4.流动液体的压力
静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的,可是在流动液体内,由于惯性力和粘性力的影响,任意点处在各个方向上的压力并不相等,但数值相差甚微。当惯性力很小,且把液体当作理想液体时,流动液体内任意点处的"力在各个方向上的数值可以看作是相等的。
二、连续性方程
连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式,如果液体作定常流动,且不可压缩,那么任取一流管(图1-11),两端通流截面面积为
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和
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,在流管中取一微小墒,流束两端的截面积分别为
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和
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,在微小截面上各点的速度可以认为是相等的汕曳直鹞
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和
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。根据质量守恒定律,在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从晌⑿×魇流出的质量,故有
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即
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对整个流管,显然是微小流束的集合,由上式积分得
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即
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如用平均速度表示,得
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由于两通流截面是任意取的,故有
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上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。它说明通过流管任一通流截面的流量相等。此外还说明当流量一定时,流速和通流截面面积成反比。
三、伯努利方程
伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。要说明流动液体的能量问题,必须先讲述液流的受力平衡方程,亦即它的运动微分方程。
l.理想液体的运动微分方程
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这就是重力场中,理想液体沿流线作定常流动时的运动方程,即欧拉运动方程。它表示了单位质量液体的力平衡方程。
2.理想液体的伯努利方程
将上式沿流线积分,便可得到理想液体微小流束的伯努利方程
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或对流线上任意两点且两边同除以g可得
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上式即为理想液体作定常流动的伯努利方程。上述两式表明理想液体作定常流动时,沿同一流线对运动微分方程的积分为常数,沿不同的流线积分则为另一常数。这就是能量守恒规律在流体力学中的体现;理想液体作定常流动时,液流中任意截面处液体的总比能(即单位重量液体的总能量)由比压能(
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)、比位能(z),与比动能(
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)组成(均为长度量纲,因此从几何意义上讲可分别称为压力水头、位置水头和速度水头),三者之间可互相转化,但总和1一定值。
如果流动是在同一水平面内,或者流场中坐标z的变化与其它流动参数相比可以忽略不计,则上式可写成
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该式表明,沿流线压力越低,速度越高。
3.实际液体流束的伯努利方程
实际液体具有粘性,因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻力,这必然要消耗能量,设因粘性而消耗的能量为,则实际液体微小流束的伯努利方程为
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4.实际液体总流的伯努利方程
用平均流速v代替管流截面积A1或A2上各点处不等的流速u,且令单位时间内截面A处液流的实际动能和按平均流速计算出的动能之比为动能修正系数
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,即
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由上式可知
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>1,与液体流动状态即截面上流速分布有关,流速分布越不均匀,
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值越大,流速分布较均匀时
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值接近于1(层流时
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,紊流时
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)。
此外,对液体在管流中流动时因粘性摩擦而产生的能量损耗,也用平均能量损耗的概念来处理,即令
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则伯努利方程可以写成
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上式就是仅受重力作用的实际液体在管流中作平行(或缓变)流动截面上的伯努利方程。它的物理意义是单位质量液体的能量守恒。其中
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为单位质量液体从截面A1流到截面A2过程中的能量损耗。
应用伯努利方程时,应注意下述各点。这是因为在推导伯努利方程过程中逐次加入了限制条件。
(1)z和p是指截面的同=点上的两个参数,至于A1、A2上的点倒不一定都要取在同一条流线上,但一般对管流而言,计算点都取在轴心线上。把这两个点都取在两截面的轴心处,不过是为了方便。
(2)液流是恒定流。如不是恒定流,要加入惯性项。
(3)两个计算通流截面应取在平行流动或缓=流动动处,但两截面之间的流动不受此限制。至于两截面间是什么流,是没有关系的,这最多影响能量损失的大小。
(4)液流仅受重力作用,亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况。
(5)液体不可压缩,密度在运动中保持不变。
(6)流量沿程不变,即没有分流。
(7)适当地选取基准面,一般取液平面,这时p一般等于pa ,v=0。
(8)截面上的压力应取同一种表示法,都取相对压力,或都取绝对压力。压力小于大气压时,则表压力为负值,但用真空度表示时要写正值。如绝对压力为0.03MPa,则表压力为-0.07MPa,真空度为0.07MPa。
(9)不要忘记动能修正系数,层流时
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,紊流时
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。
四、动量方程
液体作用在固体壁面上的力,用动量定理来求解比较方便。动量定理指出:作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率,即

根据上式进行推导可得流动液体的动量方程。

方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和,而等式右边第一项表示液体流量变化所引"的力,称为瞬态力;第二、三项表示流出控制表面柑流人控制表面时的动量变化率,称为稳态力。如果控制体中的液体在所研究的方向上不受其它外力,只有液体与固体壁面的相互作用力,则该二力的作用力与反作用力大小相等,方向相反。液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动"和稳态液动力。
定常流动时,
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,故上式中只有稳态液动力,即
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上述公式均为矢量表达式,在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投影,列出该指定方向的动量方程,从而可求出作用力在该方向上的分量,然后加以合成。
动量修正系数,为液体流过某截面A的实际动量与以平均流速流过截h的动量之比,当液流流速较大且分布较均(紊流)时,
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,液流流速较低且分布不均匀(层流)时,
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。