伯努力方程(Bernoulli’s Equation)是流体力学中描述理想流体(ideal fluid)能量守恒的方程式。理想流体满足以下4个条件:1. 流体是非粘性的(nonviscous),在相邻流层之间无内摩擦力;2. 流体不可压缩(incompressible),因此密度恒定;3. 流体运动是稳态的(steady),即流体中每一点的运动速度、密度和压力不随时间改变;4. 流体运动不存在湍流(turbulence),意味着每个流体单元相对于中心的角速度为零,因此在该运动的流体中无任何涡流(eddy current)。
由于质量守恒及液体的流动处于稳态,因此有连续性方程(Equation of Continuity):
根据能量守恒,可推导出理想流体的伯努力方程:
通常表示为:
伯努力方程中的每一项都是压力单位,在SI单位制中是Pa或N/m2。由于1J=1N·m,所以1Pa=1J/m3。每一项的物理意义是单位体积的能或做功,压力表示单位体积的流体对前方流体所做的功。2????2为单位体积具有的动能,??gy为单位体积具有的重力势能。
伯努力方程有两个特殊情况:1. 水平流动的液体y1=y2;2. 静止的液体v1=v2=0,则得到流体静力学方程:
1
伯努力方程将理想流体不同两点的流速、压力和高度联系了起来,在应用该方程计算过程中先要分别写出每点各自的3个参数。需要考虑几个要点:
1. 是否是以上2个特例;
2. 如果不是特例1,选择参考水平面,一般选择2个中较低的点作为参考
比较简单;
3. 如果给出两处流体截面的半径或面积,则可根据连续性方程确定它们的
流速关系;
4. 如果一个截面面积远远大于另一个截面(比如水桶里的水面和水桶下方
的小孔),则截面大的流速v≈0;
5. 和大气相通则压力等于大气压(或表压为零)。
[例题一] 一个装满水的桶在水面以下0.80m处有一个开孔。(a)当出口是水平开放的,水流出的速度是多少?(b)如果开口末端是竖直向上的,则形成的“喷泉”能达到多高?
解:(a) 由于P1=P2,则伯努力方程为
点1比点2高0.80m,即
根据连续性方程
A1》A2,v1相对于v2可忽略不计,故v1≈0。伯努力方程简化为
各项同除以ρ,解出v2:
(b) 取点喷泉最高点为点2,故v2=0。伯努力方程简化为
“喷泉”恰好回到和桶内水面等高!
(a)计算出小孔水流出的速度相当于水直接从0.80m自由落体(Torricelli’s law),然而这并不奇怪因为伯努力方程是能量守恒的一种表达形式(不计能量损失)。(b)的结果被称为托里拆利原理(Torricelli’s theorem),实际上由于摩擦力和空气阻力造成的能量损失,喷泉不可能达到原来水面的高度。
[例题二]一个横截面积为1.00m2的大管道下降5.00m并缩小至0.500m2到达一个阀门。如果在②处的压力为大气压,阀门敞开使水自由流出,计算水流出阀门的速度。
解:对截面①、②应用伯努力方程,两处的压力都为大气压(或表压均为零),高度差为h。已知两处的截面积,根据连续性方程可求得流速比值。
[例题三] 文丘里流量计(Venturi meter)被用来测定管道内液体的流速。一段收缩的管道(横截面A2)放置在正常的管道(横截面A1)中,两个竖直向上的细管分别大气相通,其中一个位于管道收缩部位。两个细管的作用类似于压力计,可以测定两点之间的压力差,并据此计算出管道中液体的流速。假定管道中输送的液体为水,A1=2.0A2,h1=1.20m,h2=0.80m。(a)计算两点的速度比v2/v1;(b)计算表压力P1和P2;(c)计算管道中水的流速v1。
解:(a) 根据连续性方程
(b)表压力为相对于标准大气压的压力
(c) 伯努力方程
由于管道水平,y1≈y2,可忽略重力势能密度ρgy的微小差异
[例题四] 一架飞机的两个机翼分别是4.00m2,通过设计机翼上方和下方的空气流速分别为245m/s和222m/s。假定跨越机翼压力差产生的推力是竖直向上的,计算飞机的质量以便能够支撑自身的重量。
解:对机翼下方(点1)和机翼上方(点2)应用伯努力方程,重力势能相对于其它项很小可以忽略
思考:机翼上方和下方的气流并不在同一流线上,为什么可以应用伯努力方程? [例题五]用虹吸管从高位槽向反应器加料,如图所示。高位槽和反应器均与大气相通,要求料液在管内以5 m/s的速度流动(不计能量损失)。求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少米?