伯努利定律流体的连续性

p为压强,ρ为流体密度,v为流体流动的速度。这个公式的含义是在密度不变的情况下,压强和速度是相反的关系。例如:空气或水这样的流体在密度不变的时候,流动的速度越快,内部的压强越低,反之,流动的速度越慢,内部的压强越高。

根据伯努利定律,当空气流过机翼时,在翼型的作用下,机翼上下表面空气流速不同,从而产生了压力差,带来升力,飞机才能够升空。

在不考虑流体(包括气体和液体)的可压缩性和粘性的情况下,一定时间内流过同一管道不同位置的流体的量是一样的。如图所示,流体密度ρ为常数,即管道截面S1处和S2处在相同时间内流过了同样体积的流体。

体积流量Q = 流动速度V1 × 横截面积S1 × 时间T
体积流量Q = 流动速度V2 × 横截面积S2 × 时间T

或者:Q = V1S1T = V2S2T

将上式约分,转变成:V1S1 = V2S2

这个方程叫做流体连续性方程,说明流体的流动是连续不间断的。也可以表示为:VS = 常数(不可压缩理想流体的流动)

捏住喷水的水管口,水流喷出的速度会增大,就是流体连续性方程在现实中的体现。为什么流体在流过狭窄的管道时会加速?是什么改变了流体的速度?

想象某个流动中的空气微团,如果各个方向对它施加的压力相等,那么它就处于平衡状态。反之,如果这个微团不处于平衡状态,根据牛顿运动定律,如果后部的压力大于前部的压力,速度会增加;如果后面的压力小于前面的压力,速度则减小。

微团并不是孤立的,而是某个流动中的一部分,流体连续性方程所显示的规律是适用于每个微团的。大量的流动中的微团构成了流动的流体。因此,如图所示,不可压缩理想流体的水平流动有如下规律:流动中的速度变化与压力变化是相反的,速度增加,则压力减小,速度减小,则压力增加。

在低速无人机问题中,不考虑空气的可压缩性,空气密度ρ是常数,那么空气的压力和速度变成了直接关联互相影响的两个变量,如果其中一个变化,那么另一个必然跟着变化。在管道的收缩区,横截面变小使流速增加。根据伯努利定律,速度的增加必然造成压力的降低。