第一讲 流体水特性6-15.ppt

流体静力学Hydrostatics 流体力学的一个分支 研究静止流体 液体或气体 的压力 密度 温度分布以及流体对器壁或物体的作用力 水静力学Hydrostatics 流体力学的一个分支 研究水的压力 密度 温度分布以及流体对器壁或物体的作用力 水 就是流体 流体 就是水 1 建立流体物理特性 2 静力学基本方程的应用 3 连续性方程 柏努力方程的物理意义 适用条件 应用柏努力方程解题的要点和注意事项 应重点了解 掌握的内容 a 边界层的基本概念 边界层的形成和发展 边界层分离 b 牛顿型流体和非牛顿型流体两种流型 层流和湍流 的本质区别 处理两种流型的工程方法 解析法和实验研究方法 c 流量测量 d 管路计算 管路系统总能量损失方程 4 流体性质 流体为什么会流动 我们需要了解和掌握水流体的特征 让流体在我们设计的花洒水出口 按照我们的意愿 让水随心所欲地流动 用理论指导设计弱化TRY ERROR方式 位元体左右力的不平衡 压力差 5 流体的特征 易流动 抗剪和抗张的能力很小 无固定形状 随容器的形状而变化 在外力的作用下其内部发生相对运动 宏观上足够小 以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点 同时微观上足够大 它里面包含着许许多多的分子 其行为已经表现出大量分子的统计学性质 流体微团 或流体质点 把流体视为由无数个流体微团 或流体质点 所组成 这些流体微团紧密接触 彼此没有间隙 这就是连续介质模型 6 流体 液体 水 和气体统称为流体 在研究流体流动时 通常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质 每个分子集团称为质点 流体具有许多独特的特性 可广为利用 流体 液体 水 概念上通用 流体的物理性质物理性质主要包括流动性 压缩性 粘性 表面张力和毛细现象 流动性流体在微小剪切力作用下具有连续变形的性质 只要这种力继续作用 流体就会继续变形 直至外力停止时为止 固体则不同 当固体受到剪切力作用时 也产生相应的变形 但只要外力保持不变 固体的变形也就不再进一步变化 流体的易流动性决定了它的形状随容纳它的容器而变化 压缩性流体受压后体积会缩小的性质 每增加单位压力时 单位体积流体所引起的体积减小 称为压缩系数 压缩系数 式中 为密度 V为体积 为压力 压缩系数的倒数是体积模量 0时的流体称为不可压缩流体 它是一种理想的简化模型 水可近似地认为是不可压缩流体 粘性流体抵抗连续变形的性质 当相邻两层流体之间有相对滑移时 层间会产生剪应力 内摩擦力 以抵抗这种相对滑移 粘性使流体粘附在它所接触的固体表面 粘性引起机械能的耗散 流体的剪应力与变形速率的比值称为动力粘度或粘度 粘度为零的流体称为无粘性流体 它也是一种理想的简化模型 液体的粘度随温度的升高而减小 气体的粘度随温度的升高而增大 剪应力与变形速率成正比的流体称为牛顿流体 不符合此规律的流体称为非牛顿流体 气体和分子结构简单的液体都是牛顿流体 高分子溶液 原油 润滑脂和煤泥浆等都是非牛顿流体 表面张力和毛细现象表面张力是液体本身作用在液面上的使其表面积尽量缩小的力 它是由液面分子间的吸引力引起的 液体的表面张力随温度的升高而降低 毛细管插入液体时 毛细管内的液面会升高或降低 这种现象叫作毛细现象 它是由液体与固体壁面接触时 液体的内聚力和液体与固体壁面的附着力不同而引起的 液体浸润固体壁时 液面沿毛细管上升成凹面 若液体不浸润固壁 液面下降成凸形 9 流体的特征之一是具有流动性 1 水充满整个空间 流量连续方程 花洒出水有在跳 脉动 是因为水在流动管路中的不连续 什么原因 流动分离 空腔 排除原因 解决问题 10 11 水流自上而下像一张水帘一样垂到水池中 非常唯美 13 流体的特征是具有流动性 流体在流动过程中具有一定的规律性 这些规律对花洒设计具有一定的指导作用 2 水和固体边界互不渗透 14 3 水有表面张力 15 流体的特征是具有流动性 3 水有表面张力 小尺度下水滴 表面张力起主要作用 16 太空水滴呈现完美球形像有弹力皮肤 内部压强为0 表面张力 促使液体表面收缩的力叫做表面张力 即液体表面相邻两部分之间 单位长度内互相牵引的力 在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0 但在表面的一个水分子却不如此 因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力 所以该分子所受合力不等于零 其合力方向垂直指向液体内部 结果导致液体表面具有自动缩小的趋势 这种收缩力称为表面张力 将水分散成雾滴 即扩大其表面 有许多内部水分子移到表面 就必须克服这种力对体系做功 表面功 显然这样的分散体系便储存着较多的表面能 surfaceenergy 表面张力系数 定义 如液面被长度为L的直线分成两部分 这两部分之间的相互拉力F是垂直于直线L 并与表面相切 比例系数 就是液体的表面张力系数 它表示液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力 18 表面张力系数的测量可以使用环 片 张力表或毛细现象可以测量表面张力 可以对悬着的液滴进行光学分析和测量来确定液体的表面张力系数 一些测量方法 1 毛细管上升法 简单 将毛细管插入液体中即可测量 虽然精确度可能不高 2 挂环法 这是测量表面张力的经典方法 它甚至可以在很难浸湿的情况下被使用 用一个初始浸在液体的环从液体中拉出一个液体膜 类似肥皂泡 同时测量提高环的高度时所需要施加的力 3 威廉米平板法 这是一种万能的测量方法 尤其适用于长时间测量表面张力 测量的量是一块垂直于液面的平板在浸湿过程中所受的力 4 旋转滴法 用来确定界面张力 尤其适应于张力低的或非常低的范围内 测量的值是一个处于比较密集的物态状态下旋转的液滴的直径 5 悬滴法 适用于界面张力和表面张力的测量 也可以在非常高的压力和温度下进行测量 测量液滴的几何形状 6 最大气泡法 非常适用于测量表面张力随时间的变化 测量气泡最高的压力 7 滴体积法 非常适用于动态地测量界面张力 测量的值是一定体积的液体分成的液滴数量 20 21 4 水的附壁性 22 4 水的附壁性 CoandaEffect康达效应 亦称boundarylayerattachment边界层吸附效应 附壁作用 射流效应流体 水流或气流 有离开本来的流动方向 改为随着凸出的物体表面流动的倾向 万有引力 当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时 流体的流速会减慢 只要物体表面的曲率不是太大 依据流体力学中的伯努利原理 流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动 亨利 康达 罗马尼亚发明家 4 水的附壁性 coandaeffect jpg 别隆采圆盘 纳粹德国很早就开始了对UFO的研究 并从飞碟中受到启发并仿造 早在1940年末 德国就成立了一个名为 爆破手研究室13 的秘密机构 其任务是专门研究秘密飞行器 别隆采圆盘采用了奥地利发明家维克托 舒柏格研制的 无烟无焰发动机 这种发动机的工作原理是 爆炸 运转时只需要水和空气 在周围共装置了12台这种发动机 它喷出的气流给飞行器提供了巨大的反作用力 且用来冷却发动机 由于发动机不断大量地吸入空气 因此在飞行器上空造成了真空区 从而为飞行器提供了巨大的升力 1940年 德国工程师施里维尔制造出第一个飞碟式飞行器1号模型 1945年2月19日 这架耗资数百万的飞行器终于进行了它第一次也是最后一次试飞 令人震惊的是 在短短的3分钟之内 它升到了15000米的高空 平飞速度高达2200公里 小时 同时它还可以悬停在空中 无需转弯就可以任意向前或向后飞行 27 水的流动规律对花洒设计的指导作用具体表现在以下几个方面 1 水在花洒管路中的输送管径的确定 2 压强 流速和流量的测量为花洒开口尺寸提供依据 3 为水流提供适宜的导管流动条件 花洒水出口形态与水在管内流动状况有一定的关系 密切 28 流体静止的基本方程 1 1流体的物理性质 密度 kg m3 恒密度流体和变密度流体 气体 气体混合物 液体混合物 体积分率 a 质量分率 以1m3混合物为基准 以1kg混合物为基准 比容 比重 d 定义 单位体积流体所具有的质量 kg m3 29 1 2流体的压强 定义 特性 垂直作用于器壁 在同一流体的相同水平面上各方向的压强相同 单位 Pa atm 某流体柱高度 bar 巴 kgf cm2等 基本关系 1atm 101325Pa 101 3kPa 0 1013MPa 1 033Kgf cm2 10 33mH2O 760mmHg1bar 105Pa 建筑装饰瓦工要用到水平线找水平 就是在皮管里灌水 不要灌太满 直到皮管里没有水泡 如果有水泡则水平不准确 后取皮管两头一起按在墙壁上 看水位在何处 两头水位齐平说明水平准确 再拉一头固定在一处 固定端 另一头拉到另一处 移动端 由移动端上下移动 另一头 固定端 水位到达固定点 就是自己想要的地点 水位不再上下浮动时 则两水位水平 30 31 计算基准 表压强 绝对压强 大气压强真空度 大气压强 绝对压强 压力大小的两种表征方法 绝压 表压 真空度的关系 32 2 对理想气体 其密度与压强和温度有关 当实际状态与手册中标明的状态不一致时 需校正 实际上理想气体的密度可按下式计算 33 3 对混合物的平均密度还需通过以下公式计算 纯组份A B的密度 kg m3 xwA xwB A B的质量分数 xVA xVB A B的体积分数 yA yB A B的摩尔分数 34 1 1 2流体的粘度 1 牛顿粘性定律流体在管内流动时 其速度分布规律为 靠近管中心的速度较大 靠近管壁的速度较小 实验可验证 35 流体在圆管内流动时 在一定的条件下可视为被分割成无数层极薄的圆筒 一层套一层 每层称流体层 流体层上各质点的速度相等 相邻两层中靠近管中心的速度较大 靠近管壁的速度较小 前者对后者起带动作用 后者对前者起拖曳作用 相邻流体层之间的这种相互作用称内摩擦力 36 带动作用是由流体静压力所产生的 而拖曳作用是由流体内在的一种抗拒向前运动的特性所产生的 这种特性称粘性 粘性是内摩擦力产生的原因 内摩擦力是粘性的表现 流体在流动时的内摩擦力是流动阻力产生的依据 37 流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 38 39 流体在平板间流动时 实验证明 流体在管内流动时 牛顿粘性定律 40 41 牛顿型流体 服从牛顿粘性定律的流体 包括全部气体与大部分液体 非牛顿型流体 不服从牛顿粘性定律的流体 包括稠厚液体或悬浮液 42 2 流体的粘度 2 物理意义促使流动产生单位速度梯度的剪应力 因此 粘度是流体运动时的特性 1 定义 43 3 求取 查手册 或实验测定 混合物的粘度不能按组分叠加计算 只能用专门的经验公式估计 44 4 影响因素 温度 液体的粘度随温度升高而减小 气体的粘度则随温度升高而增大 压强 压强变化时 液体的粘度基本不变 气体的粘度随压强增加而增加得很少 只有在极高或极低的压强下 才考虑压强对气体粘度的影响 45 5 粘度的单位 P 泊 g cm s 1P 100cP 厘泊 1Pa s 10P 1000cP 46 3 理想流体黏度为零的流体 严格讲 在流动过程中 流动阻力为零的流体 47 1 2 1静止流体的压力 1 定义 2 单位 Pa 帕斯卡 SI制 atm 标准大气压 某流体柱高度 kgf cm2 工程大气压 bar 巴 等 1 2流体静力学基本方程式 48 其之间换算关系为 1atm 760mmHg 1 0133 105Pa 1 033kgf cm2 10 33mH2O 1 0133bar 49 3 表示方法绝对压强 以绝对零压作起点计算的压强 是流体的真实压强 表压强 绝对压强比大气压强高出的数值 真空度 绝对压强低于大气压强的数值 50 换算关系 表压强 绝对压强 大气压强真空度 大气压强 绝对压强 例1 2 P17 51 1 2 2流体静力学基本方程式 1 内容描述静止流体内部压力 压强 变化规律的数学表达式 52 2 使用条件 静止的同一种连续的流体 流体密度恒定 由流体静力学基本方程式可得到以下结论 53 流体静止的基本方程 1 1流体的性质 密度 kg m3 恒密度流体和变密度流体 气体 气体混合物 液体混合物 体积分率 a 质量分率 以1m3混合物为基准 以1kg混合物为基准 比容 比重 d 54 1 2流体的压强 定义 特性 垂直作用于器壁 在同一流体的相同水平面上各方向的压强相同 单位 Pa atm 某流体柱高度 bar 巴 kgf cm2等 基本关系 1atm 101325Pa 101 3kPa 0 1013MPa 1 033Kgf cm2 10 33mH2O 760mmHg1bar 105Pa 55 计算基准 表压强 绝对压强 大气压强真空度 大气压强 绝对压强 压力大小的两种表征方法 绝压 表压 真空度的关系 56 若已知某地的大气压力为750mmHg 而设备A内压力为1000mmHg 则PA表 mmHg Pa 若设备B的真空度为300mmHg 则PB 绝 mmHg 250 33330 59 450 33775 57 dz 1 2流体静力平衡 流体静压力特点 同一水平面上各点的流体静压力相等 但 不同高低位置 p却不一样 力的平衡 58 1 在静止的 连续的同一液体内 处于同一水平面上各点的压强都相等 等压面 2 当液面上方的压强po有改变时 液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变 巴斯葛原理 3 压强差的大小可以用一定的高度的液体柱表示 如 mH2O mmHg 流体静力学基本方程式的讨论 59 本题附图所示的开口容器内盛有油和水 油层高度h1 0 7m 密度 1 800kg m3 水层高度h2 0 6m 密度 1000kg m3 1 判断下列两关系是否成立 即pA pA pB pB 2 计算水在玻璃管内的高度 解 1 判断题给两关系式是否成立 由等压面的知识可知 pA pA 的关系成立pB pB 的关系不能成立 2 计算玻璃管内水的高度h 因pA pA pA pa 1gh1 2gh2pA pa 2gh 于是pa 1gh1 2gh2 pa 2gh 800 0 7 1000 0 6 1000h 解得h 1 16m 补例1 60 1 4流体静力学基本方程式的应用 一 压强与压强差的测量 1 U管压差计 指示液 汞 四氯化碳 水 液体石蜡等 由静力学方程可得 不互溶 61 U管压差计 62 1 当容器液面上方的压强一定时 静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度 和该点距液面的深度h有关 因此 在静止的 连续的同一液体内 处于同一水平面上各点的压强都相等 63 2 当液面上方的压强p0改变时 液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变 3 式p p0 gh可该写为 p p0 g h 说明压强差的大小可以用一定高度的液柱表示 但必须标明是何种液体液柱 64 3 流体静力学基本方程式的推导 自学 65 1 2 3流体静力学基本方程式的应用 1 压强与压强差的测量测量压强的仪表种类很多 其中以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计 它可测量流体的压强或压强差 其中较典型的有下述两种 66 1 U管压差计指示液要与被测流体不互溶 不起化学反应 且其密度应大于被测流体 67 A 指示液 B 待测液体 68 69 70 3 微差压差计压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C 且指示液C与被测流体B亦不互溶 为了读数方便 使U管的两侧臂顶端各装有扩大室 俗称 水库 71 A 指示剂C 指示剂B 扩大室 72 例1 4 P21 73 2 液位的测量 74 3 液封高度的计算化工生产中一些设备需要液封 液封高度的确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的 例1 8 例1 9 P24 75 76 1 3流体在管内的流动 1 3 1流量与流速 1 流量单位时间内流过管道任一截面的流体量 77 质量流量ws 流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量 体积流量Vs 流体单位时间内流过管道任一截面的流体体积 78 2 流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离 由于流体在管截面上的速度分布较为复杂 通常流体的流速指整个管截面上的平均流速 表达式为 79 由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化 故气体的流速也随之而变 因此采用质量流速较为方便 质量流速 单位时间内流体流过管道单位截面积的质量 80 由流量和流速可确定管道的直径d 流量一般由生产任务所决定 流速的选择视具体情况而定 一般选用经验数据 具体见表1 1 P26 计算得到的管径需进行标准化 例1 10 P26 81 1 3 2定态流动与非定态流动 定态流动 在流动系统中 各截面上流体的流速 压强 密度等有关物理量不随时间而变化 这种流动称为定态流动或稳定流动 非定态流动 在流动系统中 各截面上流体的流速 压强 密度等有关物理量随时间而变化 这种流动称为非定态流动或不稳定流动 82 1 进水管2 溢流管3 水箱4 排水管 83 1 3 3连续性方程式 84 根据物料衡算推导出管道内定态流动的连续性方程式 若流体视为不可压缩流体 常数 则有 85 当体积流量一定时 流速与管径的平方成反比 即 86 1 3 4柏努利方程式 1 流动系统的总能量衡算 进出系统的能量 J kg 内能U位能gZ动能u2 2静压能pv热能Q外功 净功 W 总机械能 总能量 87 1 换热器2 泵 88 根据能量守衡定律可得 89 2 流动系统的机械能衡算式与柏努利 Bernouli 方程式 1 流动系统的机械能衡算式 90 91 2 柏努利 Bernouli 方程式对不可压缩流体 其比容 和密度 为常数 故有 92 讨论 理想流体在管道内作定态时 无外功加入 其总机械能在各截面处相等 93 有效功率Ne Wews对可压缩流体 当 p1 p2 p1 20 时 上式仍可用 p取平均值 当流体静止时 u 0 则可得到流体静力学方程式 94 3 柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关1 以单位质量流体为衡算基准 单位 J kg 95 2 以单位重量流体为衡算基准 单位 m 分别称位压头 动压头 静压头 压头损失 96 3 以单位体积流体为衡算基准 单位 Pa 97 4 应用柏努利方程式解题要点 1 作图与确定衡算范围 2 截面的选取 上 下游截面 3 基准水平面的选取 4 单位必须一致 98 p可采用绝对压强或表压两种表示方法 99 1 3 5柏努利方程式的应用 1 确定管道中流体的流量2 确定容器间的相对位置3 确定输送设备的有效功率4 确定管道中流体的压强5 测定流体流经管道时的能量损失 100 1 4 1流动类型与雷诺准数 前面所提到的流体内可视为分层流动的型态 仅在流速较小时才出现 流速增大或其他条件改变 会发生另一种与此完全不同的流动型态 这是1883年由雷诺 Reynolds 首先提出的 他曾由实验直接地考察流体流动时的内部情况以及有关因素的影响 1 4流体流动现象 101 1 雷诺实验与雷诺准数 1 实验装置 102 2 实验观察到的现象 滞流或称层流 湍流或称紊流 103 3 影响流动类型的因素流速u 管径d 流体的粘度 密度 能否用更少的参数代替流速 管径 流体的粘度 密度等参数来确定流动类型呢 104 4 雷诺准数雷诺通过分析研究发现 将影响流动类型的诸因素组合成数群du 其值的大小可以判断流动属于滞流还是湍流 这个数群称雷诺数 用符号来Re表示 单位 m0kg0s0 105 u2 单位时间通过单位管截面的动量 u d 流体的剪应力 雷诺准数的物理意义 反映了流体在流动过程中惯性力 动量 与黏性力 剪应力 的对比关系 106 2 滞流与湍流1 雷诺准数的不同实验发现 流体在圆形直管内流动时 Re 2000滞流或层流Re 4000湍流或紊流2000 Re 4000过渡流 107 2 流体内部质点的运动方式滞流 轴向运动湍流 轴向运动 径向运动3 速度分布不同4 流动阻力产生的依据不同滞流 内摩擦应力湍流 内摩擦应力和湍流应力 108 1 4 2流体在圆管内流动时的速度分布 1 层流 109 设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动 于管轴心处取一半径为 长度为的流体柱为研究对象 推动力 摩擦阻力 110 111 112 工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强降 113 114 2 湍流由于湍流运动的复杂性 尚未能从理论上推倒出管内的速度分布式 只能用经验公式表达 R 管的半径 r 点到管壁的距离 n的值在6至10之间 雷诺数愈大 n的值也愈大 当Re 105左右时 n 7 115 所以湍流时 流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的0 82倍 平均流速u 116 1 4 3边界层的概念 实际流体与固体壁面作相对运动时 流体内部都有剪应力作用 由于速度梯度集中在壁面附近 故剪应力也集中在壁面附近 远离壁面处的速度变化很小 作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略 这部分流体便可以当作理想流体 117 所以 分析实际流体与固体壁面的相对运动时 应以壁面附近的流体为主要对象 这就是本世纪初普兰德提出的边界层学术的出发点 118 1 边界层的形成实际流体沿壁面流动时 可在流体中划分出两个区域 边界层区 在壁面附近存在较大的速度梯度 流动阻力主要集中在此区域 主流区 外流区 速度梯度视为零的区域 流动阻力可以忽略不计 119 120 121 2 边界层的分离边界层分离 边界层脱离壁面的现象 流体流动过程中产生边界层分离而引起机械能损耗 这种阻力称形体阻力 流体沿壁面流动时的流动阻力称摩擦阻力 122 123 1 5流体在管内的流动阻力 流动阻力产生的原因和影响因素 流体具有粘性 使得流体在流动时存在内摩擦力 壁面的形状 所以 流动阻力的大小与流体本身的物理性质 流动状况及壁面的形状等因素有关 124 由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同 故需分开计算 125 1 5 1流体在直管中的流动阻力 1 圆形直管阻力 126 127 128 129 由于总摩擦应力包括粘性摩擦应力和湍流应力 所以流型有影响 另外 管壁的粗糙度也有影响 下面分别加以讨论 130 2 管壁粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管 玻璃管 黄铜管 塑料管等粗糙管 钢管 铸铁管等 反映管道的粗糙程度的参数 绝对粗糙度 相对粗糙度e d 131 滞流 与e无关 湍流 与e有关 132 3 滞流时的摩擦系数 133 4 湍流时的摩擦系数与量纲分析 1 量纲分析量纲一致性原则 凡是根据基本物理规律导出的物理方程 其中各项的因次必然相同 2 定理 无因次数群 1 2 的数目i等于影响该现象的物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次的数目m 即 i n m 134 称为欧拉 Euler 准数 用Eu表示 K b k q值通过实验确定 135 136 上式称经验关联式或半经验半理论式 计算起来都比较复杂 工程计算中 一般将经验数据进行整理 以e为参数 绘出Re与 的关系图 根据e和Re可查得 的