3热工流体动力学基础PPT课件

1、第一章 流体力学基础12021/7/23流体流动描述方法拉格朗日法 跟踪每个流体质点的运动过程，描述其运动参数（如位移、速度等）与时间的关系。欧拉法 不着眼于个别流体质点的运动，而是在固定空间位置上，观察在不同时刻流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密度等，即欧拉法系直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。22021/7/232.1流体流动的基本概念流场、迹线与流线流场流场 流体流动所占据的空间称为流场。根据流场中各运动要素与空间坐标的关系，可把流动分为一维流动，二维流动与三维流动。若运动要素仅与一个坐标有关，则称为一维流动。实际流体力学问题多属于三维流动，但为了数学

2、处理上方便，人们往往根据具体问题的性质把它简化为二维流动或一维流动来处理。迹线迹线 流体质点运动的轨迹即为迹线，它是采用拉格朗日法考察流体运动所得的结果。如滴一小滴不易扩散的颜料到水流中，便可看到颜料的运动轨迹。流线流线 某时在流场中画出一条空间曲线，此瞬时在曲线上任一点之切线方向与该点流体质点的速度方向重合，这条曲线就叫作流线。在非恒定流中，流线一般会随时间变化；在恒定流中，流线不随时间变化，流体质点将沿着流线走，流线与迹线重合。显而易见，迹线与流线是完全不同的。迹线描述的是同一质点在不同时间的位置，而流线表示的则是同一瞬间不同质点的速度方向。在稳态流动时流线与迹线重合。32021/7/23

3、过流断面、流量与流速过流断面过流断面 凡是与流线处处相垂直的横截面称为流体的过流断面。如图1-17所示，当流线相互平行时，过流断面为平面，当流线互相不平行时，过流断面为曲面。流量流量 ： 流体在单位时间内流过某一特定空间曲面的流体量称为流量。流体量可以用体积、质量来表示，故流量又可相应的分为体积流量QV（m3/s或L/s）（Q）与质量流量Qm（kg/s）（M）。如以dA为微元过流断面的面积，u表示该断面上的速度，则通过此断面的流量为：体积流量 dQV = udA质量流量 dQm = dQV =udA总流的流量为上述两式对总流过流断面面积A的积分，即体积流量与质量流量之间的关系为 M = QV单

4、位过流面积的流量分别计为 q 和 m q = Q / A m = M / AAVdAuQAmdAuQ42021/7/23流速流速单位时间内流体在流动方向上流经的距离称为流速，以符号u表示，单位为m/s。在流体流动中通常按流量相等的原则来确定平均流速。平均速度以符号 表示一般情况下，为方便起见，也可直接记作 u或w。【例】 有一矩形通风管道，其断面尺寸为高h=0.3m，宽b=0.5m。若管内断面平均流速u=7 m/s，试求空气的体积流量、质量流量（空气的密度为1.21kg/m3）。【解】 根据式(1-56)，空气的体积流量和质量流量为）（/sm 05. 15 . 03 . 07Q3 Au)/27

5、. 121. 105. 1QMskg（AAuAudQAAAuuAQd52021/7/23当量直径和水力半径对于非圆形管道内流体的流动，在流动计算中要涉及当量直径的计算。在总流的有效截面上，流体与固体壁面接触的长度称为湿周，用 S表示；总流的有效截面积A和湿周之比称为水力半径，用Rh表示，即圆形管道 定义水力半径的4倍表示其当量直径 对于长度为a、宽度为b矩形截面的的管道4/4S/2DDDARhRh = A / S De= 4Rh 62021/7/23恒定流与非恒定流按照流体流动时的流速以及其它和流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间变化，可以将流体的流动分成两类：恒定流和非恒定流。若流场

6、中空间各点上的任何运动要素不随时间变化，称为恒定流。否则为非恒定流。 (a) 恒定流动（液面高度不变）、(b) 不恒定流动（液面随时改变）72021/7/23均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流均匀流：流速大小和方向不变的流动。均匀流：流速大小和方向不变的流动。非均匀流：流速大小和方向均随流非均匀流：流速大小和方向均随流动动过程而改变过程而改变的流动。的流动。均匀流的过流断面上流体压强分布符均匀流的过流断面上流体压强分布符合静力学规律合静力学规律非均匀流不符合静力学规律非均匀流不符合静力学规律 82021/7/23流体流体流动状态流动状态雷诺实验雷诺实验层流过渡流紊流92021/7/23三种流态三

7、种流态（A A）层流：层流：流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂（B B）过渡流过渡流：质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度（C C）紊流：紊流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂102021/7/23水利半径水利半径流态判断流态判断：SFRH圆形管道圆形管道d为直径为直径,非圆非圆形管道用当量直径形管道用当量直径当量直径当量直径de=水利半径水利半径RH4 4雷诺准数dwReRe2300时，流态为层流；时，流态为层流；Re4000时，流态为湍流；时

8、，流态为湍流；2300Re4000时，流态为过时，流态为过渡流渡流 112021/7/23【例例】某硅酸盐工业窑炉内，烟气的温度为某硅酸盐工业窑炉内，烟气的温度为10001000，其标态密度，其标态密度为为1.301.30kg/Bmkg/Bm3 3，在截面为在截面为0.50.50.60.6m m2 2的烟道中以的烟道中以3.83.8m/sm/s的流速通过，的流速通过，烟道内负压为烟道内负压为402402PaPa，试判断烟道中烟气的流态（设当地大气压为试判断烟道中烟气的流态（设当地大气压为9999199991PaPa）。）。)/(274. 01000273273101325402999913 .

9、 1)(31000mkgTTpp1000时烟气的粘度为：时烟气的粘度为： )(109 . 4)2731273)(1731273173273(10587. 12732735235230sPTCTCa【解解】 1000时烟气的密度为：时烟气的密度为： 122021/7/23)(545. 06 . 05 . 06 . 05 . 022mbaabde400010158. 1109 . 4274. 08 . 3545. 045wdRee判断：判断：烟道中烟气为紊流烟道中烟气为紊流 注意:雷诺数Re的大小，可作为判别流体流动形态的依据，还反映流动中液体质点湍动的程度 当量直径：当量直径：雷诺准数：雷诺准数

10、：132021/7/23层流底层厚度：层流底层厚度：流体流体在管道截面上的速度分布在管道截面上的速度分布 层流层流流体在管道截面上的速流体在管道截面上的速度呈抛物线规律分布度呈抛物线规律分布紊流层流层流底层底层过渡过渡区区紊流紊流区区87Re62d142021/7/232.2流体动力学基本方程流体动力学基本方程 -连续性方程流体在流动过程中应该遵循质量守恒定律，且满足连续介质假设。设流动为恒定流动，则在流动过程中，管道各截面上的流速、压强、温度、密度等要素均不随时间而改变。如果在管道两截面之间的流体并无积聚或漏失，根据质量守恒定律，每单位时间内通过管道各截面的流体的质量应相等.m1 = m2

11、= = const对于不可压缩流体，流体的密度为常数连续性方程虽然只反映了两断面间的质量平衡，但根据质量守恒定律，可以推广到任意空间，如三通管的分流与合流、管网的总管与支管等ConstuAAuAu222111uAAuAu2211 112233332211AuAuAu152021/7/23【例】 如图所示，水泵汲入管的外径为114mm，壁厚为4mm，压出管的外径为88.5mm，壁厚为4mm。在汲入管中水的流速为1.5m/s。求在压出管中水的流速。【解】 已知，汲入管的内经D1=114-24=106mm，w1=1.5m/s，D2=88.5-24=80.5mm，设在汲入管与压出管之间没有渗漏，则于是

12、 即压出管内水的流速为2.6m/s.162021/7/23【例】 如图所示。管道中水的质量流量为qm=300kg/s，若d1=300mm，d2=200mm，求体积流量和过流断面 1-1、2-2 的平均流速。【解 】 根据质量流量与体积流量的关系，得qV = qm/ = 300/1000 = 0.3 （m3/s）1-1断面的平均流速为： 2-2断面的平均流速为： 172021/7/23【例】 如图1-23所示断面为50cm50cm的送风管道，通过a、b、c、d四个40cm40cm的送风口向室内输送空气，送风口气流平均速度均为5m/s，求通过送风管1-1、2-2、3-3各断面的流速和流量。解 每一

13、送风口流量qV = 0.4 0.4 5 = 0.8 (m3/s)分别以1-1、2-2、3-3各断面以右的全部管段作为质量平衡收支运算的空间，写连续性方程。 qV1 = 3qV = 3 0.8 = 2.4 (m3/s) qV2 = 2qV= 2 0.8 = 1.6 (m3/s) qV3 = qV = 1 0.8 = 0.8 (m3/s)各断面的流速： u1 = qV1 / A1 = 2.4/(0.50.5) = 9.6 (m/s) u2 = qV2 / A2 = 1.6/(0.50.5) = 6.4 (m/s) u3 = qV3 / A3 = 0.8/(0.50.5) = 3.2 (m/s)18

14、2021/7/23-伯努利方程伯努利方程 流体流体的能量的能量 221whk机械能动能势能压力能几何压头单位体积流体所具有的能量gzhag)(phs压头动压头静压头192021/7/23伯努利方程伯努利方程 （1 1）理想流体的伯努利方程）理想流体的伯努利方程 gwgpzgwgpz2222222111理想液体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动理想液体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动 任意取两个截面任意取两个截面1-11-1和和2-22-2，如图，如图: :不可压缩的理想液体在等温流动过程中，不可压缩的理想液体在等温流动过程中，在管道的任一截面上，流体的静压能、在管道的任一截面上，流体的静

15、压能、位能及动能之和是不变的。位能及动能之和是不变的。三者之间可以相互转化三者之间可以相互转化伯努力方程伯努力方程据能量守恒定律可得：据能量守恒定律可得：2021/7/23(2)(2)实际情况下的伯努力方程实际情况下的伯努力方程 (3)(3)窑炉中热气体的伯努力方程：窑炉中热气体的伯努力方程： Laahpgzpgz2222211121)(21)(实际流体有粘性，流动过程中有能量损失，能量方程：实际流体有粘性，流动过程中有能量损失，能量方程：Lhpgzpgz222221112121(4)(4)伯努力方程的简写式：伯努力方程的简写式： lkgsekgshhhhHhhh222111lkgskgshh

16、hhhhh222111(5)有能量输入或输出时：有能量输入或输出时：2021/7/23【例】【例】 一硅酸盐工业窑炉的供风系统，已知：吸风管内径为一硅酸盐工业窑炉的供风系统，已知：吸风管内径为300300mmmm，排风管内径为为排风管内径为为400400mmmm，吸风管处气体静压强为负吸风管处气体静压强为负1050010500PaPa，排风管排风管气体静压强为气体静压强为150150PaPa，设设1-11-1和和2-22-2截面的压头损失为截面的压头损失为5050PaPa。使温度使温度1010，风量为，风量为92009200m m3 3 /h /h的气体通过整个系统，试确定需要外界输入的气体通

17、过整个系统，试确定需要外界输入多少机械能多少机械能 。【解解】列出列出1-11-1和和2-22-2截面的伯努力方程截面的伯努力方程 LaeahpgzHpgz2222211121)(21)(由于由于1-11-1和和2-22-2截面截面中心的垂直距离很小，可以认为两处几何压头相等中心的垂直距离很小，可以认为两处几何压头相等 LehwwppH)(21)(212212222021/7/23不考虑压力对气体密度的影响不考虑压力对气体密度的影响 )/(247. 110273273293. 127327330mkgt吸风管内风速吸风管内风速 )/(17.363 . 014. 3360092004360043

18、60022111smdVFVw)/(35.204 . 014. 336009200436004360022222smdVFVw)(91.1177350)17.3635.20(247. 121)10500(15022PaHe输入机械能输入机械能232021/7/232.2.压头间的转换压头间的转换 2211sgsghhhh热气体在垂直管道热气体在垂直管道由中由上向下流动，由中由上向下流动，且管径不变且管径不变（1 1）几何压头和静压头之间的转变）几何压头和静压头之间的转变1-11-1和和2-22-2的伯努力方程的伯努力方程: :即即hshshghg （几何压头视为几何压头视为“能量损失能量损失”

19、） 因为因为hghg2 2( (在下在下) )hghg1 1( (在上在上) )则则hshs2 2hshs1 1同理热气由下向上流动时同理热气由下向上流动时hghghshs（几何压头视为几何压头视为“推动力推动力”） 242021/7/23流体在一水平流体在一水平的、逐渐扩张的、逐渐扩张的管道中流动的管道中流动2211kskshhhh（2 2）动压头和静压头之间的转变）动压头和静压头之间的转变同理流体在渐缩管道中流动时同理流体在渐缩管道中流动时: :hshk1-11-1和和2-22-2的伯努力方程的伯努力方程: :因为因为h hk1k1h hk2k2即即h hk kh hs s则则hshs2

20、2hshs1 1252021/7/23热气体由下向上在热气体由下向上在截面逐渐变小的垂截面逐渐变小的垂直管道中流动直管道中流动Lksgksghhhhhhh222111（3 3）压头的综合转变）压头的综合转变1-11-1和和2-22-2的伯努力方程的伯努力方程: :Lkkssghhhhhh)()(12121 热气体由下向上流动时，逐渐将热气体由下向上流动时，逐渐将几何压头转变为静压头、动压头，并几何压头转变为静压头、动压头，并消耗部分能量用于克服压头损失。消耗部分能量用于克服压头损失。2-22-2截面为基准面截面为基准面, ,h hg2g2=0,=0,则则: :262021/7/23流体流动过程

21、中，各种压头之间可以相互转变。流体流动过程中，各种压头之间可以相互转变。hshghkhl转变规律转变规律 ：272021/7/23 动量方程动量方程 稳定态流动的动量方程：稳定态流动的动量方程： )(12wwmF物理意义：物理意义：单位时间内流单位时间内流出控制体与流入控制体的出控制体与流入控制体的流体动量之差等于作用在流体动量之差等于作用在控制体内流体的合外力控制体内流体的合外力 F Fx x= m= m（ ) ) F Fy y= m( )= m( ) F Fz z= m( )= m( ) xxww12yyww12zzww12动量守恒原理：动量守恒原理： 21wmwmF当 =0 282021

22、/7/23伯伯努力方程的应用努力方程的应用(1)(1)流体流量的测定流体流量的测定文丘里流量计文丘里流量计 计算公式)(1 )(2212212FFppFV修正后)(1 )(2212212FFppFV管道中造成一个管道中造成一个较小的截面较小的截面,测定测定管道流体流速管道流体流速292021/7/23(2)流体流速的测定流体流速的测定皮托管皮托管 ghppwBAB2)(2计算式计算式302021/7/23(3)孔口溢气量计算孔口溢气量计算 12)(2212PPW出口速度出口速度)(2212PPW考虑存在阻力考虑存在阻力)(221022PPFFwQ溢气量溢气量(m3/s)=为流量系数为流量系数=

23、 为缩流系数为缩流系数F2、F0为最小流径、孔径为最小流径、孔径02FF312021/7/23【 例】 如图用直径d=200mm的管道从水箱中引水。如水箱中的水面恒定，水面高出管道出口中心的高度H=4.5m，通过管道的流量qV = 100 L/s。求：水流的总水头损失。解 、整个流动是从水箱水面通过水箱水体经管道流入大气中，它和大气相接的断面是水箱水面1-1和出流断面2-2。选1-1为基准面，列1-1与2-2的伯努力方程：式中，H = z1- z2和p1=p2=0 ，u1=0，2=1.0则有即水流的总水头损失为3.97m水柱。322021/7/23 如图1-27所示，水池中的水通过图示的管道引

24、出，水池液面距离管道插入口8m，管道最高点c的位置高度zc=9.5m，出口的位置高度zB=6m，不考虑水流中的阻力损失。求 c 点压能和动能。 解、 水池中的水通过水池与管道由出口2-2 截面流出，水池液面及管道出口均与大气相通，因此在1-1与2-2两截面间列伯努利方程有：选1-1为基准面，则z1=0，p1=p2=0（表压），z2=-3.5+1.5=-2m，取a1=a2=1由于水池液面的面积远远大于管道截面的面积，因此u10，整理上述伯努利方程可得出口动能为： 根据连续性方程，u2 = uc，在1-1与c断面间列伯努力方程有将zc=1.5m，p1=0（表压）代入上式得：因此c点的动能为2m水柱

25、，真空度为3.5m水柱。332021/7/23流体流动的阻力和能量损失沿程损失沿程损失（或称沿程阻力）是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘性力造成的。这种损失的大小与流体的流动状态有着密切的关系。通常管道流动单位重量流体的沿程损失用下式表示局部损失局部损失（或称局部阻力），是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失。这种损失主要是由于流体微团发生碰撞、产生漩涡等原因在管件附近的局部范围内所造成的能量损失。通常管流中单位重量流体的局部损失可以按下式计算整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加22udlhl22uhmmlhhh342021/7/23沿程（摩擦）阻力系数层流（水力光滑）紊流： 光滑金属管 ， 粗略取0.025； 粗糙金属管 ，粗略取0.0350.045 砖砌管道 ，粗略取0.05Re6425. 0Re32. 012. 0Re129. 012. 0Re175. 0352021/7/23局部阻力系数长距离输送以直管阻力损失为主；车间管路则往往以局部阻力为主。主要是管件，设备。可查表和通风设备手册。362021/7/23简单管路计算串联管路当串联管路没有节点分流时串联管路在没有节点分流的条件下，管路的总阻力损失等于各各管段阻力损失之和；管路的总阻抗数等于各管段的阻抗数之和。流量的普遍