流动与连续性

连续性方程首先不是一条“管道公式”,而是质量守恒的表达。抓住这一点后,收缩、分流、喷嘴以及可压缩流都只是同一个守恒思想的不同应用。

体积流量与质量流率

Q = dV/dt = Av    ·    ṁ = ρAv

取截面积为 A 的截面。在短时间 Δt 内,平均法向速度为 v 的流体前进约 vΔt,因此通过截面的体积约为 ΔV=AvΔt。于是 Q=dV/dt=Av,Q 是体积流量,SI 单位为 m³·s⁻¹。若密度为 ρ,则每秒通过的质量为 ṁ=ρAv。质量流率更一般,因为即使密度改变,质量仍必须守恒。只有在同一股不可压缩流体连续通过时,截面变窄才必然对应平均速度增大;这不是关于“窄管”的普遍经验法则。

连续性就是质量守恒

ρ₁A₁v₁ = ρ₂A₂v₂

对稳态流动中一个入口和一个出口所围成的控制体,如果内部没有质量积累,则进入与流出的质量流率必须相等:ρ₁A₁v₁=ρ₂A₂v₂。若流体可视为不可压缩,ρ₁=ρ₂,于是 A₁v₁=A₂v₂=Q。截面积减为四分之一时,平均速度增为四倍。注意公式中出现的是面积而不是直径。

例题:喷嘴

水在直径 3.0 cm 的软管中以 1.5 m·s⁻¹ 流动,然后进入直径 1.0 cm 的喷嘴。因为 A∝d²,A₁/A₂=(3.0/1.0)²=9。因此 v₂=(A₁/A₂)v₁=13.5 m·s⁻¹。速度增加九倍而不是三倍,因为直径缩小三倍意味着截面积缩小九倍。

分支与储存

稳态不可压缩分流

在没有储存的分流点,Qin=Q₁+Q₂+…。总流出体积流量等于总流入体积流量,但各支路不需要彼此相等。

一般质量平衡

更一般地,ṁ入 − ṁ出 = dM内/dt。如果水箱正在充满或排空,某一时刻的流入和流出就不必相等。控制体观点能避免“每条支路流量都相同”这一常见误解。

连续性方程的局部形式

管道形式只是更一般场方程的一个特例:∂ρ/∂t+∇·(ρu)=0。第一项表示局部密度随时间变化,散度项表示质量通量在一个小区域内是发散还是汇聚。对不可压缩流,常见结果是 ∇·u=0。“不可压缩”指随流体运动的微小流体元密度基本保持不变,并不意味着所有问题中每个位置都必须具有完全相同的数值密度。

连续性不是伯努利方程

连续性

来自质量守恒,连接 ρ、A 和 v。它说明给定几何与密度变化时,流量和平均速度必须怎样配合。

伯努利

来自在附加假设下的能量平衡,把压力、速度和高度沿流线联系起来。收缩可以通过连续性迫使速度增加,但连续性本身不能给出压力;压力还需要动量或能量关系及其适用条件。

实验检验与模型边界

可以在一定时间内收集出口流体,用收集体积除以时间得到 Q,再测量内径求 A,从而得到平均速度 v=Q/A。换用不同喷嘴重复实验,就能直接检验面积–速度关系。简单式 A₁v₁=A₂v₂ 假设稳态、不可压缩且两截面之间无泄漏和储存。密度显著改变的气体应使用 ρAv;水箱充放需要加入积累项;有泄漏的管线要把泄漏作为额外出口。

练习

管道收缩

不可压缩液体以 2.0 m·s⁻¹ 通过 6.0 cm² 的截面,随后管道缩小到 2.0 cm²。求新的平均速度。

解答

由 A₁v₁=A₂v₂,v₂=(6.0/2.0)×2.0=6.0 m·s⁻¹。

分流点

稳态不可压缩流以 12 L·s⁻¹ 到达分流点,一条支路流量为 4 L·s⁻¹。若无储存,另一支路流量是多少?

解答

Q₂=12−4=8 L·s⁻¹。

可压缩流

为什么气体密度显著变化时,A₁v₁=A₂v₂ 不够用?

解答

因为密度变化时体积流量本身不守恒。稳态单入口–单出口应使用 ρ₁A₁v₁=ρ₂A₂v₂。