流体力学第三章(7)动量方程及其应用及动量矩方程1.pptVIP

流体力学第三章(7)动量方程及其应用及动量矩方程1.ppt

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三 、动量方程式的应用(重点) 动量方程求解步骤: 建立坐标系, 选定控制体 分析控制体所受到的力 分析动量的变化 (流出减流进, 速度投影有正负),列动量方程。 对于实际问题,还要借助于伯努利方程和连续方程。 如图所示,流股以45°角自一窄缝射出冲击在一平板上,若出流的流量为,不计阻力及重力,求平面上流体流量与的比值。 解题步骤 解题步骤 解题步骤 解题步骤 * * 本次课主要内容 动量方程式及其应用 一、动量方程能解决运动流体中的什么问题 N-S方程根据牛顿第二定律导出 N-S方程是微分形式,积分可以得到流场中的压强、速度分布,进而得到流体受力F。 很难得到 把牛顿第二定律改写 并用之于具有一定质量的流体质点系,由于各个质点速度不尽相同,故质点系的动量定理为 作用在质点系上的总外力就不必通过分布压强的积分,而是通过求质点系动量变化率的办法计算出来,开辟了求解流体动力学问题的新途径。 由于各个质点速度不尽相同,似乎要计算质点系的动量变化率采用拉格朗日法比较适宜,由于运动的复杂性,很困难。 质点系占据一定的空间,取这个空间为控制体,把拉格朗日法表示的动量变化率改换成用欧拉法表示,这样就容易求的作用在控制体内流体质点系上的外力。 取控制体的时候注意: 控制表面一部分与固体壁面重合,按照作用力与反作用力大小相等方向相反的原则,也就求出了流体质点系对固体壁面的作用力。 二、用欧拉方法表示的动量方程式 在流场中,选择控制体(固定)如图中虚线所示,一部分与固体边界重合,(为什么这么选?) 在某一瞬时t,控制体内包含的流体是我们要讨论的质点系,设控制体内任一质点的速度为v, 密度为?。在t瞬时的初动量为: 经过?t,质点系运动到实线位置,这个质点系在t+?t 瞬时的末动量为: 原来质点系尚留在控制体中的部分及新流入控制体的总动量。 (I)部分通过A1面非原质点系的流入动量 (II)部分通过A2面流出的动量 对于控制体的全部控制面A: 这就是用欧拉方法表示的动量方程式,这个方程式既适用于控制体固定的情况,也适用于控制体运动的情况。在运动时需将速度v换成相对速度,并在控制体上加上虚构的惯性力。 动量方程式中,需注意 是作用在控制体内质点系上的所有外力的矢量和,既包括控制体外部流体及固体对控制体内流体的作用力(压力、摩擦力),也包括控制体内流体的重力。 2. 控制体内流体动量对时间的变化率,当流动为定常时,此项为零。是由于控制体内流体动量随时间变化而产生的一种力。 3. 是单位时间内控制体流出、流入的净动量,即流出、流入动量之差,是流出动量与流入动量不等而产生的力。 末动量 初动量 特例:常见的定常、不可压缩、一元流动时,方程式可以简化的很简单。 如图所示,把流线方向取为自然坐标s,取如图控制体,则总控制面上只有A1,A2上有动量流入流出,假设断面上平均速度为v1,v2,则在定常不可压缩情况下, 为0 在三个坐标轴上的投影式为 本书应用的公式 式中 为用平均速度计算动量而引起的动量修正系数, 1、受力对象:动量方程式的受力对象是流体质点系。 对于遇到的问题:方程左边的外力一般只包括 (1)管壁对流体的作用力F; (2)截面上流体的表面力p1A1,p2A2。 (3)控制体内流体的重力(重力经常可以忽略) 对(1)(2)(3)在坐标方向求合力即可 对于方程右侧的动量变化率:只要知道两截面上的平均速度和流量就可以计算出来。 是外界作用在流体上的力。如果实际问题要求流体对固体的作用力,则相应的应加以负号。 使用时要注意以下几点: 2、外力和速度的方向问题。与坐标相同时为正,与坐标相反时为负。公式右边的减号是固定的。 1、流体对管道的作用力问题 2、自由射流的冲击力问题 1、流体对管道的作用力问题—动量方程式的应用之 取1-1、2-2断面及弯管内表面为流管控制体,作用在流体质点系的总外力包括 假定管道在水平平面内或者重力可以不加考虑,动量修正系数为1 X方向: 管壁对流体的作用力 则,X方向上流体所受合力为 对于y方向同样得到 X方向上流体速度合分量为 表面力: 根据动量定理,得到x方向的动量方程 解方程组得到 这是流体对任意变径弯管的作用力的计算公式,对其求合力得到 要注意力的方向。 弯管多种多样,下面介绍几个特例 【特例1】直角变径弯管 代入公式 得: 【特例2】直角等径弯管 【特例3】:反向等径弯管 【特例4】逐渐收缩管 【特例5】等径直管 等径直管中流体对管道的作用力FRx实质上就是作用在管壁上的摩擦力,用力FRx处以管壁面积 ,可得管壁上的平均切应力 说明:只有测出相距为L的两断面上的压强差,切应力和摩擦力都可以计算出来

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