz
(z
p g
)2
C2
O
3-2 研究液体运动的若干基本概念
5 均匀流、非均匀流
证明: 如图,取微分柱体
下端动水压力为
pdA
2 上端动水压力为
(pdp)dA
内摩擦力及侧面动水压力投影为零
柱体自重沿n方向的投影为
dG ca o sgdc Aa o d sg ndA
n方向无加速度故有
3-2 研究液体运动的若干基本概念
8 有压流、无压流:
根据运动2液体是否有自由液面来区分的。有自由液面称无压流,
否则称有压流。 层流、紊流;急流、缓流、临界流等后面介绍。
3-3 恒定总流的连续性方程
1 恒定元流的连续性方程
液流的连续性方程是质量守恒定律的一种特殊方式。取恒定流中微小流束, 因液体 为
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).过水断面上的动水压
强分布规律与静水压强分布规律相同,即在同一过水断面上各点测
压管水头为一常数。
z p c
g
3-2 研究液体运动的若干基本概念
5 均匀流、非均匀流
2
p (z g )1 C1
O
p+dp dA
Q A ud A A v d vA A A v A
v Q A
3-2 研究液体运动的若干基本概念
5 均匀流、非均匀流
均匀流: 当水流的流线为相互平行的直线时,该水流称为均匀流。
均匀流与恒定流是二个不同的概念。恒定流时,当地加速度为零,
均匀流时,2迁移加速度为零。
均匀流特性: 1).过水断面为平面,且过水断面的形状和尺寸沿程
(完整版)3-水动力学基础解析

• 2、水箱有来水补充,即水位恒定的情况下:
• (1)A→A’既不存在时变加速度也不存在位变加速度(恒
定流)。
• (2)B→B’不存在时变加速度,但存在位变加速度。
2.2 恒定流与非恒定流
水位不变
图2-2
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。
则加速度为:
ax
ux t
ux
ux x
uy
ux y
uz
ux z
ay
u y t
ux
u y x
uy
u y y
uz
u y z
az
uz t
ux
u y x
uy
uz y
uz
uz z
• 欧拉加速度由两部分组成:
• (1)时变加速度(当地加速度)——流动过程中流体由 于速度随时间变化而引起的加速度,它是由流场的不恒定 性引起的;
2.4 流管、微小流束、总流,过水断面、流量与断面平 均流速
一、流管 在水流中任意一微分面积dA(如图),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。
二、微小流束 充满以流管为边界的一束液流,称为微小流束。
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 时将随时间改变; 3)横断面上各点的流速和压强可看作是相等的。 三、总流
动要素的分布场,所以这种方法又叫做流场法。则流速可表
示为
ux uy
ux uy
水动力学基础 PPT课件

渐变流 ( 又称缓变流 ) :指各流线接近于平行直线的流动,即 渐变流各流线之间的夹角很小,流线的曲率半径 R 很大。 否则称为 急变流。 渐变流的极限情况是流线为平行直线的均匀流.
渐变流过水断面具有的两个性质:
(1) 渐变流过水断面近似为平面; (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。
当地加速度: 固定点速度随时间的变化, 第一项: u / t , u / t , u / t x z y 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。 流线 是某一时刻在流场中画出的一条空间曲线,在该时刻, 曲线上所有质点的流速矢量与这条曲线相切,流线是同一时刻 与许多质点的流速矢量相切的空间曲线。 一条某时刻的流线表明了该时刻这条曲线上各点的流速方向。
运动要素仅随一个坐标(包 括曲线坐标)变化的液流称为一元 流。由于三元流动的复杂性,常 简化为二元流(运动要素是两个坐 标的函数)或一元流来处理。
为了摆脱 粘性 在分析实际液体运动时 在数学上的某些困难,我们先以忽略粘性 的 理想液体 为研究对象,然后在此基础 上进一步研究实际液体(修正)。
§3—1 描述液体运动的两种方法
均匀流中各流线是彼此平行的直线,各过水断面上的流 速分布沿流程不变,过水断面为平面。
例: 液体在 等截面 直管 中的流动,或液体在断面形式 与大小沿程不变的长直顺坡渠道中的流动,都是均匀流。
在恒定流时,当地加速度等于零;
在均匀流时,则是迁移加速度等于零。
5,渐变流与急变流
非均匀流中,流线多为彼此不平行的曲线,按流线图形沿流程 变化的缓急程度,又可将非均匀流分为渐变流和急变流两类。
《水动力学基础》课件

流体动力学方程
连续性方程
解释连续性方程的意义和应 用,如质量守恒定律。
动量守恒方程
揭示动量守恒方程的重要性, 以及它在流体流动研究中的 应用。
能量守恒方程
介绍能量守恒方程的基本原 理,以及在流体热力学和能 源转换中的应用。
流体静力学
1 压力分布
讲解黏性和粘度的概念,以及 在工程和自然现象中的影响。
边界层
探索边界层的特性和作用,以 及它在流体力学中的重要性。
应用领域
1
水力发电
介绍水力发电的原理和技术,以及它在可再生能源中的重要性。
2
航海
探讨流体力学在航海中的应用,如船舶稳性和水动力设计。
3
城市排水系统
解释城市排水系统的原理和设计,以及流体力学在此领域的应用案例。
《水动力学基础》PPT课 件
水动力学基础的介绍提供了关于流体力学的基本知识。涉及流体的静态和动 态性质,以及它们在应用领域中的重要性。
液体静压力
1 作用原理
讲解液体静压力的作用原理和公式,以及在不同场景中的应用。
2 实验演示
通过实验演示液体静压力的原理,使观众更直观地理解它在实际中的应用。
3 应用案例
总结和关键要点
主要概念
总结课程中涉及的主要概 念和重要原理,以加深观 众对水动力学基础的理解。
实际应用
强调水动力学基础在各个 工程和科学领域中的实际 应用,并鼓励观众继续深 入研究。
下一步
提供一些学习水动力学进 一步的资源和参考资料, 以激发观涉及到应变、杨氏模量等重要概念。
2 巴什卡拉定理
详解巴什卡拉定理的背景和应用,以及对流体静力学的贡献。
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Q = ∫A udA = vA
A v
或
Q v= A
u
4.3 连续性方程(continuity equation) 流场中取一段总流,两端过水断面面积分别为A1和 A2。 总流中任取一元流,两端过水断面面积分别为 dA1 和 A A2 dA2,流速分别为 u1 和 u2 。1 考虑到: u1 u2 (1)恒定流时,元流 dA1 dA2 形状不变; (2)连续介质,元流内部无间隙; (3)流线性质,流管侧壁无液体流入流出。 根据质量守恒定律,单位时间内从dA1流入液体的质量 等于从dA2 流出液体的质量,即
积分
u2 − gz − − = const ρ 2g p p u2 z+ + = const ρg 2 g
或
2 p2 u 2 p1 u12 z1 + + = z2 + + ρg 2 g ρg 2 g
该式由瑞士物理学家伯努利于1738年推出,称伯努利方程。
伯努利 Daniel Bernoulli
1700年生于荷兰的格罗宁根,5 岁同家人回迁瑞士的巴塞尔。 782 年,逝世于瑞士的巴塞尔,享年82 岁。曾在巴塞尔等多所大学学习。 1716年获艺术硕士学位;1721年 又获医学博士学位。25岁为圣彼得 堡科学院的数学院士。8年后回到瑞 士的巴塞尔,先后任解剖学、植物学 教授和物理学教授。 1738年出版了《流体动力学》一书,给出了流体动力学的 基本方程,后人称之为“伯努利方程” 。他还提出把气压看成气 体分子对容器壁表面撞击而生的效应。1728年起,他和欧拉还 共同研究柔韧而有弹性的链和梁的力学问题,还研究了弦和空气 柱的振动。伯努利的贡献还涉及到医学、力学、数学等各个方 面。
化简后得:
1 ∂p du x X− = ρ ∂x dt
1 ∂p du y = Y− ρ ∂y dt 1 ∂p duz = Z− ρ ∂z dt
同理得:
上式即液体运动微分方程,由欧拉(Euler)于1755导出, 又称欧拉运动微分方程。
4.5 理想液体运动微分方程的伯努利积分 将欧拉运动微分方程各式分别乘以流线上 微元线段的投影 dx、dy 和 dz,然后相加
du x ∂u x ∂u x dx ∂u x dy ∂u x dz ax = = + + + dt ∂t ∂x dt ∂y dt ∂z dt
∂u x ∂u x ∂u x ∂u x ∂u x = + ux + uy + uz = + u • ∇u x ∂t ∂x ∂y ∂z ∂t
同理
∂u x ∂u x ∂u x ∂u x + ux + uy + uz ax = ∂t ∂y ∂x ∂z ay = ∂u y ∂t + ux ∂u y ∂x + uy ∂u y ∂y + uz ∂u y ∂z
Q = ∫ u • d A = ∫ u • ndA
A A
除体积流量外,还可有质量流量及重量流量等。
总流过水断面上各点的速度 u 一般是不相等的。 以管流为例,管壁处流速最小(为0),管轴处最 大。为便于计算,设想过水断面上流速均匀分布,即各 点流速相同,通过的流量与实际相同,于是定义v 为该 断面的断面平均流速(mean velocity) ,表示为
u y = u y ( x, y , z , t )
u z = u z ( x, y , z , t )
p = p ( x, y , z , t )
ρ = ρ ( x, y , z , t )
式中x,y,z 为流场中的空间坐标,t 为时间。 由于 x,y,z 为液体质点在 t 时刻的运动坐标,故对y 于同一质点来说,又是时间的函数。因此加速度需采用复合 函数求导数的方法求出,即
∑Q
流入
= ∑ Q流出
连续性方程是质量守恒定律的水力学表达式。
4.4
理想液体运动微分方程 z a’ O’ pN d’ y a b’ dz y b pM
c d dy z c’ dx x
x
理想液体内取边长分别为dx,dy,dz的微元六面体, 中心点O’(x,y,z)压强p(x,y,z)、流速u(x,y,z)。 根据牛顿第二定律,以x方向为例,分析微元六面体的 受力和运动情况。
第4章
水动力学基础( Basic Hydrodynamics)
水动力学是以动力学的理论和方法研究液体的机械 运动规律。 4.1 液体运动的描述方法 与固体不同,由于液体质点间存在着相对运动,如何 用数学物理方法来描述液体的运动是从理论上研究液体运 动的首要问题。通常有拉格朗日法和欧拉法两种方式。 4.1.1 拉格朗日法(grange) 拉格朗日法—把液体的运动看成是无数质点运动的总 和,以个别质点作为研究对象加以描述,再将各质点的运 动汇总起来,就得到整个流动的运动规律。
4.5.2 伯努利方程的意义
mgz 单位重量液体所具有的位置势能,或位能; z= mg 某点到基准面的位置高度,或位置水头; mgh 单位重量液体所具有的压强势能,或压能; p =h= ρg mg 该点的测压管高度,或压强水头; p 单位重量液体所具有的总势能; z+ ρg 该点测压管液面的总高度,或测压管水头; u 2 1 mu 2 单位重量液体所具有的动能; = 2 g 2 mg 该点的流速高度,或流速水头(velocity head); u2 p z+ + ρg 2 g 单位重量液体所具有的机械能;该点的总水头; u2 p 沿元流机械能守恒,故又称能量方程。 z+ + =c ρg 2 g 沿元流各点总水头相等,总水头线水平。
∂p ∂p ⎞ 1 ⎛ ∂p Xdx + Ydy + Zdz − ⎜ dx + dy + dz ⎟ = ∂y ∂z ⎟ ρ ⎜ ∂x ⎝ ⎠
du y du x duz = dx + dy + dz dt dt dt
引入限定条件: (1)作用在液体上的质量力只有重力,即 X = Y= 0,Z =-g 于是 Xdx + Ydy + Zdz = -gdz
拉格朗日法是固体力学常用的方法,对一指定质点 (起始点坐标a,b,c为常量),此法中运动轨迹、速度、 加速度之间的关系可表示为 x(a,b,c,t):
∂x ux = ∂t ∂u x ∂ 2 x ax = = 2 ∂t ∂t
∂y uy = ∂t ∂u y ∂ 2 y ay = = 2 ∂t ∂t
∂z uz = ∂t ∂uz ∂ 2 z az = = 2 ∂t ∂t
du y du x duz dx + dy + dz = u x du x + u y du y + uz duz dt dt dt 2 2 2 ⎛ ux + u y + uz ⎞ ⎛ u2 ⎞ ⎟ = d⎜ ⎟ = d⎜ ⎜ 2⎟ ⎜ ⎟ 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
将限定条件代回原方程
⎛ u2 ⎞ ⎛ p⎞ − gdz − d⎜ ⎟ = d⎜ ⎟ ⎜ρ⎟ ⎜ 2⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
表面力:理想液体内,不存在切应力,只有压强。故除 abcd与a’b’c’d’两面外,其余面上作用的压力在x 轴上投 影均为0。此两面中心点压强可用Taylor级数展开:
1 ∂p pM = p − dx 2 ∂x
两个面上的总压力则为:
1 ∂p pN = p + dx 2 ∂x
1 ∂p ⎞ ⎛ dx ⎟dydz =⎜p+ 2 ∂x ⎠ ⎝
(2)不可压缩液体做恒定流动时 ρ= const,p = p ( x, y, z ) 于是
⎛ p⎞ ∂p ∂p ⎞ 1 1 ⎛ ∂p ⎜ dx + dy + dz ⎟ = dp = d⎜ ⎟ ⎜ρ⎟ ∂y ∂z ⎟ ρ ρ ⎜ ∂x ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
(3)恒定流动时,流线与迹线重合 dx = uxdt,dy = uydt,dz = uzdt 于是
FPM
1 ∂p ⎞ ⎛ dx ⎟dydz =⎜p− 2 ∂x ⎠ ⎝
FPN
质量力:x方向单位质量力与六面体总质量的乘积,即
Fbx = Xρdxdydz
根据牛顿第二定律,x方向:
1 ∂p ⎞ 1 ∂p ⎞ dux ⎛ ⎛ dx ⎟dydz − ⎜ p + dx ⎟dydz + Xρdxdydz = ρdxdydz ⎜ p− 2 ∂x ⎠ 2 ∂x ⎠ dt ⎝ ⎝
u x = u x ( x, y , z )
p = p ( x, y , z )
ρ = ρ ( x, y , z )
u y = u y ( x, y , z )
u z = u z ( x, y , z )
恒定流时,时变加速度为零。 前面的例子中,水箱水位不变为恒定流。 ( 2 )一元、二元和三元流动 (one / two / three dimensional flows) 流动参数(如流速)是三个空间坐标的函数,流动是 三元的。其他依此类推。
由于液体的运动轨迹比较复杂,此法描述比较困难,因 此故除个别流动(波浪运动)外,一般不采用。 4.1.2 欧拉(Euler)法 欧拉法—以充满液体的空间,即流场为对象,观察不同 时刻流场中各空间点上液体质点的运动参数(流速等),将 其汇总起来,就形成了对整个流场的描述。
欧拉法的运动参数例如:
u x = u x ( x, y , z , t )
∂uz ∂uz ∂uz ∂uz + ux + uy + uz az = ∂t ∂y ∂x ∂z
上式为欧拉法描述液体运动中质点加速度的表达式,其中
∂u x ∂u y ∂u z , 为某空间点速度随时间的变化率,称为 , ∂t ∂t ∂t
时变加速度或当地加速度(local acceleration);其他各项则是 该空间点速度由空间点位置变化所引起的加速度,称为位变 加速度或迁移加速度(convective acceleration)。