目錄

一、什么是連續(xù)性方程

二、流體能量守恒定律 

1、流體的動(dòng)能 

2、流體勢(shì)能 

3、流體壓力能 

4、流體的熱能

三、什么是伯努利定理

四、水頭
五、伯努利定理的兩個(gè)應(yīng)用 

1、用文丘里管測(cè)量流速 

2、用皮托管測(cè)量流速

一、什么是連續(xù)性方程

 

連續(xù)方程就是質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律認(rèn)為，流經(jīng)管道的流體在任意截面處質(zhì)量流量恒定。它被稱為連續(xù)性方程，因?yàn)樗�在流體連續(xù)流動(dòng)時(shí)成立。若流體的密度為ρ（kg/m ³），流速為u（m/s），截面積為A（m），則連續(xù)性方程如下。

ρuA =（常數(shù)）

質(zhì)量流量的單位是（kg/s），即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體質(zhì)量。

 

順便說(shuō)一句，由于像水這樣的液體的體積幾乎不隨溫度或壓力而變化，因此體積守恒定律也適用。體積守恒定律不適用于氣體，因?yàn)轶w積會(huì)根據(jù)壓力發(fā)生很大變化。

二、流體能量守恒定律

 

伯努利定理是流體中的能量守恒定律，流體總計(jì)以下四種能量的總和保持不變：

①動(dòng)能+②勢(shì)能+③壓力能+④熱能=（常數(shù)）

1、流體的動(dòng)能

我們知道質(zhì)量為 m (kg) 的球以速度 v (m/s) 飛行時(shí)的動(dòng)能為mv ² /2。若流體的密度為ρ(kg/m ³ )，則單位體積的質(zhì)量為ρ×1(kg)。因此，單位體積流體的動(dòng)能表示為：

①流體動(dòng)能=ρu ² / 2

2、流體勢(shì)能

如果重力加速度為g(m/s ² )，則高度為h(m)、質(zhì)量為m(kg)的物體的勢(shì)能表示為mgh ，則每單位體積的流體的勢(shì)能如下：

②流體勢(shì)能=ρgh

3、流體壓力能

流體始終處于壓力之下，這種力的作用提供了移動(dòng)流體的能量。壓力能越高，流量越大，壓力能越低，流量越低。舉一個(gè)具體的例子，水管使用調(diào)節(jié)器來(lái)改變供水壓力來(lái)調(diào)節(jié)水流。如果供水壓力增加，流出的水量就會(huì)增加；如果供水壓力減少，水流量就會(huì)變小。壓力為 p(Pa) 的流體的壓力能就是 p。

③流體的壓能=p

4、流體的熱能

流體在流動(dòng)時(shí)會(huì)改變其溫度，并且流體的熱能也會(huì)發(fā)生變化。然而，對(duì)于低流速的流動(dòng)，轉(zhuǎn)化為熱量的能量很小，可以忽略不計(jì)。隨著流速的增加，摩擦產(chǎn)生的熱量和沖擊波產(chǎn)生的熱量產(chǎn)生，增加了熱能的作用。摩擦是由流體的粘性引起的，但由于伯努利定理適用于非粘性流體，我們可以假設(shè)熱能不變。（理想流體）

三、什么是伯努利定理

 

伯努利定理由以下等式表示：

ρu ² /2 + ρgh + p =（常數(shù)）

正如我之前所說(shuō)，伯努利定理假設(shè)熱能不變，認(rèn)為是理想流體，也不考慮動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。此外，盡管真實(shí)流體具有粘性并產(chǎn)生摩擦阻力和渦流，但使用伯努利定理時(shí)是假設(shè)沒(méi)有粘性。

伯努利定理的應(yīng)用條件：（很多人忽視這個(gè)條件造成應(yīng)用錯(cuò)誤）

• 沒(méi)有密度變化（在流體為氣體適用于馬赫數(shù)(Ma)<0.3）

• 穩(wěn)定流（狀態(tài)不隨時(shí)間變化的流）

• 沿流線流動(dòng)

• 熱能沒(méi)有變化

• 無(wú)摩擦損失

• 無(wú)粘性損失

下面介紹一種具體的伯努利定理的使用方法，比如求兩點(diǎn)之間的壓力差，

ρu ₁ ² /2 + ρgh ₁ + p ₁ = ρu ₂ ² /2 + ρgh ₂ + p ₂

p1 _- p2 = (ρu ₂ ² /2+ ρgh2 ₎ – (ρu ₁ ² /2  ₊  ρgh ₁)

 

四、什么是壓頭

 

水頭是流體的能量，以水位高度 (m) 為單位表示，也成稱之為壓頭。動(dòng)能用速度水頭 V表示，勢(shì)能用勢(shì)頭 H 表示，壓力能用壓力水頭 P表示，總和稱為總水頭 E，以下能量守恒定律從伯努利定理成立。

E = V + H + P

注意：即伯努利定理僅在沒(méi)有因粘性、熱或摩擦引起的損失時(shí)才適用，但如果將這些能量損失表示為損失水頭 L，以下守恒定律成立。

E = V + H + P + L

對(duì)于水頭損失 L，必須提前從過(guò)去的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)中獲得產(chǎn)生的能量損失。

例如，Brazius 公式和Niclase 公式表達(dá)了流體粘度、流速和水頭損失之間的相關(guān)性，因此可以使用它們。

五、伯努利定理的兩個(gè)應(yīng)用

 

下面是伯努利定理的兩個(gè)應(yīng)用。

1、用文丘里管測(cè)量流速

文丘里管是一種流量測(cè)量?jī)x器，它通過(guò)使流體流過(guò)截面積發(fā)生變化的管子并測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的壓力來(lái)確定流量和流速。

從連續(xù)性方程看，流速隨著管道截面積的變化而變化。具體來(lái)說(shuō)，管子粗的地方流速慢，管子細(xì)的地方流速快。因此，通過(guò)測(cè)量截面積不同的兩個(gè)位置的壓力，可以根據(jù)伯努利定理得出流速。

 

Q = u ₁ A ₁ = u ₂ A ₂　… ① 連續(xù)性方程

至于測(cè)量文丘里管內(nèi)壓力的方法，是在截面積不同的兩個(gè)點(diǎn)上安裝一個(gè) U 型管壓力表。密度為 ρ' 的流體置于 U 型管中，根據(jù)兩點(diǎn)之間的壓力差產(chǎn)生高度差，因此可以測(cè)量壓力差。

 

具體計(jì)算方法如下：首先，在文丘里管的橫截面積不同的點(diǎn) 1 和點(diǎn) 2 處應(yīng)用伯努利定理。

由于流動(dòng)是水平的，所以位置揚(yáng)程H=0，隨著流速和壓力的變化，速度水頭V和壓力水頭P發(fā)生變化。

u ₁ ² /2g + p ₁ /ρg = u ₂ ² /2g + p ₂ /ρg 

・・・② 流管中的伯努利方程

接下來(lái)，將伯努利定理應(yīng)用于 U 型管中的流體，由于流體是靜止的，當(dāng)速度水頭為 V=0 且高度差為 h 時(shí)，下式成立。

p1/ρvg = h +p ₂ /ρ'g ・・・③ U型管中的伯努利方程

由式①②③可以得到流體流過(guò)文丘里管的速度和流量。

順便說(shuō)一下，U 型管中可以放入的液體因流速測(cè)量范圍而異。隨著壓力差的增加，U 形管變長(zhǎng)，因此通常使用高密度水銀。

2、用皮托管測(cè)量流速

皮托管是一種測(cè)量流速的測(cè)量?jī)x器，它通過(guò)將一根玻璃管垂直連接到水平管上的一點(diǎn)，并將另一根玻璃管平行于流體流動(dòng)。在兩點(diǎn)之間應(yīng)用伯努利定理給出流速。

 

u₂/2g + p₁/ρg = p₂/ρg  

在點(diǎn) 2，流動(dòng)在玻璃管的尖端被阻塞。因此，速度能轉(zhuǎn)化為壓力能，玻璃管內(nèi)的水位上升到h2。另一方面，在點(diǎn) 1 處，管內(nèi)的靜壓 p1 使水流入玻璃管，使水位升高到 h1。

因此，通過(guò)求出兩點(diǎn)之間的壓力差p ₂ -p _{1 ，就可以求出管道中的流速u(mài)。}

p₂-p₁ = ρg(h₂-h₁) 

u = √｛2g(h₂-h₁)｝