当前课程知识点:建筑设备工程 > 流体力学基本知识 > 流体运动的基本知识 > 流体运动的基本知识
同学们大家好
今天我们来学习流体运动的基础知识
流体得以流动的必要条件是
系统两端有压力差或位差
如果用高位槽向设备输送流体时
部分位能转化成动能而使流体流动
而要想将流体从低位送往高位
则必须由外界输入能量才能完成输送任务
因此 流体流动过程中实际上是
各种形式能量之间的转化过程
它们之间遵循能量守恒定律
稳定流动伯努利方程反映了
流体在管道中流动时流速
压力和位差之间的变化关系
在工程上有广泛的应用价值
今天我们讨论理想流体在管内作稳定流动中
各种机械能之间的转换关系
如图所示
理想流体从截面1-1流入
从截面2-2流出
我们研究的范围包括
管路的内壁面
截面1-1与截面2-2之间
基准水平面为0-0水平面
其中V1 V2分别表示
流体分别在1-1与2-2截面上的平均流速
P1 P2表示
流体分别在1-1与2-2截面上的压力
Z1 Z2表示
截面1-1截面2-2中心至基准水平面的
垂直距离
A1 A2表示
1-1与2-2截面的面积
P1 p2表示
1-1与2-2截面上流体的密度
流体流动过程中所具有的机械能包括位能
动能和压力能三种
其中位能是指流体
因处于地球重力场内而具有的能量
其大小=mgz
动能是流体因以一定的流速运动时
而具有的能量
当质量为m的流体平均流速为v时
所具有的动能mv平方/2
压力能又称为静压能
是流体因存在一定的静压力而具有的能量
质量为m的流体
若压力为p 密度为p
则压力能等于mP除以p
前面介绍的位能 动能
与压力能都是与流体质量相关的量
现在再给大家给出几个概念 比位能
比动能和比压力能
我们将1kg流体所具有的位能
动能和压力能分别称为比位能
比动能和比压力能
单位为J/kg或kJ/kg
其中比位能=gz
比动能=v2/2
比压力能= P/p
下面我们看理想流体稳定流动的
机械能守恒计算
根据以上分析可得出
1kg流体带入1-1截面的总机械能为
E入等于gZ1加2分之V1方加p1分之P1
1kg流体带出2-2截面的总机械能为
E出等于gZ2加2分之V2方加p2分之P2
根据能量守恒定律
对稳定流动系统应有E入=E出
即流入系统的能量等于流出系统的能量
对于不可压缩流体
其密度为常数
因此上式可写为
gZ1加2分之V1方加p分之P1等于gZ2加2分之V2方加p分之P2
上式即著名的伯努利方程
也称能量方程
伯努利方程表明
在任一截面上
单位质量流体的总机械能恒为常量
根据伯努利方程的推导过程可知
该式仅适用于不可压缩的理想流体
作稳定流动以及流体在流动过程中
系统与外界无能量交换的情况
下面我们看流体机械能之间的相互转换
伯努利方程表明理想流体作稳定流动
且与外界无能量交换时
在任一截面上
单位质量流体的总机械能恒为常量
但各个截面上的
同一种形式的能量并不一定相等
即各种形式的机械能可以互相转换
如图所示
的内径相同的倾斜直管中
理想流体在截面1-1处
和截面2-2处的流速相等
即v1=v2
对截面1-1和截面2-2之间作机械能衡算
由伯努利方程可得
gZ1加p分之P1等于gZ2加p分之P2
由于z1>z2
可得p分之P1 < p分之P2
这说明在截面1-1
和截面2-2处的动能相同
但因流体从高处流向低处
位能减小而压力能增加
就是说截面1-1处流体的位能
到截面2-2处有一部分转化为压力能了
且其位能的减小值等于压力能的增加值
通过上述分析我们可知
当流体截面两端的速度相同时
高度越高 压力越小 高度越小 压力越大
同样 我们可以得到以下推论
当流体截面两端的位能相同时
流体的流速越快
压强越小 流速越慢 压强越大
这一定律在飞行并旋转着的乒乓球中
不管是上旋球 下旋球
还是侧旋球
都得到的充分的验证
如图所示
当乒乓球本身带着上旋飞行时
同时带着球体周围的空气一起旋转
但是由于球体上沿周围空气旋转方向
和对面空气方向相反
因而受到阻力
导致其流速降低 压力增大
而球体下沿的气流与迎面空气阻力方向相同
因而流速加快 压力减小
最后的结果是
本来球体上下沿的压力相等
现在由于球体受力不均衡
总的合力方向是向下
给击球者的感觉就是上旋球的下落速度加快
因此在相同的条件下
上旋球的飞行弧线
比不转球的飞行弧线要低要短
如果是下旋球
其受力情况跟上旋球恰好相反
球体上沿的空气流速快 压强小
下沿的空气流速慢 压强大
所以气流给球体一个浮举力
这样在相同条件下
下旋球比不转球
或上旋球的弧线要高要长
好了
今天的内容就到这里
-流体的主要物理性质
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-流体静压强基本规律
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-流体运动的基本知识
--流体运动的基础知识
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