(水利课件)14-恒定平面势流.ppt
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- 水利课件 水利 课件 14 恒定 平面
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1、【水利课件】14-恒定平面势流14.1 恒定平面势流 液体运动:液体运动:实际液体实际液体 理想液体理想液体 l 有涡流有涡流l 无涡流无涡流=势流势流2211 dd存在流速势函数存在流速势函数 0zyx ),(zyx zyxuzuyux sus zuyuxuzyxdddd const 0zuyuxuzyx0222222zyx zyxuzuyux 0222222zyx 上式是拉普拉斯方程。可见流速势为调和函数上式是拉普拉斯方程。可见流速势为调和函数可见,流速势函数可见,流速势函数决定势流的流速场和压强场决定势流的流速场和压强场puzyx能量方程式求导积分 0222222),(zyx 若能求出流
2、速势函数,就可求出流速和压强场。若能求出流速势函数,就可求出流速和压强场。而求解势流就是求解满足边界条件的拉普拉斯方程而求解势流就是求解满足边界条件的拉普拉斯方程yxuyux yuxuyxddd 0dddyuxuyx const),(yx 0dddddxuyuuyuxyxyx xuyuyxyxddd),(yuxuyuxuyxyx 0yQxPWxyxQyPdd),(y)d(x,yuxuyx dddxuyuyxxuyuyyxxyxddddd yxuxuy 0)()(0)()()()(xyyxxyyxyxxy 00)()(yuxuxyyxyx const const 0ddddd xuyuuyuxy
3、xyxconst),(yx const),(yx baabq ddxMdyyxOababuxuyyxOababds在平面流场中,在平面流场中,任意两条流线上任意两条流线上a 和和b 上取两点上取两点a,buxuyyxOababds通过通过a,b连一条曲线连一条曲线ab,在曲线上任取,在曲线上任取一点一点M(x,y),其流速为,其流速为 yxMuuu,uxuyyxOababds通过通过ab间的单宽流量可表示为间的单宽流量可表示为bayxababbaxuyuqq dddd022222 yxxyuyux 0)(21yuxuxyz 0)()(21yyxx 022222 yxxyuxyuyx 并且两者都
4、满足拉氏方程:并且两者都满足拉氏方程:022 满足上式的两个调和函数称为共轭调和函数满足上式的两个调和函数称为共轭调和函数xyuxyuyx 022 满足上式的两个调和函数称为共轭调和函数满足上式的两个调和函数称为共轭调和函数可见,已知流速分量、或者流函数和势函数中的可见,已知流速分量、或者流函数和势函数中的一个,便可求得另一个。一个,便可求得另一个。0dxudyudyx xyuuxykdd1yxOaaaxyuuxykdd10dyudxudyx xyudykdxu2 yxOaaa 如图所示为一个平行于如图所示为一个平行于x 轴的均匀等速运动,各轴的均匀等速运动,各点流速为点流速为U0 (1)证明
5、该平面为势流)证明该平面为势流 (2)求流线方程)求流线方程 (3)求等势线方程)求等势线方程yx1234012340U(1)ux=U0 ,uy=0,=0(2)d=ux dy uydx =Uy+c=const(3)d=ux dx+uydy =Ux+c=const drr dBAdCBAxyruru直角和极坐标之间的关系直角和极坐标之间的关系xyyxrryrx122tansincos drr dBAdCBAxyruru直角和极坐标之间的关系为直角和极坐标之间的关系为)1414(drurduBAdr 流量通过的drr dBAdCBAxyruru直角和极坐标之间的关系为直角和极坐标之间的关系为)15
6、14(1drrrdrdrrdd drr dBAdCBAxyruru)1514(1drrrdrdrrdd )1414(drurduBAdr 流量通过的)1614(1rurur drr dBAdCBAxyruru同理可得同理可得)1514(1drrrdrdrrdd )1414(drurduBAdr 流量通过的)1614(1rurur )1714(1 rurur)1814(11rrurrur 综上分析,则综上分析,则)1514(1drrrdrdrrdd xy222220 xyxy222111222222222200 xyxy xyxy 22222121222222222112222222212()(
7、)0 221222122122)()()(yx xyxy22221122222222120 0yxuUuUyUx sincosUrUryx1234012340U均匀等速流动均匀等速流动OyxM(r,)rur1234567812345源源OyxM(r,)rur1234567812345汇汇rQur 20 uOyxM(r,)rur1234567812345源源rQrr 2101 rrrQln2 2Q22ln2yxQ xyQtan2 OyxM(r,)rur1234567812345汇汇22ln2yxQ xyQtan2 21QrQln21 源源均匀等速流均匀等速流 sin2UrUy cos2UrUx
8、sin221UrQ cosln221UrrQ1 1源和均匀等速流的叠加源和均匀等速流的叠加y=0 xQ/2U=0.5Q=0.5QAO0sin2 UrQ水平线水平线OA 是零流线的一个解是零流线的一个解 y=0 xQ/2U=0.5Q=0.5QAO2sin2QUrQ BSCDy=0 xQ/2U=0.5Q=0.5QAO2sin2QUrQ BSCDy=0 xQ/2U=0.5Q=0.5QAOBSCD 流线将流动分成:内部流动与外部流动。流线将流动分成:内部流动与外部流动。用一固体边用一固体边界代替分界线,平面势流为一个绕钝形物体的绕流流场,就像均界代替分界线,平面势流为一个绕钝形物体的绕流流场,就像均匀
9、流绕桥墩的流动图形。匀流绕桥墩的流动图形。2Q 2sin2QUrQ 内部流动内部流动外部流动外部流动2 2等强度源和汇叠加源汇等强度源和汇叠加源汇11ln2rQ 112 Q源源汇汇22ln2rQ 222 QyP(x,y)12r1r2 xABO11ln2rQ 112 Q源源汇汇22ln2rQ 222 QyP(x,y)12r1r2 xABO11ln2rQ 112 Q源源汇汇22ln2rQ 222 Q 叠加后势流流速势和流函数为叠加后势流流速势和流函数为2121ln2rrQ )(22121 QyP(x,y)12r1r2 xABO11ln2rQ 112 Q源源汇汇22ln2rQ 222 Q 叠加后势流
10、流速势和流函数叠加后势流流速势和流函数2121ln2rrQ )(22121 Q)(22121 QQyxy1122222tan()2 yP(x,y)12r1r2 xABO2)(41ln4)()(ln(22222221yxxQyxyxQ yxBA.32)1ln(32zzzzzzzz351tan().35 QyQyxyxy11222222222tan()22 22221)(222)(41ln4yxxQyxxQ 3 3偶极子偶极子QyQyxyxy11222222222tan()22 222221)(22)(41ln4yxxQyxxQ 222cos2yxxMrM MMyrxy22sin22 QQ M0L
11、im2 yx偶极子流动图形偶极子流动图形偶极点(坐标原点)是源,又是汇偶极点(坐标原点)是源,又是汇yx偶极子流动图形偶极子流动图形偶极点(坐标原点)是源,又是汇偶极点(坐标原点)是源,又是汇等势线等势线yxU4 4圆柱绕流圆柱绕流222cos2yxxMrM MMyrxy22sin22 sincosUrUryxU4 4圆柱绕流圆柱绕流222cos2yxxMrM MMyrxy22sin22 sincosUrUr+yxU4 4圆柱绕流圆柱绕流MMyrxyMMxrxy2222sin22cos22 sincosUrUr+MUrrMUrr()sin2()cos2 14 14 平面恒定势流平面恒定势流 平
12、面势流存在流速势函数和流函数。平面势流存在流速势函数和流函数。等势线与流线正交。等势线和流线两组曲线等势线与流线正交。等势线和流线两组曲线 构成的正交网格叫流网。构成的正交网格叫流网。流网法:流网法:由给定边界条件绘制出流网,再根据流网特性,由给定边界条件绘制出流网,再根据流网特性,计算出网点流速。其方法简单,不需复杂数学理论。计算出网点流速。其方法简单,不需复杂数学理论。14.3.1 14.3.1 流网的特性流网的特性流线流线等势线等势线Oyx11423234流线流线等势线等势线Oyx11423234(1)组成流网的流线与等势线正交 将流速方向逆时针 旋转90度后的方向 为流函数增值方向Oy
13、x+d d+d d d n d mu(2)流速势的增值方向与流速的方向一致 Oyx+d+d d n d mudmddndu (3 3)取每个网眼相邻两流线间的流函数差与相邻等势)取每个网眼相邻两流线间的流函数差与相邻等势线间的流速势差相等,每个网眼则为正交方格。线间的流速势差相等,每个网眼则为正交方格。Oyx+d+d d n d mudmddndu 实用上绘制流网时,不可能绘制实用上绘制流网时,不可能绘制无数多的流线及等势线。因此,上式无数多的流线及等势线。因此,上式应改为差分形式。应改为差分形式。mnu )2114(nu )2214(mu Oyx+d+d d n d muunmnum )21
14、14(nu )2214(mu 取取 ,则则nm,则每个网眼为正,则每个网眼为正交曲线方格,交曲线方格,n nm m 是网眼对边中点的距离。是网眼对边中点的距离。Oyx+d+d d n d mumnu )2114(nu )2214(mu n nm m 应看作是网眼对边中点的距离。应看作是网眼对边中点的距离。Oyx+d+d d n d mumnu )2114(nu )2214(mu 若边界轮廓为已知,使每一网眼接近正交曲线方格,若边界轮廓为已知,使每一网眼接近正交曲线方格,用手试描几次就可绘出流网。这是近似法绘流网原理。用手试描几次就可绘出流网。这是近似法绘流网原理。AC Cm1 2 3 4 5
15、1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 试描时一般均先绘流线,然后再绘等势线试描时一般均先绘流线,然后再绘等势线 沿边界液体质点的流速方向必与边界相切,上下沿边界液体质点的流速方向必与边界相切,上下两边界都是流线,所有等势线应与边界相正交。两边界都是流线,所有等势线应与边界相正交。ACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 因流线不能转折,图中的因流线不能转折,图中的C C点必为驻点,此处网点必为驻点,此处网格并非方格(网格分成无穷小时,则该处应为方格)格并非方格(网格分成无穷小时,则该处应为方格)ACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8
16、9 10 11 ACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 因流线不能转折,图中的因流线不能转折,图中的C C点必为驻点,此处网点必为驻点,此处网格并非方格(着网格分成无穷小时,则该处应为方格)格并非方格(着网格分成无穷小时,则该处应为方格)试描等势线时应先绘试描等势线时应先绘C C点两侧的等势线,然后再分别向点两侧的等势线,然后再分别向上下游描绘其他等势线、上下游描绘其他等势线、ACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 若水流方向系自左向右,根据儒可夫斯基若水流方向系自左向右,根据儒可夫斯基法则,流速势的增值方向为自左至右,流函数
17、法则,流速势的增值方向为自左至右,流函数的增值方向为自下向上。的增值方向为自下向上。ACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 若流线有五根,流线之间的间隔有四个,若流线有五根,流线之间的间隔有四个,若流量为若流量为q q 时,则若取时,则若取 0.250.25q q ACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1=a;2=1+=a+0.25q3=2+=a+0.5q 4=3+=a+0.75q 5=4+=a+qACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1=b;2=1+=b+0.25q3=2+=b+0.5q
18、4=3+=b+0.75q5=4+=b+qACm1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 各点流速场求出后,根据能量方程又可求得压强各点流速场求出后,根据能量方程又可求得压强场,即可求出整个平面势流问题场,即可求出整个平面势流问题ua=/maub=/mb=q/12 mb例:图中为二元矩形薄壁堰流,假设液体为理想液例:图中为二元矩形薄壁堰流,假设液体为理想液体,在自由表面未开始降落以前取一断面体,在自由表面未开始降落以前取一断面0 00 0 具有自由表面的平面势流流网的绘制具有自由表面的平面势流流网的绘制ug202zg0 n0 00 具有自由表面的平面势流流网的绘制具有自
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