伯努利方程是流体力学中的一个重要公式,它描述了理想流体在稳定流动状态下能量守恒的关系。这个方程对于解决许多实际问题非常有用,下面我们就通过一个具体的例子来说明它的应用。
假设我们有一个水平放置的管道系统,其中一段管道较窄,另一段较宽。已知较窄部分的直径为d₁=0.05m,流速v₁=4m/s,压力p₁=1.2×10⁵Pa;较宽部分的直径为d₂=0.1m。如果忽略粘滞力的影响,并且大气压强p₀=1.013×10⁵Pa,请计算较宽部分的压力p₂以及流速v₂。
首先,根据连续性原理,我们知道:
A₁v₁=A₂v₂
其中A₁和A₂分别为管道两端横截面积,即:
A₁=(π/4)d₁²≈0.0019635m²
A₂=(π/4)d₂²≈0.007854m²
代入数据可得:
0.0019635×4=0.007854×v₂
解得v₂≈0.999m/s
接下来应用伯努利方程:
(p₁+ρgh₁)+(1/2)ρv₁²=(p₂+ρgh₂)+(1/2)ρv₂²
由于管道是水平放置,高度差h₁=h₂,因此重力势能项相互抵消。同时,假设水的密度ρ=1000kg/m³,则伯努利方程简化为:
p₁+(1/2)ρv₁²=p₂+(1/2)ρv₂²
将已知条件代入:
1.2×10⁵+(1/2)×1000×4²=p₂+(1/2)×1000×0.999²
解得p₂≈1.199×10⁵Pa
综上所述,在上述条件下,较宽部分的压力约为1.199×10⁵Pa,流速约为0.999m/s。
以上便是利用伯努利方程解决实际问题的一个典型例子。需要注意的是,在实际工程中还需要考虑更多因素如摩擦损失等,但在理想情况下,该方法能够提供准确的结果。通过这样的练习可以帮助我们更好地理解伯努利方程及其应用场景。