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2.1.5 连续性定理与伯努利方程

(1)连续性定理。

质量守恒定律在空气动力学中称为连续性定理。连续性定理用来研究流体流经不同截面的通道时流速与通道截面积大小的关系,是描述流体流速与截面关系的定理。当流体连续不断且稳定地流过一个粗细不等的管子时,由于管子中任何一部分的流体都不能中断或挤压,因此在同一时间内,流进任意切面的流体质量和从另一切面流出的流体质量应该相等。

设想在稳定流动的液体中,截取一个截面积很小的流管,在流管中取任意两个截面A、B,它们的面积分别为 S 1 S 2 。对于所截取的流管横截面积 S 1 S 2 ,要求小到所有通过 S 1 的流线都有相同的速度 v 1 ,通过 S 2 的流线都有相同的速度 v 2 ,那么定义:在某一时间里,通过某一横截面上的液体体积和时间的比叫作通过这个横截面的流量。如果用 Q 表示在时间 t 内通过截面 S 的流量,那么

式中, V 表示通过截面 S 的液体的体积,并可以知道流量的单位应是m 3 /s。因为在稳流中流体经过任一固定点的速度不随时间变化,所以在任意时间 t 内经过 S 截面的流体长度 L = vt ,这段时间内流过的流体的体积 V = Svt ,所以

V 的单位为m 3 ,那么 S 的单位为m 2 v 的单位是m/s。设想在所截取的微小流管中,通过截面 S 1 处的流量为 Q 1

Q 1 = S 1 v 1

同理,

Q 2 = S 2 v 2

由于理想流体的不可压缩性,而且流体不会穿过流管的壁,即质量在运动过程中守恒,所以 Q 1 = Q 2 ,即

S 1 v 1 = S 2 v 2

这个关系式叫作理想流体的连续性定理或连续性方程。

从这个关系式可得出:在同一流管内流体的流速和它流经的截面积成反比,即截面积大的地方流速小,截面积小的地方流速大。如果所取流管中两处截面积相等,那么流体通过的速度也相同,如图2-10所示。

图2-10 连续性定理

(2)伯努利方程。

在伯努利方程中用能量的观点来解释压力随流速的变化关系时,用的是压力能和动能的概念。但是,在飞行原理学科中,往往用静压和动压的概念。静压与动压之和,称为气流的全压。因此,描述气流流动过程中能量的变化关系,即压力(压力能)和流速(动能)的关系,通常用静压、动压和全压来表示。

①静压(静压力)。

空气垂直作用于物体表面的压力是静压力,简称为静压,用 P 表示。

②动压(动压力)。

流动的空气受到物体阻挡时,流速(动能)降低,而静压增大。逆风前进之所以感到很大压力,就是这个原因。既然空气在流速降低时,静压会增大,所以常把空气在流速降低到零时,静压所能增加的数量,称为动压力,简称动压,用 q 表示。试验和理论分析证明:动压的大小与空气密度( p )和气流速度( v )两个因素有关,其数值为 ,即

③全压。

在流动的空气中,空气流过任何一点时所具有的静压与动压之和,称为空气在该点的全压,用 P 0 表示。飞机飞行时,相对气流中空气的全压,就等于当时飞行高度上的大气压力加上相对气流中飞机远前方的空气所具有的动压。由于在稳定气流中,压力能与动能之和等于一个常量,因此,气流的静压与动压之和(即全压)也等于一个常量:

静压+动压=全压(常量)

式中: P 为静压, 为动压, P 0 为全压。

上述数学表达式称为低速流动的伯努利方程。方程中的静压( P )可以认为是单位体积内空气所具有的压力能,动压 是单位体积内空气所具有的动能,而全压( P 0 )则是单位体积内空气所具有的压力能与动能的总和。可见,在全压一定的条件下,当气流速度加快时,动压增大,静压必然减小;而气流速度减慢时,动压减小,静压必然增大,如图2-11所示。

图2-11 伯努利方程简图

在这里应注意,飞行中相对气流中的全压等于飞机所在高度上的大气压力加上相对气流的动压。当保持飞行高度不变时(如平飞),静压不变(即该高度上的大气压力)。如果飞行速度增大,则相对气流的动压增大,全压也随之增大。因此,伯努利方程中的全压( P 0 )应等于一个新的常量。 wEZiTp1dDELJMs9xp5SRi591NDKFmLovH3OheVSWVEMzh1YVe9baR2GAUh4DQGnD

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