流体力学基本原理

流体力学基本原理第1页，课件共41页，创作于2023年2月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。流体微团（或流体质点）：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。概述一．连续介质模型第2页，课件共41页，创作于2023年2月二、流体的特性1、流动性,流体不能承受拉力；2、没有固定形状，形状随容器而变；3、流体流动—外力作用的结果；4、连续性（除高度真空情况）。5、压缩性可压缩性流体—气体不可压缩性流体—液体第3页，课件共41页，创作于2023年2月三、流体所受到的力如重力、离心力等，属于非接触性的力。第4页，课件共41页，创作于2023年2月（2）气体—

为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理。第5页，课件共41页，创作于2023年2月

第一节流体静力学基本方程式

研究外力作用下的平衡规律一、密度

1.定义：单位体积流体所具有的质量。

ρ=m/V[kg/m3]

流体中某点密度：

2、影响因素：温度和压力（1）液体—

认为不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。第6页，课件共41页，创作于2023年2月假设混合后总体积不变，（3）混合物的密度1）液体混合物的密度ρm

取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:

——液体混合物密度计算式第7页，课件共41页，创作于2023年2月2)气体混合物的密度

取1m3的气体为基准,令各组分的体积分率为:

xvA,xvB,…,xVn,其中:混合物中各组分的质量为：当V总=1m3时，若混合前后,气体的质量不变，

当V总=1m3时,

——气体混合物密度计算式——理想气体混合物密度计算式第8页，课件共41页，创作于2023年2月在数值上:3.与密度相关的几个物理量

1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位为m3/kg。

2）比重(相对密度)：某物质的密度与4℃下的水的密度的比值，用d表示。第9页，课件共41页，创作于2023年2月二、流体的静压强

SI制单位：N/m2，即Pa。其它常用单位有：

atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。

1、压强的定义

流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强。或第10页，课件共41页，创作于2023年2月换算关系为：2、压强的表示方法

1）绝对压强（绝压）：

流体体系的真实压强称为绝对压强。

2）表压

强（表压）：压力上读取的压强值称为表压。

3）真空度：真空表的读数

第11页，课件共41页，创作于2023年2月绝对压表压真空度绝对零压大气压实测压力实测压力绝压（余压）绝对压强、真空度、表压强的关系为

表压＝绝对压-大气压真空度＝大气压-绝对压第12页，课件共41页，创作于2023年2月2、静力学方程的讨论1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同（巴斯葛定律）。3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。(等压面)4.压力或压差可用液柱高度表示。

H=（P2-P0）/g第13页，课件共41页，创作于2023年2月3、流体静力学基本方程的应用

P1P2（1）压力测定

U型管压差计

A-A’为等压面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如测量气体0P1-P2=Rg’一臂通大气?第14页，课件共41页，创作于2023年2月微差压差计—放大读数

P1

P2

a

Rb

特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。

P1-P2=（a-b）Rg第15页，课件共41页，创作于2023年2月倾斜液柱压差计R=R1sin第16页，课件共41页，创作于2023年2月(2)液位的测定

液位计的原理——遵循静止液体内部压强变化的规律,是静力学基本方程的一种应用。

液柱压差计测量液位的方法：

由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度。当R＝0时，容器内的液面高度将达到允许的最大高度，容器内液面愈低，压差计读数R越大。第17页，课件共41页，创作于2023年2月远距离控制液位的方法：

压缩氮气自管口经调节阀通入，调节气体的流量使气流速度极小，只要在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出即可。

压差计读数R的大小，反映出贮罐内液面的高度

。

AB第18页，课件共41页，创作于2023年2月(3)液封高度的计算

液封的作用：

若设备内要求气体的压力不超过某种限度时，液封的作用就是：

当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为安全性液封。若设备内为负压操作，其作用是：

液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流体静力学基本方程式。第19页，课件共41页，创作于2023年2月pR气体Rp真空表气气水R

液封

第20页，课件共41页，创作于2023年2月第二节流体在管内的流动一、流量与流速

ïïïîïïïíì体积流速质量流速流速点速度，单位：m/s-----关系：îíìsmVskgm3表示，体积流量，用表示，质量流量，用流量v，单位m/s第21页，课件共41页，创作于2023年2月二．稳定流动与不稳定流动

流动参数都不随时间而变化，就称这种流动为稳定流动。否则就称为不稳定流动。

对于圆形管道第22页，课件共41页，创作于2023年2月三、连续性方程

m1=m2m=V=uA

u1

A1

1=u2

A2

2=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变

u1

A1=

u2

A2------连续性方程

圆形管道：u1

/u2

=(d2/d1)2衡算范围：取管内壁截面1-1’与截面2-2’间的管段。衡算基准：1s对于连续稳定系统：

11’22’第23页，课件共41页，创作于2023年2月二、流动类型与雷诺准数1、雷诺实验

2、雷诺数Re雷诺数的因次：Re是一个没有单位，没有因次的纯数。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。雷诺准数可以判断流型

第24页，课件共41页，创作于2023年2月流体在圆形直管内流动时：

流体的流动类型属于滞流；流体的流动类型属于湍流；

可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。——过渡区第25页，课件共41页，创作于2023年2月本质区别分层流动

质点的脉动

圆管内滞流与湍流的比较滞流湍流速度分布平均速度剪应力第26页，课件共41页，创作于2023年2月一、测速管：又称皮托（Pitot）管1、测速管的结构和原理p

对于某水平管路，测速管的内管A点测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头。B点测得为静压头冲压头与静压头之差第27页，课件共41页，创作于2023年2月压差计的指示数R代表A，B两处的压强之差。若所测流体的密度为ρ，U型管压差计内充有密度为ρ’的指示液，读数为R。——测速管测定管内流体的基本原理和换算公式

实际使用时c=0.98~1.00

第28页，课件共41页，创作于2023年2月2、使用皮托管的注意事项

1）测速管所测的速度是管路内某一点的线速度，它可以用于测定流道截面的速度分布。2）一般使用测速管测定管中心的速度，然后可根据截面上速度分布规律换算平均速度。3）测速管应放置于流体均匀流段，且其管口截面严格垂直于流动方向，一般测量点的上，下游最好均有50倍直径长的直管距离，至少应有8~12倍直径长的直管段。4）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体的流动产生影响，从而造成测量误差。因此，除选好测点位置，尽量减少对流动的干扰外，一般应选取皮托管的直径小于管径的1/50。优点：结构简单、阻力小、使用方便，尤其适用于测量气体管道内的流速。缺点：不能直接测出平均速度，且压差计读数小，常须放大才能读得准确。第29页，课件共41页，创作于2023年2月二、孔板流量计1、结构和原理两种取压方式：(1)角接法取压口在法兰上；

(2)径接法上游取压口在距孔板1倍管径处，下游取压口在距孔板1/2倍管径处。第30页，课件共41页，创作于2023年2月影响两测压点间的压力差的因素：孔板结构、流速。

测量原理：暂不计摩擦损失，1、2之间有：第31页，课件共41页，创作于2023年2月孔流系数：取决于截面比A0/A1,管内雷诺数Re1,孔口的形状及加工精度等。第32页，课件共41页，创作于2023年2月当Re1超过某界限值时，C0不再随Re1而变C0=const，此时流量就与压差计读数的平方根成正比，因此，在孔板的设计和使用中，希望Re1大于界限值。第33页，课件共41页，创作于2023年2月优点：构造简单，制造和安装都很方便缺点：机械能损失（称之为永久损失）大。安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度至少应为10d1，下游为5d1

使用注意事项：

孔板的缩口愈小，孔口速度愈大，读数就愈大，阻力损失愈大。所以，选择孔板流量计A0/A1的值，往往是设计该流量计的核心问题。当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得压差的90%，常用的d0/d1=0.5情形下，永久损失也有75%。第34页，课件共41页，创作于2023年2月三、文丘里流量计1、结构和原理收缩段锥角通常取1525，扩大段锥角要取得小些，一般为57缺点：加工比孔板复杂，因而造价高，且安装时需占去一定管长位置。优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送。第35页，课件共41页，创作于2023年2月变压头流量计的特点是：恒截面，变压头。总结：第36页，课件共41页，创作于2023年2月四、转子流量计1、结构和原理微锥形玻璃管，锥角约为4左右。转子（或称浮子）,直径略小于玻璃管的内径；转子密度须大于被测流体的密度。

第37页，课件共41页，创作于2023年2