伯努利方程

伯努利方程

物理學術語
丹尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。這是在流體力學的連續介質理論方程建立之前,水力學所采用的基本原理,其實質是流體的機械能守恒。即:動能+重力勢能+壓力勢能=常數。其最為著名的推論為:等高流動時,流速大,壓力就小 。
    中文名:伯努利方程 外文名:Bernoulli's principle 适用領域: 所屬學科: 别名:邊界層表面效應 發現時間:1726年

流體力學中的物理方程

理想正壓流體在有勢體積力作用下作定常運動時,運動方程(即歐拉方程)沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒的方程。因著名的瑞士科學家D.伯努利于1738年提出而得名。對于重力場中的不可壓縮均質流體 ,方程為p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c 式中p、ρ、v分别為流體的壓強、密度和速度;h為鉛垂高度;g為重力加速度;c為常量。上式各項分别表示單位體積流體的壓力能 p、重力勢能ρgh和動能(1/2)*ρv ^2,在沿流線運動過程中,總和保持不變,即總能量守恒。但各流線之間總能量(即上式中的常量值)可能不同。對于氣體,可忽略重力,方程簡化為p+(1/2)*ρv ^2=常量(p0),各項分别稱為靜壓 、動壓和總壓。

顯然 ,流動中速度增大,壓強就減小;速度減小, 壓強就增大;速度降為零,壓強就達到最大(理論上應等于總壓)。飛機機翼産生舉力,就在于下翼面速度低而壓強大,上翼面速度高而壓強小 ,因而合力向上。 據此方程,測量流體的總壓、靜壓即可求得速度,成為皮托管測速的原理。在無旋流動中,也可利用無旋條件積分歐拉方程而得到相同的結果但涵義不同,此時公式中的常量在全流場不變,表示各流線上流體有相同的總能量,方程适用于全流場任意兩點之間。在粘性流動中,粘性摩擦力消耗機械能而産生熱,機械能不守恒,推廣使用伯努利方程時,應加進機械能損失項。

丹尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。這是在流體力學的連續介質理論方程建立之前,水力學所采用的基本原理,其實質是流體的機械能守恒。即:動能+重力勢能+壓力勢能=常數。其最為著名的推論為:等高流動時,流速大,壓力就小。nn伯努利原理往往被表述為:p+1/2ρv2+ρgh=C,這個式子被稱為伯努利方程。n式中:np為流體中某點的壓強,nv為流體該點的流速,nρ為流體密度,ng為重力加速度,nh為該點所在高度,nC是一個常量。n它也可以被表述為:p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2n需要注意的是,由于伯努利方程是由機械能守恒推導出的,所以它僅适用于粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體。

應用伯努利方程解決實際問題的一般方法可歸納為:

1.先選取适當的基準水平面;

2.選取兩個計算截面,一個設在所求參數的截面上,另一個設在已知參數的截面上;

3.按照液體流動的方向列出伯努利方程。

舉例

圖II.4-3為一噴油器,已知進口和出口直徑D1=8mm,喉部直徑D2=7.4mm,進口空氣壓力p1=0.5MPa,進口空氣溫度T1=300K,通過噴油器的空氣流量qa=500L/min(ANR),油杯内油的密度ρ=800kg/m。問油杯内油面比喉部低多少就不能将油吸入管内進行噴油?

解:

由氣體狀态方程,知進口空氣密度ρ=(p1+Patm)*M/(RT1)=(0.5+0.1)*29/(0.0083*300)kg/m=6.97kg/m

求通過噴油器的質量流量

qm=ρa*qa=(1.185*500*10^-3)/60=0.009875kg/s

求截面積1和截面積2處的平均流速:

u1=qm/(ρ1A1)=[0.009875/(6.97*0.785*0.008^2)]m/s=28.2m/s

u2=qm/(ρ2A2)=[0.009875/(6.97*0.785*0.0074)]m/s=32.9m/s

由伯努利方程可得

p1-p2=0.5*ρ1(u2^2-u1^2)=0.5*6.97(32.9^2-28.2^2)pa=1200.94pa

吸油管内為靜止油液,若能吸入喉部,必須滿足:

p1-p2≥ρgh

h≤(p1-p2)/ρg=1200.94/(800*9.8)m=0.153m

故說明油杯内油面比喉部低153mm以上便不能噴油。

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