一、流體運(yùn)動(dòng)的分類
流體運(yùn)動(dòng)按時(shí)間、流速的大小和方向,以及接觸壁面情況可分:恒定流和非恒定流,均勻流和非均勻流,有壓流和無壓流,及射流。
(一)根據(jù)運(yùn)動(dòng)要素(流速和壓強(qiáng))與流動(dòng)時(shí)間情況分類
(1)恒定流。流場(chǎng)中各處所有的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化,而僅與空間位置有關(guān)的流體運(yùn)動(dòng)稱恒定流,如水箱水位不變的水流運(yùn)動(dòng)。
(2)非恒定流。流體各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化的運(yùn)動(dòng)稱非恒定流,如水箱水位變化的水流運(yùn)動(dòng)。非恒定流的情況較復(fù)雜,在工程中有時(shí)把非恒定流作為恒定流來處理。例如,水塔中的水位變化緩慢,它與水塔高度(30m)相比較,水塔中水位的變化值對(duì)下面水管中的壓力和流速的變化影響較小的話,就可看作恒定流。這種處理方法,只要不影響工程的精確度往往是允許的。
(二)根據(jù)流體流速變化情況分類
(1)均勻流。流速的大小和方向不隨路程而改變的流動(dòng)稱均勻流。這種穩(wěn)定流動(dòng)的流線相互平行的直線,在等直徑長(zhǎng)管的中間段及水深不變的順直渠道的恒定流動(dòng)屬均勻流。
(2)非均勻流。流體過流斷面沿流程改變或流動(dòng)方向變化,使流速的大小和方向隨路而變化的流動(dòng)稱非均勻流。在管道上擴(kuò)大或轉(zhuǎn)彎處的水流運(yùn)動(dòng)屬非均勻流。在非均勻流中,若流線曲率很小、流線間的夾角也很小,流線幾乎是平行的且接近直線時(shí)稱漸變流,過流斷面可認(rèn)為是平面;不能滿足漸變流條件的非均勻流即為急變流。
(三)按流體運(yùn)動(dòng)接觸的壁面情況分類
(1)有壓流。流體過流斷面的周界為壁面包圍,沒有自由表面,流體在壓力下流動(dòng)稱有壓流或壓力流。一般給水管道、供熱管道均為壓力流。
(2)無壓流。流體過流斷面的壁和底為壁面包圍,具有自由表面稱無壓流(重力流)。例如,天然河道的流動(dòng)和排水管(非滿流)中的流動(dòng)是在重力作用下并具有自由表面的流動(dòng)屬無壓流。
(3)射流。流體經(jīng)孔口或消火栓的管嘴噴射到某一空間,由于運(yùn)動(dòng)的流體脫離了原來限制它的固體邊界,在充滿流體的空間繼續(xù)流動(dòng)的這種流體運(yùn)動(dòng)稱射流。如水經(jīng)孔口射入大氣的水流運(yùn)動(dòng)。
二、恒定總流連續(xù)性方程
設(shè)有一水箱,其水面高度保持不變,水箱側(cè)面用不同的直徑管道連接起來(圖6-3-4),當(dāng)閘門打開時(shí),水不斷地流動(dòng),取斷面面積A1及A2之間的一段液流進(jìn)行研究。因液流是恒定流,不可壓縮(ρ=c)的連續(xù)的流動(dòng),經(jīng)過dt時(shí)間后從1-2段的位置移動(dòng)到1'-2'段的位置,設(shè)斷面1的平均流速為v1,經(jīng)過dt時(shí)間后移動(dòng)的距離小v1dt,同樣斷面2經(jīng)過dt時(shí)間后,移動(dòng)的距離v2dt。由于管道沒有分叉出流、從斷面1-1流進(jìn)去的水量應(yīng)該等于從斷面2-2流出來的水量,也就是說,斷面1—1~1'—1'水的體積等于斷面2—2~2'—2'水的體積,即
根據(jù)上面流量的定義,可寫成Q1=Q2,即通過斷面1-1的流量等于斷面2—2的流量。
式(6-3-2)就是總流一元流動(dòng)的連續(xù)性方程。如果式(6-3-2)中兩邊乘上密度ρ即為質(zhì)量流量ρQ,這說明從斷面1—1流進(jìn)去的質(zhì)量等于從斷面2-2流出來的質(zhì)量。因此這是質(zhì)量守恒在流體力學(xué)中的表達(dá)形式。
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