, ,
(2)
(3)从速度分布的表达式看出,用极坐标比较方便。当然,使用直角坐标也可以进行有关计算,但求导过程较为复杂。
,
【3-3】已知平面流场的速度分布为
,
, 试求t=1时经过坐标原点的流线方程。
【解】对于固定时刻to,流线的微分方程为
积分得
这就是时刻to的流线方程的一般形式。 根据题意,to=1时,x=0,y=0,因此C=2
【3-4】如图所示的装置测量油管中某点的速度。已知油的密度为ρ=800kg/m3,水银密度为ρ’=13600 kg/m3,水银压差计的读数Δh=60mm,求该点的流速u。
【解】我们分析管流中的一条流至测压管管口的流线,即如图中的流线1-0。这条流线从上游远处到达“L”形管口后发生弯曲,然后绕过管口,沿管壁面延伸至下游。流体沿这条流线运动时,速度是发生变化的。在管口上游远处,流速为u。当流体靠近管口时,流速逐渐变小,在管口处的点0,速度变为0,压强为po,流体在管口的速度虽然变化为0,但流体质点并不是停止不动,在压差作用下,流体从点0开始作加速运动,速度逐渐增大,绕过管口之后,速度逐渐加大至u。
综上分析,可以看到,流体沿流线运动,在点1,速度为u,压强为p,在点0,速度为0,压强为po,忽略重力影响,沿流线的伯努利方程是
由此可见,只要测出压差为po-p,就可以求出速度u。
不妨设压差计的右侧水银面与流线的高差为l。由于流线平直,其曲率半径很大,属缓变流,沿管截面压强的变化服从静压公式,因此,
式中,ρ和ρˊ分别是油和水银的密度。将已知数据代入计算,Δh的单位应该是用m表示,Δh=0.06m,得速度为u=4.3391m/s。
【3-5】矿山排风管将井下废气派入大气。为了测量排风的流量,在排风管出口处装有一个收缩、扩张的管嘴,其喉部处装有一个细管,下端插入水中,如图所示。喉部流速大,压强低,细管中出现一段水柱。已知空气密度ρ=1.25kg/m3,管径d1=400mm,d2=600mm,水柱h=45mm,试计算体积流量Q。
【解】截面1-1的管径小,速度大,压强低;截面2-2接触大气,可应用伯努利方程,即
利用连续方程,由上式得
此外细管有液柱上升,说明p1低于大气压,即
式中,ρˊ是水的密度,因此
由d1=400mm,d2=600mm 可以求出A1和A2,而ρ、ρˊ、h皆已知,可算得
【3-6】如图所示,水池的水位高h=4m,池壁开有一小孔,孔口到水面高差为y,如果从孔口射出的水流到达地面的水平距离x=2m,求y的值。如果要使水柱射出的水平距离最远,则x和y应为多少?
【解】孔口的出流速度为
流体离开孔口时,速度是沿水平方向的,但在重力作用下会产生铅直向下的运动,设流体质点从孔口降至地面所需的时间为t,则
消去t,得
,即
解得
如果要使水柱射出最远,则因为
x是y的函数,当x达到极大值时,dx/dy=0,上式两边对y求导,得
【3-7】如图所示消防水枪的水管直径d1=0.12m,喷嘴出口直径d2=0.04m,消防人员持此水枪向距离为l=12m,高h=15m的窗口喷水,要求水流到达窗口时具有V3=10m/s的速度,试求水管的相对压强和水枪倾角θ。
【解】解题思路:已知V3利用截面2-2和3-3的伯努利方程就可以求出V2。而利用截面1-1和2-2的伯努利方程可以求出水管的相对压强p1-pa。水流离开截面2-2以后可以视作斜抛运动,利用有关公式就可以求出倾角θ。 对水射流的截面2-2和截面3-3,压强相同,
将h、V3代入得V2=19.8540m/s。
对于喷嘴内的水流截面1-1和截面2-2,有
式中,p2=pa。利用连续方程,则有
喷嘴出口水流的水平速度和铅直速度分别是V2cosθ和V2sinθ,利用斜抛物体运动公式,不难得到上抛高度h和平抛距离l的计算公式分别为
消去时间t得到
代入数据,又