第三章-水流運動的基本原理課件

水力學(xué)1可編輯課件PPT內(nèi)容回顧第二章水靜力學(xué)

液體主要物理力學(xué)性質(zhì)水力學(xué)的任務(wù)及其應(yīng)用

液體的基本特性連續(xù)介質(zhì)假設(shè)理想液體的概念作用于液體上的力密度容重粘滯性壓縮性表面張力特性2可編輯課件PPT內(nèi)容回顧第三章水流運動的基本原理

壓強的單位和量測靜水壓強及其特性

靜水壓強的基本規(guī)律

作用于平面壁上的靜水壓力作用于曲面壁上的靜水總壓力圖解法

解析法

測壓管

水銀測壓計

差壓計

第二章回顧

3可編輯課件PPT本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)本章研究液體運動的基本方程式及其應(yīng)用，并簡要介紹如何運用這些基本方程式分析解決實際工程問題。三大方程是分析水流現(xiàn)象，研究液體運動的重要“工具”，也是分析解決實際工程的水力學(xué)問題最重要的理論基礎(chǔ)。必須正確理解，明確建立這些方程式的條件和適用范圍，掌握其運用。由于實際液體的粘滯性將發(fā)生作用，導(dǎo)致部分機械能的耗損，因而描述液體運動規(guī)律的方程式，一般比較繁雜，常常需要借助實驗或原型觀測資料作補充和修正。

描述液體運動的兩種方法，液體運動的基本概念；恒定總流的連續(xù)性方程及其應(yīng)用；恒定總流的能量方程及其應(yīng)用；恒定總流的動量方程及其應(yīng)用。本章重點第三章水流運動的基本原理

4可編輯課件PPT第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

拉格朗日法

歐拉法

著眼于流體質(zhì)點，跟蹤質(zhì)點描述其運動歷程著眼于空間點，研究質(zhì)點流經(jīng)空間各固定點的運動特性是描述液體運動常用的一種方法。一、描述水流運動的兩種方法5可編輯課件PPT第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

流線是指某一瞬時在流場中繪出的一條空間曲線，在該曲線上所有液體質(zhì)點在該時刻的流速矢量都與這一曲線相切。跡線是指液體質(zhì)點在運動過程中不同時刻所占據(jù)位置的連線，也就是液體質(zhì)點運動的軌跡線。6可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

流線有如下特征：（1）流線上所有各質(zhì)點的切線方向就代表了該點的流動方向。（2）一般情況下，流線既不能相交，也不能是折線，而只能是一條連續(xù)光滑的曲線。（3）流線上的液體質(zhì)點只能沿著流線運動。第一節(jié)描述水流運動的兩種方法無數(shù)條流線在流場中構(gòu)成流線圖.由流線圖可知（1）流線的形狀與固體邊界形狀有關(guān)（2）流線的疏密程度反映了流速的大小.7可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

流線在流場中，取一條不與流線重合的封閉曲線L，在同一時刻過

L上每一點作流線，由這些流線圍成的管狀曲面稱為流管。

與流線一樣，流管是瞬時概念。L流管二、

流管、微小流束、總流、過水?dāng)嗝?可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

與流動方向正交的流管的橫斷面過水?dāng)嗝鏋槊娣e微元的流管叫元流管，其中的流動稱為元流（微小流束）。

過水?dāng)嗝鏋橛邢廾娣e的流管中的流動叫總流?？偭骺煽醋鳠o數(shù)個元流的集合。dA1u1過水?dāng)嗝鎑A2u2元流總流9可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

單位時間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴囊后w體積，稱為流量

，單位為m3/s三、水流的運動要素u1dA2dA1u210可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

設(shè)想過水?dāng)嗝嫔细鼽c的流速都均勻分布，且等于v，按這一流速計算所得的流量與按各點的真實流速計算所得的流量相等，則把流速v定義為斷面平均速度

，單位為m/s11可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

三、水流運動的類型

若流場中各空間點上的任何運動要素均不隨時間變化，稱流動為恒定流。否則，為非恒定流。

恒定流中，所有物理量的表達(dá)式中將不含時間，它們只是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，時變導(dǎo)數(shù)為零。

（一）恒定流、非恒定流

12可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

運動要素是否沿程變化？均勻流非均勻流（二）均勻流、非均勻流；漸變流、急變流

均勻流的流線必為相互平行的直線，而非均勻流的流線要么是曲線，要么是不相平行的直線。舉例。

注意：13可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

是否接近均勻流？漸變流流線雖不平行，但夾角較?。?/p>

流線雖有彎曲，但曲率較小。急變流流線間夾角較大；

流線彎曲的曲率較大。是否14可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

有無自由表面

有壓流無壓流（三）有壓流、無壓流、射流

有壓流主要是依靠壓力作用而流動，而無壓流主要是依靠重力作用而流動。舉例。

注意：15可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

任何實際流動從本質(zhì)上講都是在三維空間內(nèi)發(fā)生的，二元和一元流動是在一些特定情況下對實際流動的簡化和抽象，以便分析處理。

注意：

（四）一元流、二元流、三元流

一元流動：只與一個空間自變量有關(guān)。二元流動：與兩個空間自變量有關(guān)。三元流動：與三個空間自變量有關(guān)。16可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第一節(jié)描述水流運動的兩種方法第三章水流運動的基本原理

在實際問題中，常把總流也簡化為一維流動，但由于過水?dāng)嗝嫔系牧鲃右匾话闶遣痪鶆虻?，所以一維簡化的關(guān)鍵是要在過水?dāng)嗝嫔辖o出運動要素的代表值，通常的辦法是取平均值。s

一元簡化

元流是嚴(yán)格的一維流動。17可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第二節(jié)恒定總流連續(xù)性方程第三章水流運動的基本原理

幾個假定：恒定條件下，總流管的形狀、位置不隨時間變化。液體一般可視為不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)，其密度為常數(shù)。沒有流體穿過總流管側(cè)壁流入或流出，流體只能通過兩個過流斷面進(jìn)出控制體。恒定總流的連續(xù)性方程A2QmQmA1

連續(xù)性方程——質(zhì)量守恒定律對液體運動的一個基本約束18可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第二節(jié)恒定總流連續(xù)性方程第三章水流運動的基本原理

根據(jù)質(zhì)量守恒定律：在單位時間內(nèi)通過A1流入控制體的流體質(zhì)量等于通過A2流出控制體的流體質(zhì)量。

恒定元流連續(xù)方程

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第二節(jié)恒定總流連續(xù)性方程第三章水流運動的基本原理

或恒定總流連續(xù)方程

或20可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第二節(jié)恒定總流連續(xù)性方程第三章水流運動的基本原理

在有分流匯入及流出的情況下，連續(xù)方程只須作相應(yīng)變化。質(zhì)量的總流入=質(zhì)量的總流出。21可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流能量方程第三章水流運動的基本原理

A2QmA1

能量方程——能量轉(zhuǎn)化與守恒原理對液體運動的一個基本約束動能勢能能量損失位置勢能壓強勢能22可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

一、微小流束的能量方程單位總能量單位動能單位壓能單位位能單位勢能23可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

一、微小流束的能量方程這是水力學(xué)中普遍使用的伯努利方程24可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

急變流同一過流斷面上的測壓管水頭不是常數(shù)25可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

三.恒定總流的能量方程總流是無數(shù)元流的累加恒定總流恒定元流26可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

解決測壓管

水頭的積分尋求平均

測壓管水頭均勻流或漸變流過水?dāng)嗝嫔蠝y壓管水頭為常數(shù)。用斷面平均流速v

代替實際流速u，解決流速

水頭的積分27可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

三.恒定總流的能量方程恒定總流28可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

實際流體恒定總流

的能量方程分析水力學(xué)問題最常用也是最重要的方程式29可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

四、能量方程的意義單位重量流體所具有的位置勢能（簡稱單位勢能）單位重量流體所具有的壓強勢能（簡稱單位壓能）單位重量流體所具有的總勢能（簡稱單位勢能）單位重量流體所具有的動能（簡稱單位動能）30可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

四、能量方程的意義表示能量的平衡關(guān)系。水流總是從總機械能大的地方流向總機械能小的地方

能量方程的物理意義單位重量流體所具有的總機械能（簡稱單位總機械能）31可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

四、能量方程的意義單位重量流體所具有的位置水頭（又稱單位勢能）單位重量流體所具有的壓強水頭（又稱單位壓能）單位重量流體所具有的測壓管水頭（又稱單位勢能）32可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

總水頭線為一條逐漸下降的直線或曲線

能量方程的幾何意義總水頭（又稱單位總機械能）單位重量流體所具有的流速水頭（或單位動能）33可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

位置水頭線一般為總流斷面中心線。測壓管水頭線可能在位置水頭線以下，表示當(dāng)?shù)貕簭娛秦?fù)值。恒定總流能量方程的幾何表示——水頭線

注意：34可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第三節(jié)恒定總流連能量方程第三章水流運動的基本原理

水力坡度稱為水力坡度水頭線的斜率冠以負(fù)號測壓管坡度

稱為測壓管坡度35可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

一、能量方程的應(yīng)用條件及注意事項應(yīng)用條件

必須是恒定流，液體不可壓縮計算斷面本身應(yīng)滿足均勻流或漸變流的條件質(zhì)量力只有重力，無慣性力兩斷面間沒有流量的匯入或分出36可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

一、能量方程的應(yīng)用條件及注意事項

注意事項

基準(zhǔn)面選??；計算斷面選?。挥嬎泓c的選??；壓強表示

舉例37可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

實際使用中，在測得h，計算流速u

時，還要加上畢托管修正系數(shù)c，即38可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

文得里流量計的應(yīng)用39可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

根據(jù)恒定總流連續(xù)方程又有40可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

聯(lián)立求解，得

41可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

當(dāng)使用水銀壓差計時，42可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例第三章水流運動的基本原理

三.有能量輸入或輸出的能量方程

1、2斷面之間單位重量液體從水力機械獲得（取+號，如水泵）或給出（取-號，如水輪機）的能量43可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)恒定總流的動量方程第三章水流運動的基本原理

計算水流與固體邊界的相互作用力問題

一.恒定總流的動量方程運動物體單位時間內(nèi)動量的變化等于物體所受外力的合力

44可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)恒定總流的動量方程第三章水流運動的基本原理

按照動量守恒定律動量定律：微小流束動量：45可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)恒定總流的動量方程第三章水流運動的基本原理

用斷面平均流速v

代替u：大于1.0的數(shù)，其大小取決于斷面上的流速分布。在一般的漸變流中的值為1.02-1.05.為簡單起見，也常采用=1.0動量修正系數(shù)*********46可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)恒定總流的動量方程第三章水流運動的基本原理

恒定總流動量方程建立了流出與流進(jìn)控制體的動量流量之差與控制體內(nèi)流體所受外力之間的關(guān)系，避開了這段流動內(nèi)部的細(xì)節(jié)。對于有些水力學(xué)問題，能量損失事先難以確定，用動量方程來進(jìn)行分析常常是方便的。恒定總流動量方程是矢量方程，實際使用時一般都要寫成分量形式一維恒定總流動量方程或47可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)恒定總流的動量方程第三章水流運動的基本原理

二.恒定總流動量方程應(yīng)用舉例液流為恒定流；液體為連續(xù)、不可壓縮的液體；所選的兩個過水?dāng)嗝姹仨殲闈u變流斷面。適用條件

注意事項選取脫離體（上下游斷面取在漸變流段上）；選取合適的坐標(biāo)軸，分析外力；把動量方程寫成分量形式求解；聯(lián)立其他方程求解舉例48可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)恒定總流的動量方程第三章水流運動的基本原理

二.求解恒定總流問題的幾點說明

恒定總流的三大方程，在實際計算時，有一個聯(lián)用的問題，應(yīng)根據(jù)情況靈活運用。

在有流量匯入或分出的情況下，要按照三大方程的物理意義正確寫出它們的具體形式。49可編輯課件PPT液體運動的三大方程

連續(xù)方程：課后小結(jié)50可編輯課件PPT能量方程：動量方程：課后小結(jié)51可編輯課件PPT

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[例]一水位不變的敞口水箱，通過下部一條直徑d＝200mm的管道向外供水。已知水箱水位與管道出口斷面中心高差為3.5m，管道水頭損失為3m。試求管道出口的流速和流量。55可編輯課件PPT

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第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例

對有流量的分出：66可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例67可編輯課件PPT第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例

對有流量匯入：68可編輯課件PPT返回第三章水流運動的基本原理

第四節(jié)能量方程的應(yīng)用條件及應(yīng)用舉例69可編輯課件PPT返回第三章水流運動的基本原理

第