一流体流动.pptx

1第一节第一节 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1-1-1 流体的密度流体的密度第第第第1 1页页页页/共共共共8282页页页页2(1)(1)纯物质的密度纯物质的密度 液体：基本不随压力变化（极高压力除液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。外），随温度略有变化。气体：密度随温度、压力改变。气体：密度随温度、压力改变。第第第第2 2页页页页/共共共共8282页页页页3低压下可按照理想气体状态方程计算低压下可按照理想气体状态方程计算第第第第3 3页页页页/共共共共8282页页页页4气体混合物，混合前后质量不变气体混合物，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)(2)混合物的密度混合物的密度第第第第4 4页页页页/共共共共8282页页页页51-1-2 流体的静压强流体的静压强1 atm=1.033 kgf/cm1 atm=1.033 kgf/cm2 2=760 mmHg=760 mmHg=10.33 mH=10.33 mH2 2O=1.0133 bar=1.01310O=1.0133 bar=1.013105 5 PaPa表压强表压强表压强表压强=绝对压强大气压强绝对压强大气压强绝对压强大气压强绝对压强大气压强真空度真空度真空度真空度=大气压强绝对压强大气压强绝对压强大气压强绝对压强大气压强绝对压强第第第第5 5页页页页/共共共共8282页页页页61-1-3 流体静力学基本方程式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第第第第6 6页页页页/共共共共8282页页页页71 12 2结论：结论：结论：结论：静止连续同一流体，同一水平面上各点压强相等静止连续同一流体，同一水平面上各点压强相等静止连续同一流体，同一水平面上各点压强相等静止连续同一流体，同一水平面上各点压强相等P P P P0 0 0 0改变时，液体内部各点压强也随之改变改变时，液体内部各点压强也随之改变改变时，液体内部各点压强也随之改变改变时，液体内部各点压强也随之改变压强差的大小可用液柱高度表示压强差的大小可用液柱高度表示压强差的大小可用液柱高度表示压强差的大小可用液柱高度表示第第第第7 7页页页页/共共共共8282页页页页8 静静力力学学方方程程式式仅仅适适用用于于连连通通着着的的同同一一种种连连续续的的不不可可压压缩缩静静止止流体流体 A，A等压B，B不等压第第第第8 8页页页页/共共共共8282页页页页9U管压差计动画031-1-4 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量一、压强与压强差的测量1、U管压差计管压差计第第第第9 9页页页页/共共共共8282页页页页10根据流体静力学基本方程式可得根据流体静力学基本方程式可得于是于是 第第第第1010页页页页/共共共共8282页页页页11上式化简，得上式化简，得若若 若若U管管的的一一端端与与被被测测流流体体连连接接，另另一一端端与与大大气气相相通通，此此时时读读数数反反映映的的是是被被测测流流体的表压强体的表压强则则第第第第1111页页页页/共共共共8282页页页页122 2、倾斜液柱压差计、倾斜液柱压差计、倾斜液柱压差计、倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计微差压差计微差压差计微差压差计微差压差计3 3、微差压差计、微差压差计、微差压差计、微差压差计第第第第1212页页页页/共共共共8282页页页页134、压力表测量压力表测量第第第第1313页页页页/共共共共8282页页页页14二、液位的测量二、液位的测量二、液位的测量二、液位的测量第第第第1414页页页页/共共共共8282页页页页15三、三、液封高度的计算液封高度的计算 容器内为正压容器内为正压第第第第1515页页页页/共共共共8282页页页页16容器内为负压容器内为负压第第第第1616页页页页/共共共共8282页页页页17第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动1-2-1流量与流速流量与流速体积流量：体积流量：体积流量：体积流量：V Vs s m m3 3/s/s质量流量：质量流量：质量流量：质量流量：w ws s kg/s kg/s 关系：关系：关系：关系：w ws s=V=Vs s 流速：流速：流速：流速：u m/su m/s “各点流速各点流速各点流速各点流速”v vs s “平均流速平均流速平均流速平均流速”流速与流量关系：流速与流量关系：流速与流量关系：流速与流量关系：流量流量流量流量第第第第1717页页页页/共共共共8282页页页页181-2-2 定态流动与非定态流动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、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。态流动；反之，称为非定态流动。1-2-3 连续性方程式连续性方程式第第第第1818页页页页/共共共共8282页页页页19由物料平衡：由物料平衡：第第第第1919页页页页/共共共共8282页页页页20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 能量衡算方程式能量衡算方程式一、流动系统的总能量衡算一、流动系统的总能量衡算一、流动系统的总能量衡算一、流动系统的总能量衡算第第第第2020页页页页/共共共共8282页页页页21衡算基准：衡算基准：衡算基准：衡算基准：1kg1kg流体流体流体流体考察进出系统的能量：考察进出系统的能量：考察进出系统的能量：考察进出系统的能量：J/kgJ/kg1 1、内能：、内能：、内能：、内能：U UU U1 1 U U2 22 2、位能：、位能：、位能：、位能：mgZ gZ gZmgZ gZ gZ1 1 gZ gZ2 2 3 3、动能：、动能：、动能：、动能：mumu2 2/2 u/2 u2 2/2 u/2 u1 12 2/2 u/2 u2 22 2/2/2 4 4、静压能：、静压能：、静压能：、静压能：p p1 1 1 1 p p2 2 2 25 5、热、热、热、热 QQe e 功功功功WWe e由由由由总的总的总的总的能量守恒：能量守恒：能量守恒：能量守恒：机械能机械能机械能机械能第第第第2121页页页页/共共共共8282页页页页22二、流动系统的机械能衡算式与柏努利方程二、流动系统的机械能衡算式与柏努利方程1 1、流动系统的机械能衡算式、流动系统的机械能衡算式第第第第2222页页页页/共共共共8282页页页页232、柏努利方程柏努利方程不可压缩流体不可压缩流体第第第第2323页页页页/共共共共8282页页页页24讨论：讨论：1、柏努利方程表示各种机械能相互转化、柏努利方程表示各种机械能相互转化“奥林匹克奥林匹克奥林匹克奥林匹克”号和号和号和号和“豪克豪克豪克豪克”号海难号海难号海难号海难注意注意注意注意第第第第2424页页页页/共共共共8282页页页页252、3、可压缩流体仍能适用、可压缩流体仍能适用4、u=0，则变成流体静力学方程式则变成流体静力学方程式第第第第2525页页页页/共共共共8282页页页页26位压头动压头静压头有效压头压头损失总压头5、形式可以多样、形式可以多样冲压头第第第第2626页页页页/共共共共8282页页页页271-2-5 柏努利方程的应用柏努利方程的应用一、确定管道中流体流量一、确定管道中流体流量一、确定管道中流体流量一、确定管道中流体流量20oC的空气在直径80 mm的水平管中流过，管路中接一文丘里管，文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20mm的喉颈处接一细管，其下部插入水槽中。空气流过文丘里管的能量损失不计。当U管压差计的读数R=25 mm，h=0.5 m时，求此时空气流量？（当地大气压101.33103 Pa）第第第第2727页页页页/共共共共8282页页页页28解：先选取基准面和截面解：先选取基准面和截面第第第第2828页页页页/共共共共8282页页页页29第第第第2929页页页页/共共共共8282页页页页30二、确定设备间的相对位置二、确定设备间的相对位置H H如图输水系统，水箱内水面维持恒定，输水管直径为603mm，输水量为18.3 m3/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？第第第第3030页页页页/共共共共8282页页页页31解：解：解：解：基准面：截面基准面：截面2-2的中心线的中心线 截面：水箱水面为上游截面截面：水箱水面为上游截面 1-1，出口出口内侧内侧为下游截面为下游截面 2-2第第第第3131页页页页/共共共共8282页页页页32所以水面要升高8.58-7.79=0.79米第第第第3232页页页页/共共共共8282页页页页33三、确定输送设备的有效功率三、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763mm，排水管出口喷头连接处的压强为6.15104Pa，（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，求泵的有效功率第第第第3333页页页页/共共共共8282页页页页34解：解：解：解：第第第第3434页页页页/共共共共8282页页页页35四、确定管路中流体的压强四、确定管路中流体的压强五、解题要点五、解题要点1、作图，确定衡算范围、作图，确定衡算范围2、截面的选取、截面的选取3、基准水平面的选取、基准水平面的选取4、截面上的压强、截面上的压强5、单位、单位第第第第3535页页页页/共共共共8282页页页页366、注意注意截面处不允许有急变流动，但所选取的两截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面间允许有急变流动第第第第3636页页页页/共共共共8282页页页页37第三节第三节 流体的流动现象流体的流动现象1-3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律第第第第3737页页页页/共共共共8282页页页页38内摩擦应力内摩擦应力/剪应力剪应力第第第第3838页页页页/共共共共8282页页页页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第第第第3939页页页页/共共共共8282页页页页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。剪切速率剪切速率第第第第4040页页页页/共共共共8282页页页页41与时间无关的黏性流体假塑性流体(pseudo plastic fluid)n为流动特性指数，n 1时称为胀塑性流体O与时间无关的黏性流体切稠第第第第4242页页页页/共共共共8282页页页页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(bingham plastic fluid)O 其中0为屈服应力，Pa;为刚性系数，Pas。与时间无关的黏性流体第第第第4343页页页页/共共共共8282页页页页44与时间有关的黏性流体1.触变性流体（thixotropic fluid）2.流凝性流体（rheopectic fluid）第第第第4444页页页页/共共共共8282页页页页451-3-3 流动类型与雷诺准数流动类型与雷诺准数一、雷诺实验：一、雷诺实验：一、雷诺实验：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-溢流装置第第第第4545页页页页/共共共共8282页页页页46第第第第4646页页页页/共共共共8282页页页页47流线流线第第第第4747页页页页/共共共共8282页页页页48流动类型：流动类型：滞流（层流）滞流（层流）湍流（紊流）湍流（紊流）过渡流过渡流动画动画动画动画第第第第4848页页页页/共共共共8282页页页页49雷诺准数的提出：雷诺准数的提出：Re2000时为时为滞流，滞流，Re4000时为时为湍流湍流工程上：工程上：Re3000时为时为湍流湍流第第第第4949页页页页/共共共共8282页页页页50二、流体在管内的速度分布二、流体在管内的速度分布滞流滞流滞流滞流湍流湍流湍流湍流滞流滞流滞流滞流内层内层内层内层第第第第5050页页页页/共共共共8282页页页页51湍流时湍流时u与与umax的关系的关系第第第第5151页页页页/共共共共8282页页页页52第四节第四节 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力h hf f局部阻力局部阻力局部阻力局部阻力h hf f 一、一、直管阻力直管阻力直管阻力直管阻力影响摩擦系数的因素：影响摩擦系数的因素：影响摩擦系数的因素：影响摩擦系数的因素：管壁粗糙度管壁粗糙度管壁粗糙度管壁粗糙度 雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数第第第第5252页页页页/共共共共8282页页页页53绝对粗糙度 壁面凸出部分的平均高度，以表示。相对粗糙度 绝对粗糙度与管径的比值，即/d。第第第第5353页页页页/共共共共8282页页页页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 因次分析法第第第第5454页页页页/共共共共8282页页页页55完全湍流区过渡区湍流区层流区第第第第5555页页页页/共共共共8282页页页页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 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：第第第第5656页页页页/共共共共8282页页页页57二、局部阻力二、局部阻力1 1、阻力系数法、阻力系数法、阻力系数法、阻力系数法 突然扩大与突然缩小突然扩大与突然缩小突然扩大与突然缩小突然扩大与突然缩小第第第第5757页页页页/共共共共8282页页页页58 进口与出口：进口与出口：进口与出口：进口与出口：c c=0.5=0.5 e e=1 =1 结合结合结合结合p p2828进行验证进行验证进行验证进行验证 管件与阀门：查手册管件与阀门：查手册管件与阀门：查手册管件与阀门：查手册2 2、当量长度法、当量长度法、当量长度法、当量长度法三、管路系统的总阻力损失三、管路系统的总阻力损失三、管路系统的总阻力损失三、管路系统的总阻力损失第第第第5858页页页页/共共共共8282页页页页59共共线线图图第第第第5959页页页页/共共共共8282页页页页60第五节第五节 管路计算管路计算三种情况三种情况:1 1 1 1、管径、管长、管件、阀门位置、流体输送量、管径、管长、管件、阀门位置、流体输送量、管径、管长、管件、阀门位置、流体输送量、管径、管长、管件、阀门位置、流体输送量 能量损失能量损失能量损失能量损失2 2 2 2、管径、管长、管件、阀门位置、允许能量损失、管径、管长、管件、阀门位置、允许能量损失、管径、管长、管件、阀门位置、允许能量损失、管径、管长、管件、阀门位置、允许能量损失流体输送量流体输送量流体输送量流体输送量3 3 3 3、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量损失能量损失能量损失能量损失管径管径管径管径第第第第2 2 2 2和和和和3 3 3 3两种情况：流速或管径未知两种情况：流速或管径未知两种情况：流速或管径未知两种情况：流速或管径未知ReReReRe不能计算不能计算不能计算不能计算不能判断流型不能判断流型不能判断流型不能判断流型不能确定摩擦系数不能确定摩擦系数不能确定摩擦系数不能确定摩擦系数常用方法常用方法常用方法常用方法:试差法试差法试差法试差法第第第第6060页页页页/共共共共8282页页页页61常用方法常用方法常用方法常用方法:试差法试差法试差法试差法假设一个计算流速计算流速计算计算计算比较第第第第6161页页页页/共共共共8282页页页页62并联管路并联管路并联管路并联管路分支管路分支管路分支管路分支管路复杂管路第第第第6262页页页页/共共共共8282页页页页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。第第第第6363页页页页/共共共共8282页页页页64 所以，并联管路中流动应满足：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 主管中的流率等于各支管流率之和，即第第第第6464页页页页/共共共共8282页页页页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，得第第第第6565页页页页/共共共共8282页页页页66所以，分支管路中流动应满足: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 主管中的流率等于各支管流率之和，即 第第第第6666页页页页/共共共共8282页页页页67 并联管路与分支管路的计算内容有:已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管的流量；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；在已知的输送条件下，计算输送设备应提供的功率。第第第第6767页页页页/共共共共8282页页页页68第六节第六节 流量测量流量测量一、测速管（皮托管一、测速管（皮托管一、测速管（皮托管一、测速管（皮托管PitotPitotPitotPitot）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。动画动画动画动画第第第第6868页页页页/共共共共8282页页页页691-静压管2-冲压管测静压能测动能和静压能之和第第第第6969页页页页/共共共共8282页页页页70求出某一点的流速求出某一点的流速 平均流速平均流速注意注意：测速管的外管直径不大于管道内径的：测速管的外管直径不大于管道内径的1/50 第第第第7070页页页页/共共共共8282页页页页71计算用图计算用图计算用图计算用图 第第第第7171页页页页/共共共共8282页页页页72二、孔板流量计二、孔板流量计缩脉孔板第第第第7272页页页页/共共共共8282页页页页73第第第第7373页页页页/共共共共8282页页页页74C C1 1：对能量损失的校正：对能量损失的校正：对能量损失的校正：对能量损失的校正C C2 2：对角接取压的校正：对角接取压的校正：对角接取压的校正：对角接取压的校正第第第第7474页页页页/共共共共8282页页页页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第第第第7575页页页页/共共共共8282页页页页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数，其值与Re、面积比Ao/A1以及取压法有关，需由实验测定 第第第第7676页页页页/共共共共8282页页页页77第第第第7777页页页页/共共共共8282页页页页78三、文丘里流量计三、文丘里流量计第第第第7878页页页页/共共共共8282页页页页79四、转子流量计四、转子流量计动画动画动画动画第第第第7979页页页页/共共共共8282页页页页80转子所受压力差转子所受压力差=转子所受重力转子所受浮力转子所受重力转子所受浮力第第第第8080页页页页/共共共共8282页页页页81校正校正液体：液体：液体：液体：气体：气体：气体：气体：第第第第8181页页页页/共共共共8282页页页页82转子流量计特点：转子流量计特点：读数方便、能量损失小、测量范围宽、可用于腐读数方便、能量损失小、测量范围宽、可用于腐蚀性流体的测量蚀性流体的测量不能经受高温高压、必须垂直不能经受高温高压、必须垂直孔板、孔板、文丘里流量计与文丘里流量计与转子流量计区别转子流量计区别:孔板、孔板、文丘里流量计为差压流量计文丘里流量计为差压流量计转子流量计转子流量计为截面流量计为截面流量计第第第第8282页页页页/共共共共8282页页页页