流体流动课件

第一章流体流动流体：液体和气体重要性：流体的输送压强、流速、流量的测量选择适宜的流动条件某些后续章节的理论基础1第一节流体静力学基本方程式1-1-1流体的密度2(1)纯物质的密度液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。气体：密度随温度、压力改变。3气体混合物，混合前后质量不变液体混合物，混合前后体积不变组分的质量分数组分的体积分数(2)混合物的密度51-1-2流体的静压强1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.013×105Pa表压强=绝对压强－大气压强真空度=大气压强－绝对压强61-1-3流体静力学基本方程式研究Z轴方向上的力：下底面的力上底面的力重力为7静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体

A，A’等压B，B’不等压9U管压差计动画031-1-4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10根据流体静力学基本方程式可得于是

112、倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计微差压差计3、微差压差计134、压力表测量14二、液位的测量15容器内为负压17第二节流体在管内的流动1-2-1流量与流速体积流量：Vsm3/s质量流量：ws

kg/s关系：ws=Vs·ρ流速：um/s“各点流速”vs“平均流速”流速与流量关系：流量181-2-2定态流动与非定态流动流体的一些物理量参数（如流速、压强、密度等）仅与位置有关，与时间无关，称为定态流动；反之，称为非定态流动。1-2-3连续性方程式19伯努利方程式的推导1-换热器2-泵基准面稳态流动系统流体从截面1-1′流入从截面2-2′流出泵换热器1-2-4能量衡算方程式一、流动系统的总能量衡算21衡算基准：1kg流体考察进出系统的能量：J/kg1、内能：UU1U22、位能：mgZgZgZ1gZ2

3、动能：mu2/2u2/2u12/2u22/24、静压能：p1ν1p2ν25、热Qe功We由总的能量守恒：机械能22二、流动系统的机械能衡算式与柏努利方程1、流动系统的机械能衡算式23讨论：1、柏努利方程表示各种机械能相互转化“奥林匹克”号和“豪克”号海难注意252、3、可压缩流体仍能适用4、u=0，则变成流体静力学方程式26解：先选取基准面和截面2930二、确定设备间的相对位置H如图输水系统，水箱内水面维持恒定，输水管直径为60×3mm，输水量为18.3m3/h，水流经全部管道（不包括排出口）的能量损失可按计算，求1、水箱中水面必须高出排出口的高度H2、若输水量增加5%，管路的直径及其布置不变，管路能量损失仍按上述公式计算，则水箱内的水面将上升多少米？31解：基准面：截面2-2＇的中心线截面：水箱水面为上游截面1-1＇，出口内侧为下游截面2-2＇32所以水面要升高8.58-7.79=0.79米33三、确定输送设备的有效功率用泵将贮液池中常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，输水管直径为76×3mm，排水管出口喷头连接处的压强为6.15×104Pa，（表压），送水量为34.5m3/h，水流经全部管道（不包括喷头）的能量损失为160J/kg，求泵的有效功率34解：35四、确定管路中流体的压强五、解题要点1、作图，确定衡算范围2、截面的选取3、基准水平面的选取4、截面上的压强5、单位366、注意截面处不允许有急变流动，但所选取的两截面间允许有急变流动37第三节流体的流动现象1-3-1牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律38内摩擦应力/剪应力39二、牛顿流体和非牛顿流体与时间无关的粘性流体与时间有关的粘性流体40牛顿型流体与非牛顿型流体的流变图Oa-牛顿型流体；b-假塑性流体；c-胀塑性流体；非牛顿型流体的流动特性d-宾汉塑性流体。

剪切速率41与时间无关的黏性流体假塑性流体(pseudoplasticfluid)n为流动特性指数，n<1。K称为稠度系数。大多数非牛顿型流体属于此种类型，如聚合物溶液或熔融体、油脂、淀粉溶液等。O切稀42这类流体在流动时，表观黏度随剪切速率的增大而增大。某些湿沙，含有硅酸钾、阿拉伯树胶等的水溶液均属于胀塑性流体。胀塑性流体(dilatantfluid)n>1时称为胀塑性流体O与时间无关的黏性流体切稠43某些液体，如润滑脂、牙膏、纸浆、污泥、泥浆等属于宾汉塑性流体宾汉塑性流体(binghamplasticfluid)O其中τ0为屈服应力，Pa;

为刚性系数，Pa·s。与时间无关的黏性流体44与时间有关的黏性流体1.触变性流体（thixotropicfluid）2.流凝性流体（rheopecticfluid）451-3-3流动类型与雷诺准数一、雷诺实验：雷诺实验装置1-小瓶2-细管3-水箱4-水平玻璃管5-阀门6-溢流装置4647流线48流动类型：滞流（层流）湍流（紊流）过渡流动画49雷诺准数的提出：Re≤2000时为滞流，Re≥4000时为湍流工程上：Re≥3000时为湍流50二、流体在管内的速度分布滞流湍流滞流内层51湍流时u与umax的关系52第四节流体在管内的流动阻力直管阻力hf局部阻力hf

＇一、直管阻力影响摩擦系数的因素：管壁粗糙度雷诺数53绝对粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以ε表示。相对粗糙度绝对粗糙度与管径的比值，即ε/d。54滞流时的摩擦系数：与管壁粗糙度无关湍流时的摩擦系数：复杂因次分析法55完全湍流区过渡区湍流区层流区56流体在非圆形直管内的流动阻力在湍流情况下，实验表明，对非圆形截面的通道，可以找到一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替。式中Π—流道的润湿周边长度，m；

A—流道的截面积，m2。当量直径水力半径圆形管：57二、局部阻力1、阻力系数法⑴突然扩大与突然缩小58⑵进口与出口：ζc=0.5ζe=1结合p28进行验证⑶管件与阀门：查手册2、当量长度法三、管路系统的总阻力损失59共线图60第五节管路计算三种情况:1、管径、管长、管件、阀门位置、流体输送量→能量损失2、管径、管长、管件、阀门位置、允许能量损失→流体输送量3、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量损失→管径第2和3两种情况：流速或管径未知→Re不能计算→不能判断流型→不能确定摩擦系数常用方法:试差法61常用方法:试差法假设一个计算流速计算计算比较62并联管路分支管路复杂管路63对于支管1，有对于支管2，有并联管路：在A、B两截面之间列伯努利方程。64所以，并联管路中流动应满足：

①尽管各支管的长度、直径相差悬殊，但单位质量的流体流经两支管的能量损失必然相等，即②主管中的流率等于各支管流率之和，即65分支管路：以分支点C处为上游截面，分别对支管A和支管B列伯努利方程，得66所以，分支管路中流动应满足:

①对于分支管路，单位质量流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，即

②主管中的流率等于各支管流率之和，即67并联管路与分支管路的计算内容有:①已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管的流量；②已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置，要求选择合适的管径；③在已知的输送条件下，计算输送设备应提供的功率。68第六节流量测量一、测速管（皮托管Pitot）测速管又称毕托(Pitot)管。测速管测定的流速是管道截面上某一点的局部值，称为点速度。动画691-静压管2-冲压管测静压能测动能和静压能之和70求出某一点的流速平均流速注意：测速管的外管直径不大于管道内径的1/5071计算用图72二、孔板流量计缩脉孔板7374C1：对能量损失的校正C2：对角接取压的校正75应用不可压缩流体的连续性方程孔板小孔截面积管道截面积令76则上式变为体积流率为质量流率Co称为流量系数或孔流系