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发表于 2007-7-24 11:35:56
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来自: 中国北京
伯努利方程及应用
第7讲:伯努利方程及应用
Z* g* `6 ~0 i. F$ U3 ~- e一 、本课的基本要求
# I, j' I4 [9 M, Y d% `! S# R2 F- }. x6 m7 o% A, k# m7 A
⒈了解欧拉方程的适用条件,伯努利方程微分式的物理意义。
: W# x3 a$ p: U& ?- i9 j/ U2 J4 @& x
4 ]$ I6 F" e _⒉掌握伯努利方程积分式的形式,适用条件,物理意义。0 e/ s( ~. o3 j+ c
) a9 C9 K2 ~" m$ Z
⒊掌握管流伯努利方程式的应用。
& C: @% n- s! y- W( K- Z1 s, Q; d$ J; R( s
二 、本课的重点、难点:
1 R7 z5 x. a L; A, |9 s1 Q5 U K" X' G) Y) v
重点:管流伯努利方程式的应用。
* N' E$ D; Y8 C+ p! q5 E( ]( j5 i& E- h! C- T8 l
难点:管流伯努利方程式的应用。 ! I' R) l8 S4 _+ A
6 L6 v' h, l4 g" `- E
1.3.3 理想流体动量平衡方程式--欧拉方程( Eular equations )8 U+ V( [" b+ s: M
& H. _1 F# c9 u3 _6 k+ b
理想流体:没有粘性的流体, 。
3 f T0 F& H, ?& N$ w- c
* b' {! k) \) N+ H! @实际流体都具有粘性,提出理想流体的意义何在?简化:
8 G4 E! H( M; m, o: i8 n8 r
# y8 c, k) ], Z" C① 时, N-S 方程简化为欧拉方程 (1-3-12 a ) P36. I2 F4 `0 s# a
( d! T5 M5 `5 j0 L' u
② 稳定流动, (1-3-12 b )
: e; r! g( T6 ]8 m, j! M9 c! o9 v0 k% m4 q8 a
③ 单位质量流体 (1-3-12 c )
. |7 l( T' m6 [9 c# E
/ Y' F) D) H8 I9 q. N 9 m y0 R: [4 X7 j
O$ p& A, _; o7 N' w8 Y9 a3 U3 l: |# G欧拉方程适用条件:理想流体、稳定流动、不可压缩流体 ( 元体范围内 ) 。
. E; N0 n7 ~+ Z/ S0 \
. W* A, Z7 L* _3 R! a) S1.3.4 欧拉方程的简化 ¾ 伯努利方程( Bernoulli equations )! ?" |& n+ N. u6 n: Z; p
$ `! d0 y7 U' Q9 ~
⒈ 伯努利方程式的微分式
% z' A& |& ^: ], Y: g( L1 E8 Q8 h1 b7 c5 i& W
在流场中,流体质点于流线方向上具有一维流动的特征,对于理想流体,在稳定流动的条件下,沿流线方向作一维流动的动量平衡方程式可由欧拉方程简化处理。处理过程中用到两个概念。
6 j% a6 F/ W, i! b/ n7 e7 z; J$ t$ q" `% P: o3 b
① 全微分
4 @! U/ T- e+ v) v8 z7 f+ W6 `. y$ _
根据全微分的定义,在稳定流动下,有:& Y6 P# K% k# J9 B$ u
; Q/ G+ h( B6 [4 U0 v+ O
4 u" L1 i6 A( G* a" a6 @9 K- W5 J: ?8 ~6 L8 V2 @
% w: \7 ]5 f- A# h2 e2 l& h4 `
7 i9 o! C2 y5 D% A3 p
- \' a+ N; Y3 b7 y6 y5 [+ M4 [% `. P1 a1 H6 m, B7 t
; y4 ^2 `+ C$ {/ \/ u
# D/ L! G7 ?) B1 {1 ~6 ~! S% Z
% o9 k7 e7 m$ N0 A6 j+ U8 I5 E1 D, r$ j6 }6 u N
同时, , Y _& ~+ i1 K! s
' ^/ n3 h5 s# x则
7 S+ y. e8 E2 P# H& S# }2 v q$ ?( |- k/ A
②
! \0 w9 j: Y& S( p9 @9 ^3 E( Z' a8 L. F
" X, K& T' b- }# z: B4 @" H3 M- B7 l3 {/ I# k
; S# H. _0 _; E* k# m- F: U则 1 @$ L) K6 @# c4 P( C0 V7 y
4 p; B2 v& p9 P6 e/ A! Q 4 P" n' Q# E- h* c2 K# O
7 S @# q! T- x
- M% a. U9 Y3 K2 V( T- j8 D% J; L1 D: |
理想流体、稳定流动、沿流线方向的欧拉方程式,称为伯努利方程式的微分式。1 j5 B0 _8 {8 Z: z
z+ a' B, ~- k( {4 c5 \3 |- W
⒉ 伯努利方程式: ]* |2 ^; v1 j1 B! V ?6 f
G# Z& B2 _: g! X⑴ 方程式的导出7 F9 u* E# }+ B. j+ o, G
$ @3 I3 k8 [& ~. j9 \8 U$ x" z$ y
由伯努利方程的积分式来确定运动过程中的动量平衡关系:图 1-3-7 P38, y! f8 C& s; T: w. d/ Y
+ z) e! Q- y+ l3 {% [2 ~) d
H/ H4 e8 D0 Y' s8 ]. ]0 q8 N% U: N! T; E
或 6 r; h4 b9 @- B/ N0 W! Z2 B$ ^
& W$ |* ^; J% S6 O! j
⑵ 方程式的讨论
5 u! l0 r t8 @; B, \) d" B' A" l- j0 i
适用条件:理想流体、稳定流动,不可压缩流体、沿流线方向。
8 @ S; G2 d7 w8 M
6 f! N% _3 v4 T$ I物理意义:① 单位:机械能守恒定律的体现。: h/ o' _ k7 F) d0 L0 @) m! [) R0 {
v6 Z, \/ b9 o8 J/ `" | ② ' Z) x' ^# s6 c
: t; ]; n6 S8 M5 O0 n- V* ^ ③ 各个能量之间可以相互转换,对理想流体而言,其总和不变,粘性流体在流动过程中存在能量损失—静压能的降低。
" Q5 Z K0 t, Z6 c- y5 L$ u& |/ O1 `) W' r* K; m7 I' n7 w4 H1 f
⒊ 伯努利方程式在管流中的应用 图 1-3-8 P39
" y$ i0 Q- B; K' }
0 l# V+ b1 I9 `/ `1 F- P一般管流的伯努利方程为
# z( f* a6 A0 t6 e
) O, h$ h- F3 |/ ]8 H限制条件:理想流体、稳定流动、不可压缩流体、沿流线方向。4 D" d' }& ~% \. \3 D
! o* U9 w7 x' v q对于实际流体:; N4 `2 i N1 M9 c
5 l3 o0 i3 }4 h
) S" ]( B ^" z# G1 c3 E# N! j9 T" ` T" b: k6 ?
式中 --能量损失 : ^: h: }" ^: w1 x* ~
3 n! E( h2 U& y% W4 `4 P" _
3 _; T7 ?- D( A4 ^! S
1 H8 r- F2 o1 e3 I9 K" h式中 -- Pa. 。
5 L7 n4 u6 u" q9 G% c7 g1 k& p: ^7 ~; [. \; Y% S
伯努利方程应用于管流时的几点说明:! ?" |3 r, o: Q) |4 ^) g1 c
+ r% X* P3 d' f, x# u⑴ 管道平直、流动为缓变流 ( 流线趋于直线且平行 ) 。反之,为急变流。0 ^% t3 I* x( p: L- l; ~" k; G
8 L2 X8 |" V* M0 Q3 S6 n
⑵ 关于动能的计算
# M& ~% X6 m0 W5 ^: a# l1 W3 w3 ^8 J" \8 I$ [( J7 ?" i0 ~
- _- d/ M% e$ l& r$ f
/ Y- ^+ Y8 W1 \6 C$ ^$ K" B; b式中 a --动能修正系数, 。2 v( Y$ h0 ~9 E! q$ v
" H/ _ T+ z6 L& F9 D! Y8 f
实际管流的伯努力方程应为) Z6 f8 O* k% H, \
. t. w6 O/ Q& b5 Y% I
4 p5 u6 j4 A0 ~# L7 z3 T, a9 C, W$ s' x
$ S" h* F- a$ p4 h6 S⑶ 应用管流伯努力方程应注意:7 \8 ~5 Z' j; D1 D" q
" | t" E$ p- g& G+ }+ j* b
① 适用条件:理想流体、稳定流动、不可压缩流体、沿流线方向、缓变流。
+ D' G0 m/ ^! o" |
" z5 I9 D* }+ }. O/ o) M! g0 E3 g: L; |/ p② 工程上大多数都是紊流, a » 1.0 。
( Y9 T. r0 d9 B/ A
4 [+ _* @5 B! Q' q: T- Z& R③ P1 、 P 2 可以是绝对压力,也可以是表压力。 绝对压力与表压力的关系?& v, v' T$ L6 k/ L2 x% i. G7 m
0 ~/ m+ r' ]4 E! f K④ w1 、 w 2 、 r — 实际状况下。 实际状况下的流速、密度公式?
* Z3 X5 m. A0 q- e4 g, p8 k! _2 I- C" M" D3 E1 p& ~3 K5 I
⑤ z1 、 z 2 取决于基准面。
# i- f2 R" I* T: V& t
8 N' T. A9 I% {伯努利方程式在工程上的应用极为广泛:流量测量、喷嘴设计、烟囱设计等。共性?0 R" Q5 Q6 I! o8 P+ Q1 N3 R# l
V' A( Q+ f5 H) g应用时:方程联解。 |
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