流速的基本含義
?流速是指氣體或液體流質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的距離,渠道和河道里的水流各點(diǎn)的流速不相同,靠近河(渠)底、河邊處的流速較小,河中心近水面處的流速最大,為了計(jì)算簡(jiǎn)便,通常用橫斷面平均流速來(lái)表示該斷面水流的速度。
流速的正常單位為m/s、m/h
質(zhì)點(diǎn)流速是描述液體質(zhì)點(diǎn)在某瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)快慢的矢量。其方向與質(zhì)點(diǎn)軌跡的切線方向一致。其大小為:
單位為m/s,Δs為液體質(zhì)點(diǎn)在Δt時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的距離。水力學(xué)中常著眼于空間點(diǎn)來(lái)描述液體運(yùn)動(dòng),通過(guò)某一空間點(diǎn)處的液體質(zhì)點(diǎn)的速度即點(diǎn)流速u,一般為空間點(diǎn)位置r及時(shí)間t的矢量函數(shù),即u=u(r,t)。紊流中,點(diǎn)流速隨時(shí)間作不規(guī)則的變化,一般取某一段時(shí)間內(nèi)的平均值即時(shí)均流速,以及瞬時(shí)流速與時(shí)均流速之差即脈動(dòng)流速作為研究對(duì)象。
流速是流體的流動(dòng)速度。當(dāng)流速很小時(shí),流體分層流動(dòng),互不混合,稱為層流,或稱為片流;逐漸增加流速,流體的流線開(kāi)始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng),擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱為過(guò)渡流;當(dāng)流速增加到很大時(shí),流線不再清楚可辨,流場(chǎng)中有許多小漩渦,稱為湍流,又稱為亂流、擾流或紊流。
這種變化可以用雷諾數(shù)來(lái)量化。雷諾數(shù)較小時(shí),黏滯力對(duì)流場(chǎng)的影響大于慣性力,流場(chǎng)中流速的擾動(dòng)會(huì)因黏滯力而衰減,流體流動(dòng)穩(wěn)定,為層流;反之,若雷諾數(shù)較大時(shí),慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于黏滯力,流體流動(dòng)較不穩(wěn)定,流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng),形成紊亂、不規(guī)則的湍流流場(chǎng)。
流速場(chǎng)和流線
各空間點(diǎn)流速的集合構(gòu)成流速場(chǎng)。流線是流速場(chǎng)的幾何表示。它是同一瞬間不同流體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線,線上所有質(zhì)點(diǎn)的流速矢量都和該曲線相切。同一瞬間通過(guò)流動(dòng)空間各點(diǎn)的流線所構(gòu)成的流線圖給出該瞬間整個(gè)流動(dòng)的清晰圖象。若點(diǎn)流速不隨時(shí)間而變化,則為恒定流;否則為非恒定流。非恒定流的流線和流線圖隨時(shí)間而變化。
元流和總流
處處垂直于流線的液流橫斷面稱為過(guò)水?dāng)嗝妗_^(guò)水?dāng)嗝婷娣e無(wú)限小的液流稱為元流。由無(wú)數(shù)個(gè)元流所組成,過(guò)水?dāng)嗝婷娣e有限的整個(gè)液流(如管流、明渠水流)稱為總流。研究總流中斷面平均流速的大小和方向沿流程變化的規(guī)律,是水力學(xué)中常用的總流分析法。斷面平均流速的大小等于通過(guò)該斷面的流量Q除以斷面面積A,即v=Q/A,方向垂直于過(guò)水?dāng)嗝?。還可用斷面流速分布圖來(lái)表示過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俜植疾痪鶆虻那闆r。以管流為例,壁面上流速為零,由壁面到管軸,流速逐漸增大。紊流時(shí)由于橫向混摻作用,流速分布遠(yuǎn)比層流時(shí)均勻。
公式測(cè)量
根據(jù)不同情況和要求,采用不同的方法和儀器進(jìn)行量測(cè),常用的方法和儀器如下。
①皮托管:1732年由法國(guó)工程師H.皮托首創(chuàng),至今仍是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量時(shí)均點(diǎn)流速的常用儀器。其前端總壓孔(M)與側(cè)面靜壓孔 (N)通過(guò)圓頭雙層套管分別與壓差計(jì)兩端連接(見(jiàn)圖),測(cè)量總壓(p0=P∞+ρu2/2)與靜壓(p∞)即來(lái)流壓強(qiáng))之差。按伯努利方程,點(diǎn)流速為:
式中:
ρ為液體密度;
c為改正系數(shù),須通過(guò)率定求得。
②旋槳(杯)式流速儀:有多種形式,可用于現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室,都有一組可旋轉(zhuǎn)的葉片,受水流沖擊后的葉片轉(zhuǎn)數(shù)與流速有一固定關(guān)系,可通過(guò)率定求得。采用適當(dāng)裝置將轉(zhuǎn)數(shù)化為電訊號(hào)予以記錄顯示。③激光測(cè)速儀:最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)所測(cè)流場(chǎng)無(wú)干擾。④熱絲(膜)流速儀:可測(cè)瞬時(shí)流速、脈動(dòng)流速及紊流流速的隨機(jī)變化過(guò)程。⑤攝影法:根據(jù)曝光時(shí)間及亮點(diǎn)跡線長(zhǎng)度推算流速。