[工学]流体力学讲义.doc

建国60周年最具影响力远程教育品牌、最具诚信网络教育机构、十佳网络教育机构 自考 | 会计从业资格 | 会计职称 | 注册会计师 | 计算机等级考试 | PETS 流体力学串讲课程介绍一、课程的设置、性质及特点流体力学课程是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的分支学科，是全国高等教育自学考试建筑工程专业必考的一门专业基础课。本课程的学习目的在于使学生掌握流体运动的基本概念、基本理论和基本计算方法。促使学生在掌握物理概念的基础上注重理论联系实际，具备对简单系统进行定性分析的能力，学以致用，为认识建筑工程与大气和水环境的关系，从事技术工作的适应能力和创新能力打下基础。考试中的题型规范有序，试题难度降低，三大守恒定律贯穿考题，学员在学习的过程中要熟练掌握教材中典型的例题。本课程的性质及特点：1建筑工程专业的一门专业基础课，为后续专业课学习及实际应用打下了必要的基础； 2本课程的理论基础部分是前四章，分别是绪论、流体静力学、流体动力学基础、流动阻力和水头损失，其余各章是基础理论在各典型流动条件下的应用，分别是孔口、管嘴出流和有压管流、明渠流、堰流、渗流等，三大守恒定律贯穿整个教材。二、教材的选用本课程所选用教材是全国高等教育自学考试指定教材，该书由刘鹤年教授主编，武汉大学出版社出版（2006版）。三、章节体系 1本书可以从基础理论知识和各种典型流动条件的实际应用两方面来讲解： （1）基础理论知识介绍：第一章 绪论（流体力学概述、作用在流体上的力及流体的主要物理性质）第二章 流体静力学（静压强的特性、静压强的分布规律以及作用在平面上和作用曲面上的静水总压力的计算）第三章 流体动力学基础 （流体运动的描述、欧拉法的概念以及应用连续性方程、能量方程和动量方程分析计算总流运动）第四章 流动阻力和水头损失（粘性流体的两种流态，及各自在管道或渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法）（2）典型流动条件的实际应用：第五章 孔口、管嘴出流和有压管流（孔口、管嘴出流和有压管流的水力特点，基本公式及水力计算，有压管流中的水击现象）第六章 明渠流动（明渠流动的特点，明渠均匀流的水力计算和棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线分析）第七章 堰流（堰流的水力特征，各种堰型的特点及水力计算）第八章 渗流（渗流的基本概念及普通井和自流井的水力计算）最后一章是量纲分析和相似原理，要点是量纲和谐原理和量纲分析方法、相似准则及模型试验。考情分析一、历年真题的分布情况（一）知识点分布从近几年真题试卷来看，考试内容覆盖了教材九章的全部内容。单选题和填空题覆盖面最广，基本上每章都能涉及，主要依据知识点的可考性而定。名词解释题主要是考查学生掌握基本概念的能力。名词解释意在掌握教材中的典型概念。简单应用题是对教材中简单的流动条件下的实际应用的计算和作图。计算题每年出题的章节不一样，占有30%的分量，但主要是连续性方程、能量方程及动量方程解决典型流动条件下的实际应用。从整体来看，教材9章内容知识点分布不均匀，重点章节也是考点最多的主要分布在第2章，第3章，第4章，第5章，第6章，第1章、第7章、第8章及第9章相对来说是知识点考查较少，计算大题不常见，但往年也涉及到。结论：在全面阅读教材的基础上，掌握重点章节内容，着重掌握连续性方程、能量方程及动量方程解决典型流动条件下的实际应用。（二）试题难度从试题难度来看，可以分为易、较易、较难和难四个等级。试卷中不同难度试题的分数比例一般为2:3:3:2。对于重点知识每年都会重复出现，只是以不同的形式，或者考查不同的内容。虽然每年均有偏题出现，一般是属于课程涉及的较细的内容，但所占比例较低，属于正常情况。总体而言，试题难度中等。二、历年真题结构分析及答题技巧（一）单选题（10题×2分=20分）基础理论知识（2011：1-4）例：4输油管道直径为0.1m，流动为层流状态，实测管轴流速0.8m/s，通过的流量为（）A0.314L/sB0.628L/sC3.14L/sD6.28L/s【答案】C【解析】知道圆管中的层流运动，过流断面上流速呈抛物线分布，所以平均流速是最大流速的一半，公式，答案是C。典型流动条件的实际应用例：5从水管末端突然关阀开始，水击波传播过程中，四个阶段的传播波依次是（）A增压、减压、减压、增压 B减压、增压、减压、增压C增压、减压、增压、减压D减压、增压、增压、减压【答案】A【解析】有压管道中水击波的传播过程。第一阶段，增压波从阀门向管道进口传播，处于增压状态；第二阶段，减压波从管道进口向阀门传播，处于减压状态；第三阶段，减压波从阀门向管道进口传播，处于减压状态；第四阶段，增压波从管道进口向阀门传播，处于增压状态。例：9当堰上水头H=0.050.25m时，顶角为90°的三角形薄壁堰的流量Q与H的关系是（ ）A.Q H1.0B.Q H1.5C.Q H2.0D.Q H2.5【答案】D【解析】当用矩形薄壁堰量测流量时，为小流量时，堰上水头很小，不宜准确测量，需要采用三角形堰。顶角，三角薄壁堰的流量可以按下式计算：当时，当时，计算公式和宽顶堰一样。单选题的解题技巧：要求考生能够对教材中的重要知识点诸如定义、基本概念、性质、主要公式、重要结论等有清晰准确的认识，并能做出正确的选择来解决此部分考题的问题。（二）填空题（10题×2分=20分）更多的是性质、主要公式、重要结论的分析和简单计算的考核。14流体由直管流入断面很大的容器时，其局部水头损失系数=_。【答案】1【解析】突然扩大管的局部水头损失系数：或，流体由管道流入很大的容器时，作为突然扩大管的特例，17水力最优梯形断面的水力半径Rh与水深h的比值为_。【答案】1/2【解析】明渠均匀流中，在任何边坡系数m的情况下，水力最优梯形断面的水力半径Rh为水深h的一半。填空题的解题技巧：结论，答题能否正确，关键还是对课程内容和基本概念的把握程度。对教材中基本知识点把握，将教师提示的易考点掌握即可解决此难点。（三）名词解释（5题，计15分）分布于大纲中需要领会、识记、简单应用和综合应用的内容；24.简单管道【答案】沿程直径不变、流量也不变的管道称为简单管道。【解析】P128,不仅要知道长管的定义，还要知道长管的水力计算，知道哪种现象属于长管。（四）简答题（3题，计15分）简答题：更多的是来自于大纲第3章、第7章、第8章、第9章中的领会、识记、简单计算求流量和流速的题。26如图所示输水管经三通管分流。已知管径分别为d1=200mm、d2=100mm和d3=150mm,断面平均流速分别是v1=2m/s和v2=1.5m/s，试求断面平均流速v3.【答案】 m/s【解析】该题考查的是流量的概念和连续性方程。利用连续性方程，又知并联管路中，即，圆管的面积，把已知条件带入上式得出 m/s。简单题的解题技巧：不要止步于听明白的阶段，还要善于理解情况下的归纳。（五）计算题（3题×10分=30分）30.图示为压力输水管道的渐变段。已知管道直径分别为d1=1.5m，d2=1.0m，压力表读数pM=300kPa，流量Q=2.5m3/s，若不计水头损失，试求渐变段支座受到的轴向力。解：根据已知条件，应用连续性方程，可以得出两个断面的流速为m/s，m/s。取1-1，2-2断面列伯努利方程为：（其中，）得到应用动量方程：解出计算题的解题技巧：熟练掌握连续性方程、能量方程及动量方程。每年的试卷都有此类计算大题，而且三大守恒方程贯穿整个教材和大纲，要明确透彻而且会分析应用。要求多练习。三、学习方法1.对这门课程学习之前要对教材浏览一遍，了解学习的大致内容及结构，以便在今后的学习工程中相互联系。在学习时要做好笔记来加强记忆，还要积极思考，同时结合相关辅导书的练习题，做完题要注意分析总结，巩固所学的知识，考生一定要以考试大纲和教材作为学习的依据，掌握教材的知识点，从历年命题特点看，抓住教材是根本。2. 合理安排复习时间，“趁热打铁”，当天学习的功课当天必须复习，要巩固复习，一定要克服不看书复习就做作业，把书当成工具书查阅的不良习惯。广泛采用综合复习方法，即通过找出知识的左右关系和纵横之间的内在联系。综合复习具体可分“三步走”：首先是统观全局，浏览全部内容，通过唤起回忆，初步形成完整的知识体系印象，其次是加深理解，对所学内容进行综合分析，最后是整理巩固。3.最后把课本从头到尾精读三遍，遍布教材的每一个角落，甚至是认为不太重要的细节问题都是考点，进行识记，然后把重要的知识点在脑海中过滤一遍，争取做到“张口就来”，达到把书学薄，在学厚的境界。内容串讲第一部分 理论基础知识（Ch14）第一章 绪论常见考点1.流体的基本特征2.流体的连续介质假设3.作用在流体上的力4.流体的主要物理性质第一节 流体力学及其任务1.流体的基本特性具有流动性，是流体区别固体的特征。2.连续介质假设（考点1）连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来研究，这里所说的质点是指大小同所有流动空间的相比微不足道，又含有大量分子，具有一定质量的流体微元。【例题·填空题】连续介质假设是（ ）【答案】连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来研究。【解析】按照连续介质假设，流体中的物理量都可以视为空间坐标和时间变量的函数。第二节 作用在流体上的力1.作用在流体上的力（考点2）：（1）表面力，分别是剪应力和压应力（2）质量力，重力是常见的质量力，惯性力也归为质量力。单位质量力：如作用在流体上的质量力只有重力，此时单位质量力为g，方向向下。【例题·单选题】下列属于质量力的是（ ）A.剪切力B.压力C.重力D.表面张力【答案】C 【解析】该题考查质量力包含的内容。质量力，重力是常见的质量力，惯性力也归为质量力。如作用在流体上的质量力只有重力，此时单位质量力为g，方向向下。第三节 流体的主要物理性质流体的主要物理性质包括：惯性，粘性及压缩性和膨胀性。1.惯性水的密度为1000 kg/m3，水银的密度为13600kg/m3，0空气的密度为1.29 kg/m3。2.牛顿内摩擦定律（粘性定律）（考点3）流体内部相邻流层间存在着剪切力，即内摩擦力这就是粘性的表象。粘性是流体的内摩擦特性。动力粘性系数：是反映流体粘滞性大小的系数。单位： Pa·s运动粘性系数：/ 物理单位： m2/s dyyudu牛顿内摩擦定律（粘性定律）：流体的内摩擦力T 与流速梯度成比例，与流层的接触面积A成比例，与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。即以应力表示为：液体运动时，流体因粘性产生的内摩擦力与微团的剪切变形速度成正比。【例题·单选题】如下图所示，一平板在油面上作水平运动。已知平板运动速度=lms，平板与固定边界的距离为=5mm，油的动力粘度=0.1Pa·s，则作用在平板单位面积上的粘滞阻力为（ ）A.10paB.15PaC.20PaD.25Pa【答案】C 【解析】该题考查的是牛顿内摩擦定律的内容。牛顿内摩擦定律，因为油层内流速分布按直线分布，故 Pa正确答案是C选项。【例题·填空题】粘性是（ ）【答案】粘性是流体在运动过程中出现阻力，产生机械能损失的根源，粘性是流体的内摩擦特性。粘性是对流体运动有重要影响的固有属性。 【解析】该题考查的是粘性的定义。粘性是流体的内摩擦特性。粘性是对流体运动有重要影响的固有属性。 粘度的影响因素   （1）液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以m值减小。（2）气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以m值增加。3.压缩性和膨胀性（1）液体的压缩性和膨胀性压缩系数： m2/N体积V的变化可用密度的变化代换： 体积模量K：体积压缩系数的倒数 膨胀性：液体体积随温度升高而增大的性质膨胀系数 1/水的压缩性和膨胀性都很小，压强增加一个大气压，体积压缩率约为1/20000；在常温（10-20）下，温度升高1，体积膨胀率约为1.5/10000。（2）气体的压缩性完全气体状态方程 pvRT， R=8314/M(J/kgK),空气的气体常数287J/kg·K。【例题·单选题】不可压缩流体的特征是（ ）A.温度不变B.密度不变C.压强不变D.粘度不变【答案】B 【解析】该题考查的是不可压缩流体。不可压缩流体，是指流体的每个质点在运动全过程中，密度不变化的流体。对于均质的不可压缩流体，密度时时处处都不变化，即为常数。所以正确答案是B选项。第二章 流体静力学常见考点1.静止流体中应力的特性2.液体静压强的分布3.液柱式测压计4.作用在平面上的静水总压力5.作用在曲面上的静水总压力第一节 静止流体中应力的特性1流体在静止状态下的力学规律，此时流体中只存在压应力。【例题·单选题】流体在静止时()A既可以承受压力，也可以承受剪切力B既不能承受压力，也不能承受剪切力C不能承受压力，可以承受剪切力D可以承受压力，不能承受剪切力【答案】D 【解析】该题考查的是静止流体的受力。流体静止状态下，流体中只存在压应力，所以正确答案是D选项。2.流体静压强的特性（1）流体静压强的方向沿作用面的内法线方向。流体具有易流动性，不能承受拉应力、切应力。（2）平衡流体中，沿各个方向作用于同一点的静压强的大小相等，与作用方向无关。即： p=p(x,y,z) px=py=pz=p第二节 流体平衡微分方程1. 流体平衡微分方程（即欧拉平衡微分方程）： 物理意义：静止流体中，各点单位质量流体所受的表面力与质量力彼此相等。2. 等压面：流体中压强相等的空间点构成的面。通过平衡微分方程的综合式证明等压面与质量力正交。当质量力只有重力时，等压面是水平面；若除重力之外还有其它质量力作用，则等压面是与质量力的合力正交的非水平面。第三节 重力作用下液体静压强的分布（考点4）1.流体静力学基本方程p=p0+gh特性：（1）静压强的大小与液体的体积无关。（2）两点的压强差，等于两点之间单位面积垂直液柱的重量。（3）处于平衡状态下的不可压缩流体中，液体内任意一点压强的变化，等值地传递到其他各点，即帕斯卡原理。2、压强的度量（1）绝对压强：是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准计量的压强。（2）相对压强：是以当地大气压强为基准而计算的压强。可“”可“ ”，也可为“0”。（3）真空度：指某点绝对压强小于大气压强的数值。注意：计算时若无特殊说明，均采用相对压强计算。【例题·填空题】绝对压强与相对压强之间相差一个_大气压。【答案】当地 【解析】该题考查的是压强的度量。（1）绝对压强：是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准计量的压强。（2）相对压强：是以当地大气压强为基准而计算的压强。所以答案是当地。【例题·填空题】露天水池中，水面下0.6m深度处的相对压强为（    ）A.0.60KpB.1.47kPaC.2.94kPaD.5.88kPa【答案】D 【解析】该题考查的是流体静力学基本方程p=p0+gh的应用及压强的度量。露天水池，水面的相对压强为0，依据流体静力学基本方程p=p0+gh=0+1000Kg/m3×9.8m/s2×0.6m=5.88kPa。静压水头面ABZAp'A/ZBpB/测压管水头面pa/3、流体静力学基本方程的几何意义与能量意义位置水头z ：几何意义是任一点在基准面0-0以上的位置高度。物理意义是单位重量流体具有的相对于基准面的重力势能。静压高度：表示某点液体在相对压强p作用下能够上升的高度。 物理意义是单位重量流体所具有的压强势能。测压管水头：位置水头与测压管高度之和，即测压管水头。物理意义是静止流体中单位重量流体的总势能。【例题·填空题】液体静力学基本方程z+=C的物理意义是静止液体中各点单位重量流体具有的（ ）相等。【答案】总势能 【解析】该题考察的是静力学基本方程的各项参数的意义，测压管水头：位置水头与测压管高度之和，即测压管水头。物理意义是静止流体中单位重量流体的总势能。第四节 测量压强的仪器1、液体式测压计（1）测压管（2）U形管测压计（考点5）适用范围：用于测定管道或容器中某点流体压强，通常被测点压强较大。（3）倾斜式微压计（4）为提高量测精读时使用。2、金属压力表用于测量较大压强，使用方便。读数为相对压强【例题·单选题】如图所示，密闭容器上装有U型水银测压计。在同一水平面上1、2、3点上的压强关系为()Ap1=p2=p3Bp1p2p3Cp1p2p3Dp1p2=p3【答案】C【解析】该题考查的是U形管测压计及流体静力学基本方程p=p0+gh的应用。由图中可以看出点3的压强要小于点2的压强，点2的压强和容器中水平面的压强是一样的，所以点2的压强小于点1的压强，正确答案是C。【例题·计算题】如题26图所示，用真空计B测得封闭水箱液面上的真空度为0.98kPa，若敞口油箱的液面低于水箱液面的高度H=1.5m，油柱高h1=5.6m，水银柱高h2=0.2m，求油的密度。【答案】由题意知kPaPa 取等压面MN kg/m3第五节 作用在平面上的静水总压力（考点6）1.图算法P=Sb绘出压强分布图，静水总压力的大小等于平面上各点静水压强的总和，因此等于压强分布图的面积S乘以受压面的宽度b。总压力的作用线通过压强分布图的形心，作用线与受压面的交点就是总压力的作用点。2.解析法：受压面形心的淹没深度A：受压面的面积：受压面形心到ox轴的距离结论：静止液体作用于任意形状平面壁上的总压力P，大小等于受压面面积A与其形心处的静水压强之积，方向为受压面的内法线方向。设压力作用点D到x轴的距离为yc，则： 式中：Ic受压面积绕其形心轴的面积二次矩。第六节 作用在曲面上的静水总压力（考点7）实际的工程曲面，如圆柱形水池壁面、圆管壁面、弧形闸门以及球形容器等，多为二向曲面或球面。作用在二向曲面上的总压力是平面汇交的分布力的合力。1.曲面上的总压力（1）作用在曲面上的静水总压力的水平分力等于作用在该曲面的铅垂投影面上的压力。作用在曲面上的静水总压力的铅垂分力等于压力体的重量。总压力 总压力的作用线与水平面夹角： 总压力的作用点：过Pz作用线和Px的作用线得交点，作于水平面成角的直线线，即为P的作用线，该作用线与曲面的交点即为总压力的作用点。（2）压力体：某一曲面之上的液体体积。压力体体积的组成：（1）受压曲面本身；（2）通过曲面周围边缘所作的铅垂面； （3）自由液面或自由液面的延长线。压力体的种类：实压力体（正压力体）和虚压力体（负压力体）。实压力体充满液体，Pz方向向下； 虚压力体不为液体充满，Pz方向向上。         【例题·计算题】如图所示开口盛水容器，容器壁上设有半径R=0.4m的半球盖AB已知球形盖中心点的水深h=1.6m，不计半球盖自重，试求半球盖连接螺栓所受的总拉力和总切力。(球体体积公式为)【答案】（1）连接螺栓所受总拉力，即半球盖所受静水总压力的水平分力kN（2）连接螺栓所受总切力，即半球盖所受静水总压力的铅垂分力kN【例题·计算题】如下图所示，在蓄水容器垂直壁的下面有一14圆柱面的部件AB，该部件的长度l=1.0m，半径R=0.4m，水深h=1.2m，试求作用在部件AB上的静水总压力，要求绘制水平分力的压强分布图和铅垂分力的压力体图。 【答案】水平分力mm2水平分力N（）水平分力的压强分布图如答图所示压力体如答上图所示m3铅垂分力N（）合力大小N合力P方向与水平方向的夹角第三章 流体动力学基础常见考点1.流体运动的描述2.欧拉法的基本概念3.连续性方程4.伯努利方程5.动量方程第一节 流体运动的描述1、拉格朗日法拉格朗日法：以流场中每一流体质点作为描述对象的方法，它以流体个别质点随时间的运动为基础，通过综合足够多的质点（即质点系）运动求得整个流动。质点系法2、欧拉法（考点8）                  欧拉法是以流体运动的空间点作为观察对象，即以流场作为描述对象研究流动的方法。流场法要点：1、分析某固定位置处，流体运动要素随时间的变化规律； 2、分析由某一位置转移到另一位置时，运动要素随位置变化的规律。流场运动要素是时空（x,y,z,t）的连续函数：速度投影：    （x,y,z,t）欧拉变数欧拉加速度 流体的压强、密度也可表示为：p=F4(x,y,z,t)， =F5(x,y,z,t) 因欧拉法较简便，是常用的方法。第二节 欧拉法的基本概念1.流线和迹线（1）迹线：某一质点在某一时段内的运动轨迹线。烟火的轨迹为迹线。（2）流线：表示某时刻流动方向的曲线，曲线上各质点的速度矢量与该曲线相切。流线的性质a.同一时刻的不同流线，不能相交。b.流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。c.流线的疏密反映了速度的大小（流线密集的地方流速大，稀疏的地方流速小）。2.流管、流束、总流流管：在流场中取任一封闭曲线（不是流线），通过该封闭曲线的每一点作流线，这些流线所组成的管状空间。管内外的流体质点不能交流。流束：流管中的流体。微元流束：流管的横截面积为微元面积时的流束。总流：由无限多微元流束所组成的总的流束。3过水（流）断面：与某一流束中各条流线相垂直的截面，称为此流束的过水断面。即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的横断面，如图1-1，2-2断面。4.流速 （1）点速u：某一空间位置处的流体质点的速度。 （2）均速v：同一过水断面上，各点流速u对断面A的算术平均值。 微元流束的过水断面上，可以中心处的流速作为各点速度的平均值。5.流量 Q 单位时间内通过某流束过水断面的流体体积。 总流 Q=QdQAudA 【例题·填空题】流量是（ ）【答案】表示单位时间内通过某流束过水断面的流体体积。【解析】该题考查的是流量的定义。单位时间内通过某流束过水断面的流体体积。 那么总流是Q=QdQAudA。第三节 连续性方程（考点9）1.流动的分类（1）恒定流和非恒定流恒定流：以时间为标准，若各空间点上的运动参数（速度、压强、密度）都不随时间变化，这样的流动是恒定流，反之是非恒定流。例如水箱出流，水位H保持不变的是恒定流，水位H随时间变化的是非恒定流。（2）一元、二元和三元流动空间点上的运动参数主要是速度是三个空间坐标和时间变量的函数，即该流动是三元流动。运动参数只是两个空间坐标和时间变量的函数为二元流动。（水流绕过很长的圆柱体，忽略两端的影响）运动参数只是一个空间坐标和时间变量的函数为一元流动。（例管道和渠道内的流动）2.不可压缩流恒定流动或非恒定流动连续性方程当为不可压缩流时，有=常数，则：     不可压缩流体流动时，流速在x、y、z轴方向的分量沿其轴向的变化率，互相约束。物理意义：不可压缩流体单位时间内流入单位空间的流体质量（体积），与流出的流体质量（体积）之差等于零。3.恒定总流的连续性方程Q1=Q2 或 物理意义：对于保证连续流动的不可压缩流体，过水断面面积与断面平均流速成反比，即流线密集的地方流速大 ，而流线疏展的地方流速小。【例题·计算题】如图所示输水管经三通管分流。已知管径分别为d1=200mm、d2=100mm和d3=150mm，断面平均流速分别是v1=2m/s和v2=1.5m/s，试求断面平均流速v3.【答案】 m/s【解析】该题考查的是流量的概念和连续性方程。利用连续性方程，圆管的面积，把已知条件带入上式得出 m/s。第四节 元流的伯努利方程1. 无粘性流体的伯努利方程无粘性流体的伯努利方程的应用条件是无粘性、恒定流动、质量力只有重力及不可压缩的情况下。 2.粘性流体运动的伯努利方程则： 各项物理意义和几何意义：z 单位重量流体具有的位能（位置水头）    单位重量流体具有的压能（压强水头、测压管高度）   v2/2g单位重量流体具有的动能（速度水头）  z+p/单位重量流体具有的总势能（测压管水头）  单位重量流体具有的总能（总水头）  hl单位重量流体产生的水头损失或能量损失。第五节 总流的伯努利方程（考点10）1.均匀流及其性质均匀流：流线为平行直线的流动。均匀流的性质：（1）过流断面是平面，面上各点的速度方向平行。（2）均匀流中，同一流线上各点的速度相等，断面平均速度相等。（3）均匀流同一过流断面上，动压强的分布规律与静压强分布规律相同。即：同一过水断面上各点：2. 非均匀渐变流和急变流不均匀流动：过水断面的大小、形状或方位沿流程发生了急剧的变化。流线不是平行直线。渐变流的过水断面可看作是平面；渐变流的加速度很小，【例题·填空题】均匀流是（ ）【答案】流线为平行直线的流动。【解析】该题考查的是均匀流的概念。流线为平行直线的流动。例题：实际流体在等直管道中流动，在过流断面1，2上有A，B，C点，则下面关系式成立的是： B A.     B.   C. D.  【答案】B。【解析】该题考查的是均匀流的性质。参考教材60页。3、总流伯努利方程单位重量流体总流的能量变化规律：式中：Z总过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体具有的位能（位置水头）； 总过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体具有的压能（压强水头、测压管高度）； 总过流断面上单位重量流体的平均动能，（平均流速高度）；总流两过流断面间单位重量流体的平均的机械能损失。总流伯努利方程应用条件：（1）恒定流动；（2）不可压缩流体；（3）质量力只有重力；（4）所选取的两过水断面必须是缓变流断面，但两过水断面间可以是急变流。（5）两过水断面间除了水头损失以外，总流没有能量的输入或输出。（6）式中各项均为单位重量流体的平均能。注意：（1）气流的伯努利方程：，但是气流而言，“水头”没有那么直观实用，进行气流计算时，上式通常改写成压强的形式，其中是压强损失。当以相对压强来表示是：（2）当hl0时，即得不可压缩无粘性流体的总流伯努利方程：（3）两过水断面间有能量输入或输出时，可用±E表示（输入为正，输出为负）。 方程可写为：（4）压强可用绝对压强，也可用相对压强，但两侧必须一致。伯努利方程的解题步骤：（1）选择基准面:基准面可任意选定，但应以简化计算为原则。例如选过水断面形心（z=0），或选自由液面（p=0）等。（2）选择计算断面：计算断面应选择缓变流断面，并且应选取已知量尽量多的断面。（3）选择计算点：管流通常选在管轴上，明渠流通常选在自由液面。对同一个方程，必须采用相同的压强标准。（4）列伯努利方程解题：  注意与连续性方程的联合使用。【例题·单选题】在总流伯努利方程中，压强P是渐变流过流断面上的()A某点压强B平均压强C最大压强D最小压强【答案】A。【解析】该题考查的是元流伯努利方程中各项参数的物理意义和几何意义。 总过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体具有的压能（压强水头、测压管高度）。4.伯努利方程的应用（1）毕托管测量运动流体中某点流速的仪器当水流受到迎面物体的阻碍，被迫向两边（或四周）分流（如图a）时，在物体表面上受水流顶冲的A点流速等于零，称为停滞点（或驻点）。在停滞点处水流的动能全部转化为压能。毕托管（图b）就是利用这个原理制成的一种量测流速的仪器。图a 图b测点流速： (图b)考虑流体粘性及毕托管加工精度的影响，加以修正： 式中：流速系数（2）文丘里流量计测量管路中流体流量的设备。它由渐缩管A、喉管B、渐扩管C和压差计组成。压差计中的工作液体与被测液体或相同，或不同，测量大压差常用水银作为工作液体。设已知管流流体为水，管径d1,d2及压差计的水头差h。则可确定通过的流量Q。理想情况下的流量为：实际流量 式中,文丘里流量计的流量系数（实际流量与理想流量的比值）。【例题·填空题】应用皮托管测量A点流速，若两测压管液柱差为h，则A点流速为uA=_。【答案】【解析】该题考查的是伯努利方程的应用，测点流速： 考虑流体粘性及毕托管加工精度的影响，加以修正： 式中：流速系数。第六节 总流的动量方程（考点11）1.动量定理：作用在控制体内流体上的外力=单位时间控制体流出的动量与流入动量只差。适用范围：（1）粘性流体、非粘性流体的不可压缩定常流动。              （2）选择的两个过水断面应是缓变流过水断面，而过程可以不是缓变流。 （3）质量力只有重力              （4）沿程流量不发生变化动量方程的解题步骤:（1）选分离体  根据问题的要求，将所研究的两个缓变流断面之间的水体取为分离体；   （2）选坐标系  选定坐标轴的方向，确定各作用力及流速的投影的大小和方向；    （3）作计算简图  分析分离体受力情况，并在分离体上标出全部作用力的方向；    （4）列动量方程解题    将各作用力及流速在坐标轴上的投影代入动量方程求解。注意：a.计算压力时，压强采用相对压强计算。B.与能量方程及连续性方程的联合使用。2、动量方程的应用（1）液流对弯管壁的作用力垂直设置的渐缩弯管，液体以速度v1流入11断面，以速度v2从22断面流出。弯管中11及22断面间的流体为分离体，其重量为G，弯管对分离体的作用力为R。取坐标如图所示。 液体作用于弯管上的力，与R大小相等，方向相反。（2）水平射流对固体壁的冲击力液流处于同一大气压强之下，；水平射流，不急水头损失，分别取0-0,1-1,2-2断面列伯努利方程得，所以作用于流体上的力只有固体壁对射流的阻力。 取平板法线方向为x轴方向，向右为正，则在x轴向有：即：射流对平板的冲击力即为与R大小相等、方向相反的。若平板沿射流方向以速度u移动，则射流对该平板的冲击力为： （3）射流的反推力容器侧壁开孔，面积为A。出流速度,x轴向动量变化率为Qv=Av2，即容器对流体的作用力在x轴向的投影RxAv2。射流对容器的反推力与Rx大小相等、方向相反。【例题·填空题】如下图所示的分岔管水流射入大气，干管及分岔管的轴线处于同一水平面上。已知=30°，v2=v3=12ms，d1=200mm，d2=d3=100mm，不计水头损失，求水流对分岔管的作用力。解：m3/sm3/sm/s列断面1-1和2-2的伯努利方程，有kPa取断面1-1和2-2、3-3之间的水位控制体，设Fx为分岔管对水流的作用力。列ox方向动量方程，有代入数据得kN（）水流对分岔管得作用力与Fx大小相等，方向相反。【例题·计算题】如图所示，管道内水流经水平对称分岔管道流入大气。已知流量Q=0.2m3/s，干管直径dl=300mm，支管直径d2=d3=100mm，分岔角，不计水头损失，试求水流对分岔管的作用力。【答案】m/sm/s对1-1和2-2断面应用总流伯努利方程，有kPa 选1-1、2-2和3-3断面间水体所占据的空间为控制体，设分岔管对水的作用力为，应用总流动量方程，取，有 kN水流对分岔管得作用力与分岔管对水流的作用力大小相等，方向相反，即kN，【解析】以上两题考查的是三大能量方程的应用。这类计算题每年都会考察。第四章 流动阻力和水头损失常见考点1.流动阻力和水头损失的分类2.粘性流体运动的两种流态3.沿程水头损失和剪应力的关系4.圆管中的层流运动5.紊流运动6.紊流的沿程水头损失7.局部水头损失8.边界层概念和扰流阻力第一节 流动阻力和水头损失的分类（考点12）实际流体具有粘性，流体内部流层之间因相对运动，形成流动阻力。1.沿程阻力：在边界沿程无变化（边壁形状、尺寸、流动方向均无变化）的均匀流段上，产生的流动阻力，该阻力称为沿程阻力。沿程损失hf：由沿程阻力作功而引起的能量损失或水头损失。2.局部阻力：在边界沿程急剧变化，流速分布发生变化的局部去端上，集中产生的流动阻力。局部损失hr：由局部阻力作功而引起的水头损失。第二节 粘性流体的两种流态1、两种流态（考点13）层流：流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。特点：（1）有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。（2）粘性