工程流体力学 上册 问题导向型 教学课件 作者 丁祖荣 工流B4.ppt

力学基础课程新体系 B4 流体动力学 上式表明控制面净流出的动量流量等于控制体上的合外力。 1.流管定常流动 定常流动动量方程 因 ，并取 ，可得 为流管定常流动动量方程；速度和外力均为矢量。 B4.3.2 定常流动量方程应用举例 [例B4.3.2A]弯曲收缩喷管受力分析 水从喷管出口流入大气,已知流量、出入口面积与速度;求螺栓受力。 解:建立坐标系，取控制体（虚线），设受力如图示；忽略粘性和重力。 (1)列伯努利方程求入口压强 因 ，可得 (2)连续性方程 (3)动量方程 方向的分量式为 方向的分量式为 计算结果为正，说明原设方向正确。螺栓受力大小与之相同，方向与图示方向相反。 讨论： (1)本例说明用动量方程解题的步骤为①取控制体；②用伯努利方程和连续性方程求流动参数；③建立坐标系；④设外力（或分量）的方向；⑤注明压力方向；⑥沿坐标方向列动量方程分量式，其中应注意矢量投影的正负号。 (2)本例中压强合力在收缩喷管受力中占主要成分，流体加速造成的动量变化引起的力占次要成分。 (3)当 为直喷管。与例B3.1.3B的加速度数据相对应，可得喷管受力为 。 [例B4.3.2B]自由射流冲击导流片 解:沿导流片内壁面取控制体CV如图示。伯努利方程为 已知自由射流沿水平方向冲入固定导流片入口。导流片出口偏转角为 ，忽略粘性和重力影响。求自由射流对导流片的作用力。 因 ,得 。由连续性方程 可得 。质流量为 取坐标系如图。导流板对射流的作用力分量方向如图所设。动量方程矢量式为 方向分量式 方向分量式 当设 。自由射流对导流片的作用力与 大小相等，方向相反。 讨论:作用力大小由板偏转角 决定。 时 最大， 时最小。 2.在运动坐标系中的定常流动 定常流 流 管 设控制体以速度 运动。在随控制体一起运动的坐标系中动量方程形式保持不变，即 方程中速度 均为相对速度。 计算结果与在固定坐标系将绝对速度取为 计算的结果相同。 [例B4.3.2C]射流冲击运动导流片 解:坐标系固结于导流片上，速度取相对速度 已知导流片以速度 沿射流方向作独立运动。求射流对运动导流片的作用力。 质流量为 动量方程为 方向分量式为 当设 。自由射流对导流片的作用力与 大小相等，方向相反。 讨论:本例若直接以绝对速度 的射流冲击固定导流片计算，结果相同。 导流片对射流的作用力在 方向分量式为 B4.4 层流与湍流 1883年英国物理学家雷诺观察到低速和高速管流具有不同的流动结构，分别称其为层流和湍流。 1839年德国工程师哈根发现管道流动阻力与流速的关系在低速和高速流动中存在明显差别。 雷诺经过系列实验，归纳出区分这两种流型的无量纲参数为 被称为雷诺数。 低速时脉线是一条直线（层流）。 一、层流与湍流的区别 1、雷诺实验：染料通过针管流入圆管内形成脉线，显示流型。 中速时脉线开始波动（过渡区或转捩区）。 高速时脉线突然模糊不清，染料弥散到整个管内（湍流）。 若用火花闪光拍摄湍流，显示卷曲的流丝和涡旋。 沿管道流程：入口处为层流，然后进入转捩区，最后发展为湍流。 2、哈根实验 哈根用黄铜管做定常水流实验，测量两端压差Δp与平均速度V 的关系如图示。 雷诺测量的下临界雷诺数为 。 在层流区为线性关系，在湍流区为1.75次幂关系。测得下临界雷诺数为 。 3、热线测速(HWA) 用热线（热膜）测量一点的流速及其脉动值。 平滑线谱对应于层流区。 激光多普勒测速仪（LDA）、高灵敏度压力传感器、氢气泡流动显示技术也可测量或显示湍流脉动。 间歇性局部随机脉动信号谱对应于转捩区(局部脉动对应于湍流斑)。 连续的脉动信号谱对应于湍流区。 二．对湍流及其转捩的初步认识 边界层转捩：层流区→转捩区→湍流区的演变。 圆管转捩：穆迪根据科尔布鲁克公式绘制商用管沿程阻力系数图，确定临界雷诺数为 。 边界层转捩的当地雷诺数约为 湍流中所有质点在空间和时间上作随机运动。 对湍流的初步认识： 湍流还具有质点间的掺混性