level 12
水流在经过固定的界面壁时,由于界面壁的粗糙(包括宏观和微观),存在很多凸起楔子,当水分子团冲击楔子时,楔子就像一个弹性阻尼器沿着流向往复振动,一方面,边界壁分子的随机转动中叠加一个定向的转动动量后,整体的边界壁分子的转动动能升高,根据能量均分原理,分子平均平动动能也升高,即温度升高,热量散失,水流动能动量减少,形成阻尼;另一方面,楔子被冲击后偏离平衡位,会导致分子势能升高,其释放势能不仅对接触面的水也会对面壁更深处的分子释放能量,部分转化为热能,导致能量散失,形成对水流的阻尼。
2020年07月16日 20点07分
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level 12
同样的,对于紊流、湍流导致的水流内部流速不一致,也会产生上述阻尼效应,只是对于液体水来说,偏离平衡位的势能很小,主要应该是转动动能增加引起的发热效应。
2020年07月16日 21点07分
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level 12
湍流、紊流的阻尼效应会减少各部分水流的流速差,最终在无外界进一步非均匀力场或扰动的情况下,会趋向于稳定的平流。那么,水流的阻尼就完全来自于边界壁,但边界壁的阻尼又导致越靠近边界流速越慢,这又导致平流的流速差,产生粘滞阻尼,所以平稳水流中间的流速是最大的,出口流速也相对冲得最远。
2020年07月16日 21点07分
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level 12
所以平稳层流的水流,阻尼来自边界壁和层间粘滞力,当然也可以说全归之于边界摩擦力。
2020年07月16日 21点07分
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level 12
经一管壁的水流,动力来自进口侧与出口侧的压力差以及管壁内水分子的重力势能,阻力来自管壁阻力和管壁内水分子的重力势能。
2020年07月16日 21点07分
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level 12
除了管壁摩擦阻力,应该还有管壁正向或侧向受到的冲击产生的反向阻力。
2020年07月16日 21点07分
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level 12
据说伯努利原理适用于非粘滞不可压缩流体,那对于侧向开放的流体呢?如空气中的水流,在空气中的水流,水流中的水分子可以侧向扩散到空气中,形成动量和压强差,即水流中的压强与水流侧向的空气压强是不一样的(包括边界处,牛三定律只适用于质点,不适用于有粒子交换的质点系),也就没法成立伯努利现象。
另外,请教下,稳定的平流水流,在各个方向测得的压强应该会略微有所区别吧?横向或斜向的压强相等,沿流向的压强略大Δp,Δp*s=f,f为该段的阻尼,阻尼可以是管壁摩擦力,也可以是重力等其它力,或者平流层间粘滞力。但由于一般大气压远大于流体的驱动压(高压水枪除外),匀速平流的流体内各向压强差异不大。
2020年07月17日 14点07分
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level 12
伯努利原理的压强是水流的侧向主动施加的压强p,包括接触压强和溢出反弹的压强(2Δp),该压强p符合伯努利原理,当侧向开放时,对界面空气产生的压强则为p-Δp等于大气压。
2020年07月17日 14点07分
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level 12
对于管道出口的水流来说,某一流线,出口侧沿流向单位流线冲压力-流线路径的摩擦压力之和=大气压力,出口侧动能又等于摩擦阻力(或黏滞力)及重阻力做的功,而摩擦力或黏滞力又与速度有关,上述约束联立,可知,管道出口侧水流的速度和压强不仅与管道形态管道出口及管道源头压强有关,也与出口后的环境介质、末端动量、路径及路径势场有关。
2020年07月17日 14点07分
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level 12
对于管道由大变小或在管道出口突然变狭窄的情况,假设只有对应出口大小的流线流动(即全程水流径向一样大的流线集合),而旁边的水流不流动,则根据伯努利原理,流动部分侧压强将小于周边非流动部分,进而导致水分子从“非流动部分”汇入流动部分,所以整个管道内水都是流动的,并不存在非流动部分。
2020年07月17日 14点07分
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最后一个问题,管道在出口侧变狭窄后,水流是怎么加速的?
2020年07月17日 14点07分
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level 12
我觉得可以从两个层面理解:1、由于水的不可压缩性,从侧方嵌入一些水分子后,沿着流向的水分子受挤压,向两侧产生推力,由于侧向流入也罢,自身流入也罢,源动力都来自始端,若始端为稳压强的,则推力会全反馈到出口端,使得出口水流加速;2、类似电流,出口阻尼相当于电阻R0,出口对应流道阻尼相当于电阻R1,侧方水流阻尼相当于电阻R2,R1与R2并联再串接R0,同样的电压施加其上,该并串电路电流显然大于R1、R0串接电路。
2020年07月17日 14点07分
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