流体力学ppt课件

,浙江电力教育培训中心,流体力学,绪论1.1概述,研究对象,研究任务,应用,主要内容,研究方法,研究对象,液体：气体：,流体,绪论1.1概述,如电厂的水、油等,如电厂的水蒸汽、空气、烟气等,研究流体静止和运动时的宏观力学规律,解决工程技术问题,研究任务,绪论1.1概述,应用,重要的专业基础课程，该课程的目的是为了学习专业课以及从事技术工作提供必要的基础理论和实践技能,绪论1.1概述,绪论流体静力学不可压缩一元流体动力学流动阻力和能量损失管路计算附面层与绕流阻力孔口、管嘴出流和气体射流,主要内容,绪论1.1概述,研究方法,宏观微观,绪论1.1概述,流体力学有关物理量的符号、法定单位,表1-1,绪论1.1概述,绪论1.2流体的主要力学性质,一、流体的基本特征,具有流动性,流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。,绪论1.2流体的主要力学性质,（一）惯性和重力特性,二、流体的主要力学性质,密度定义：单位体积流体所具有的质量，符号,表征物体惯性的物理量,绪论1.2流体的主要力学性质,1、惯性,单位：kg/m3,对于非均质流体：,对均质流体：,绪论1.2流体的主要力学性质,单位：N/m3,2、重力特性,容重定义：作用于单位体积流体的重力，符号,表征物体重力特性的物理量,绪论1.2流体的主要力学性质,单位：N/m3,容重定义：作用于单位体积流体的重力，符号,表征物体重力特性的物理量,绪论1.2流体的主要力学性质,对于均质流体：,对于非均质流体：,3、影响流体密度的因素,流体种类,液体密度比气体大得多。,压力和温度,液体密度随p、t变化很小，气体密度随p、t变化很大。,绪论1.2流体的主要力学性质,水1000kg/m3空气1.2920kg/m3水银13590kg/m3,常见流体的密度：,表1-2,绪论1.2流体的主要力学性质,（二）粘滞性,流体内部质点（微团）或流层间如有相对运动则产生内摩擦力（即粘滞力）以抵抗相对运动的性质。,绪论1.2流体的主要力学性质,例：流体在圆管中流动（液体为例）,1、流体粘滞性分析,绪论1.2流体的主要力学性质,2、牛顿内摩擦定律,式中T流体的内摩擦力（切向力），N；A流层间的接触面积，m2；du/dy垂直于流动方向上的速度梯度，1/s；动力粘度，Pas。,绪论1.2流体的主要力学性质,式中切应力，即流层间单位接触面积上的内摩擦力N/m2，Pa。,切应力与速度梯度成正比；比例系数称动力粘度。,牛顿内摩擦定律表明：,绪论1.2流体的主要力学性质,表示流体粘滞性大小,（1）动力粘度,（2）运动粘度,3、流体的粘度,绪论1.2流体的主要力学性质,4、粘性的影响因素,液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度,气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度,温度,流体种类,流体温度,绪论1.2流体的主要力学性质,5、粘度的测量,粘度计,恩格勒粘度计,绪论1.2流体的主要力学性质,6、牛顿流体和非牛顿流体,（1）牛顿流体,（2）非牛顿流体,符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、油和水银等,不符合牛顿内摩擦定律的流体,如：油漆、橡胶、糨糊、牙膏、泥浆等,（=常数）,绪论1.2流体的主要力学性质,（三）压缩性和热胀性,流体的压缩性：P7流体的热胀性：P7,绪论1.2流体的主要力学性质,1、液体的压缩性和热胀性,压缩系数：温度不变时，单位压强变化所引起的体积或密度的相对变化率,（1）液体的压缩性,，压缩性,绪论1.2流体的主要力学性质,可知：液体很小,弹性系数：,压缩系数的倒数,绪论1.2流体的主要力学性质,（2）液体的热胀性,热胀系数：压强不变时，单位温度变化所引起的体积或密度的相对变化率,可知：液体很小。,注意：P、T变化很大时，要考虑体积变化，如高温高压下炉水密度比常温常压下小。,，热胀性,绪论1.2流体的主要力学性质,随P、T而改变气体的可压缩性要比液体的可压缩性大得多,2、气体的压缩性和热胀性,绪论1.2流体的主要力学性质,绪论1.3作用在流体上的力,按作用方式不同分为：表面力和质量力,一、质量力,作用在所有流体质点上与质量成正比的力。对均质流体：体积力,重力惯性力,单位质量力,单位质量力的轴向分力：,流体中取质量为M的质点，作用于该质点的质量力为F，F与M的比值称单位质量力,单位质量流体上的质量力,绪论1.3作用在流体上的力,绪论1.3作用在流体上的力,二、表面力,作用在被研究流体（分离体）表面上，与作用表面面积成正比的力,外力：作用在流体边界上的外力，如大气对流体自由表面的压力，容器壁面的反作用力内力：流体质点相互作用而产生，如流体内压应力和切应力,单位面积上的表面力。,应力,法向应力（压应力、压强）和切向应力,p法向应力，即流体所受压强，Pa切向应力，即流体摩擦应力，Pa,绪论1.3作用在流体上的力,绪论1.4流体的力学模型,一、连续介质与非连续介质,连续性介质假定：,定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。,优点：可利用连续函数这一数学工具来研究流体运动规律。,绪论1.4流体的力学模型,二、理想流体与粘性流体,（1）粘性流体,具有粘性的流体（0）。,（2）理想流体,忽略粘性的流体（=0）。一种最重要的理想流体模型之一。,绪论1.4流体的力学模型,三、不可压缩流体与可压缩流体,可压缩流体：考虑可压缩性的流体,不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体,绪论1.4流体的力学模型,注意：（1）简化理论推导和工程计算的模型（2）一般情况将液体看作不可压缩流体（3）对于低压、低速（60m/s）气流的计算，可按不可压缩流体处理，如空气和烟风系统。,流体概念及基本特性流体的主要力学性质作用于流体上的作用力流体的力学模型,知识点,第二章流体静力学,流体静力学,流体静力学2.1流体静压强及其特性,一、流体静压强的定义,流体静压强：在流体内部或流体与固体壁面所存在的单位面积上的法向作用力称为流体的压强，当流体处于静止状态时，流体的压强称为流体静压强符号：p，单位：Pa,注意：静（总）压力P作用于受压面上，静压强p作用于受压面上某点。,流体静力学2.1流体静压强及其特性,二、静压强的特性,1.方向性,流体静压强的方向与作用面垂直并指向作用面的内法线方向。,K,pn,pt,p,切向压力,静压力,法向压力,流体静力学2.1流体静压强及其特性,流体静力学2.1流体静压强及其特性,2.大小性,作用于流体任一点静压强的大小在各个方向上均相等，与作用面的方位无关，仅是该点坐标的函数。,流体静力学2.1流体静压强及其特性,流体静力学2.1流体静压强及其特性,重力作用下的静止均质液体：取直棱柱为分离体：,受力平衡：,质量力：只有重力，G=hdA，,一、液体静压强的分布规律,（一）液体静压强的基本方程,流体静力学2.2流体静压强的分布规律,表面力（铅垂方向）：顶面：P0=p0dA，底面：P=pdA，侧面：0,液体静压强基本方程,说明：（1）重力作用下的静止均质液体，任一点的静压强等于液面压强和该点在液面下的深度与液体容重的乘积之和。（2）一定时，ph，h，p。（3）h一定时，不同，p不同。（4）帕斯卡定律:在液体内部外压力将毫不减弱地向各方向传递,例2-1,流体静力学2.2流体静压强的分布规律,（二）连通器与等压面,连通器是指相互连通的两个或几个容器,等压面是指静止液体中，压强相等的点组成的面,流体静力学2.2流体静压强的分布规律,结论：在重力作用下，同种连续静止均质液体水平面为等压面。,（三）分界面和自由液面,分界面是指两种容重不同、互不混合的液体之间的接触表面,自由液面是指静止的液体和气体接触的表面,结论：分界面、自由表面既为水平面又为等压面。,例2-2,流体静力学2.2流体静压强的分布规律,二、高差不大时气体压强的计算,流体静力学2.2流体静压强的分布规律,表示空间各点气体压强相等,高差不大时气体静压强基本方程,例2-3,一、压强的两种计算基准,1.绝对压强P,以绝对真空（无气体分子存在）为基准点计算的压强。,2.相对压强P,以当地大气压强Pa为基准计算的压强。,真空压强Pv（真空度）,流体静力学2.3压强的计算基准和计量单位,对开口容器:,流体静力学2.3压强的计算基准和计量单位,二、压强的计量单位,常用压强计量单位：,（一）用单位面积上所承受的力表示。PaKPaMPa1Pa=1N/m2,（三）用大气压表示标准大气压atm工程大气压at,（二）用液柱高度表示。P2000,是层流,是紊流,注意：工程中实际流体（如水、空气、蒸汽等）的流动，几乎都是紊流，只有黏性较大的液体（如石油、润滑油、重油等）在低速流动中，才会出现层流。,雷诺数反映惯性力与粘滞力的比值。实际雷诺数小于临界雷诺数，反映粘滞力作用强，流体质点受粘滞力约束，处于层流状态；实际雷诺数大于临界雷诺数，反映惯性力起主导作用，粘滞力不足以约束流层间互相混杂的流体质点，流体便处于紊流状态。,雷诺数的物理意义：,流动阻力和能量损失4.2流体流动的两种流态,流动阻力和能量损失4.4沿程水头损失的计算公式,一、圆管层流运动,可见：层流时沿程损失与平均流速的一次方成正比。,沿程阻力系数，层流中仅与雷诺数有关,达西公式,流动阻力和能量损失4.4沿程水头损失的计算公式,二、圆管紊流运动,（一）层流底层与紊流核心,层流底层：流体在管内作紊流流动时，在邻近管壁的极小区域存在很薄的一层流体，由于固体壁面的粘滞作用，保持层流运动，这一流层称为。紊流核心：层流底层外，流体质点相互碰撞和掺混，称为。,层流底层：厚度几毫米或零点几毫米，实验证明随Re而过渡区紊流核心,流动阻力和能量损失4.4沿程水头损失的计算公式,绝对粗糙度K：管壁表面粗糙凸出的平均高度相对粗糙度K/d：绝对粗糙度与管径之比,水力光滑管（紊流光滑管）：层流底层厚度K时，管壁粗糙凸起淹没在层流底层中，紊流区感受不到管壁影响，K对能量损失影响很小，流体像在光滑壁面上流动，该流动称水力光滑的流动，该管道称水力光滑管水力粗糙管（紊流粗糙管）：K时，管壁粗糙凸起暴露在紊流区中，流体质点冲击凸起部位，并有旋涡产生，有较大能量损失，该流动称水力粗糙的流动，该管道称水力粗糙管,流动阻力和能量损失4.4沿程水头损失的计算公式,（二）绝对粗糙度与相对粗糙度,注意：同一根管道，在不同的流速下，可能是光滑管也可能是粗糙管。,流动阻力和能量损失4.4沿程水头损失的计算公式,（三）紊流沿程水头损失,流动阻力和能量损失4.4沿程水头损失的计算公式,仍采用达西公式,层流流动：=64/Re紊流流动：水力光滑：为Re的函数水力粗糙：为Re及K/d的函数,一、沿程阻力系数的影响因素,流动阻力和能量损失4.5沿程阻力系数的确定,层流流动：=64/Re，Re紊流流动：Re、K/d,二、尼古拉兹实验,流动阻力和能量损失4.5沿程阻力系数的确定,尼古拉兹图反映的变化规律，揭示影响的主要因素,2、临界区：层流向紊流转变,结论：,1、层流区,3、紊流光滑区,4、紊流过渡区：光滑管到粗糙管,5、紊流粗糙区（阻力平方区）,流动阻力和能量损失4.5沿程阻力系数的确定,Re2000,Re=20004000,Re，,Re，,Re4000,2、临界区：不稳定，无实用意义,1、层流：,3、紊流光滑区：式4-28、29、30,4、紊流过渡区：式4-34、35,管壁当量粗糙度：表4-1,流动阻力和能量损失4.5沿程阻力系数的确定,三、沿程阻力系数的计算,（一）用公式计算沿程阻力系数,5、紊流粗糙区：式4-31、32、33（阻力平方区）,（二）图解法莫迪图求解沿程阻力系数,（1）表4-1查所用管道当量粗糙度K（2）计算相对粗糙度K/d（3）计算雷诺数（4）查莫迪图求值,采用莫迪图确定值步骤：,流动阻力和能量损失4.5沿程阻力系数的确定,局部阻力损失:弯头、三通、阀门、收缩、扩展等部位,流动阻力和能量损失4.7局部水头损失的计算,一、局部损失产生的原因,流动阻力和能量损失4.7局部水头损失的计算,产生原因：,（1）过流断面突变处，流体因惯性与管壁脱离形成旋涡区（2）主流与旋涡之间的流体质点发生剧烈的碰撞和摩擦,二、局部损失的计算公式,流动阻力和能量损失4.7局部水头损失的计算,hj局部水头损失，m局部阻力系数v断面平均流速，m/s，一般指局部损失发生后断面,三、局部阻力系数的确定,表4-2,注意：每一局部管件确定是独立实验完成，不受其他管件局部损失干扰，各局部管件间距离不得小于直径的三倍，否则需另作实验获得数据,流动阻力和能量损失4.7局部水头损失的计算,第五章管路计算,管路计算,水击现象：有压力管路中，由于某种外界原因（如水泵突然停止工作或启动、阀门突然关闭或开启），使液流速度发生急剧变化，从而引起液体内部压强在极短时间内大幅度升降的现象，这种现象称水击或水锤,管路计算5.4有压管路中的水击,危害：危及管道系统及设备安全（金属表面麻点、阀门损坏、管道接头断开甚至管道爆炸事故）,一、水击的发生及水击波的传播,根本原因：液体的惯性和压缩性,管路计算5.4有压管路中的水击,管路计算5.4有压管路中的水击,升压过程压强