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第一章 ：流体流动一、流体静力学基本方程式1.流体的密度：单位体积流体所具有的流体质量称为密度，以表示，单位为kg/m3。2.流体的静压强：垂直作用于流体单位面积上的压力称为流体的压强，以p表示，单位为Pa。俗称压力，表示静压力强度。3.不同单位之间的换算关系为1atm=10.33mH2O=760mmHg=1.0133bar=1.0133105Pa4.压强的基准以绝对真空为基准绝对压强，是流体的真实压强。二、 流体流动的基本方程1、流量与流速单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。流量用两种方法表示：体积流量-以Vs表示，单位为m3/s。质量流量-以Ws表示，单位kg/s. 体积流量与质量流量的关系 : 流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离，称为流速，以u表示。其单位为m/s。工程计算中为方便起见，将取整个管截面上的平均流速单位流通面积上流体的体积流量，即 式中,A为与流动方向相垂直的管道截面积，m2。于是：。2、质量流速（质量通量）：单位时间内流体流过管道单位截面积的质量，称为质量流速或质量通量，以G表示，其单位为kg/(m2s)，其表达式为 3、管径、体积流量和流速之间关系三、连续性方程式连续性方程式是质量守恒定律的一种表现形式。；对于不可压缩流体（即=常数），可得到上式统称为管内定态流动时的连续性方程式。连续性方程式反映了一定流量下，管路各界面上流速的变化规律。对于圆形管道内不可压缩流体的定态流动，可得到 ：四、 能量衡算方程式柏努利方程式柏努利方程式是流体流动中机械能守恒和转化原理的体现，它描述了流入和流出一系统的流体量及有关流动参数间的定量关系。 （1-23a）对于理想流体， ，再若无外功加入，则有（1-24）式（1-24）称为柏努利方程式，式（1-23a）是柏努利方程式的引申，习惯上也称柏努利方程式。从上面推导过程可看出，柏努利方程适用于不可压缩流体连续的定态流动。五、 柏努利方程的讨论（1）理想流体柏努利方程式的物理意义1kg理想流体在管道内作定态流动而又没有外功加入时，其总机械能 是守恒的，但不同形式的机械能可以互相转换。（2）式1-23a中各项单位均为J/kg，但应区别各项能量所表示的意义不同：式中的 、u2/2、p/指某截面上流体本身所具有的能量；hf为两截面间沿程的能量消耗，具有不可逆性；We为1kg流体在两截面间获得的能量，即输送机械对1kg流体所作的有效功，是输送机械的重要参数之一。单位时间内输送机械所做的有效功率称为有效功率，用Ne表示，其单位为W，即（1-25）(3) 压头和压头损失 以1N流体为基准，则粘性流体的柏努利方程式变为（1-23b）式中各项单位J/N或m，其中Z、u2/2g、p/g分别为位压头、动压头和静压头，He为输送机械的有效压头，Hf则为压头损失。(4) 流体静力学基本方程式是柏努利方程式的特例 当系统中流体处于静止状态时，则式1-23a变为（5）柏努利方程式的推广对于可压缩流体的流动，当 （绝压）0.2时，仍可用式1-23a计算，但式中的要用两截面间的平均密度m代替。非定态流动的任一瞬间，柏努利方程式仍成立。六、 流体流动现象1、 雷诺实验与雷诺数实验观察到随流体质点运动速度的变化显示出两种基本类型，其中a称为滞流或层流，b称为湍流或紊流。层流时，玻璃管内水的质点沿着与管轴平行的方向作直线运动，不产生横向运动，从细管引到水流中心的有色液体成一条直线平稳地流过整玻璃管。若逐渐提高水的流速，有色液体的细线出现波浪。速度再高，有色细线完全消失，与水完全混为一体，此时即为湍流。显然，湍流时，水的质点除了沿管道向前运动外，还作不规则的杂乱运动，且彼此相互碰撞与混合。质点速度的大小和方向随时间而发生变化。雷诺综合上述诸因素整理出一个无因次数群雷诺准数Re准数是一个无因次数群，无论采用何种单位制，只要数群中各物理量单位一致，所算出的Re数值必相等。根据经验，对于流体在直管内的流动，当Re2000时属于层流；Re4000s时（生产条件下Re3000）属湍流；而当Re=20004000之间时，属不稳定的过渡区。2、 层流与湍流流体的流动类型可用雷诺数来判断。实验证明，当Re2000时属于层流；Re4000s时（生产条件下Re3000）属湍流；而当Re=20004000之间时，属不稳定的过渡区。七、 流体在直管中的流动阻力1流动阻力产生的原因流体有粘性，流动时产生内摩擦阻力产生根源固体表面促使流动流体内部发生相对运动提供了流动阻力产生的条件。流动阻力大小与流体本身物性（主要为m，r），壁面形状及流动状况等因素有关。2流动阻力分类流体在管路中流动的总阻力 由直管阻力与局部阻力两部分构成，即(1-40)式中 、 分别为直管阻力损失和各种局部阻力损失，J/kg。3阻力的表现形式压强降 流动阻力消耗了机械能，表现为静压能的降低，称为压强降，即：值得强调指出的是： 表示1m3流体在流动系统中仅仅是流动阻力所消耗的能量，它是一个符号，并不代表增量。两截面间的压强差p是由多方面因素引起的，如通常， 与 在数值上并不相等，只有当流体在一段无外功的水平等径管内流动时，两者在数值上才相等。3. 流体在直管中的流动阻力计算圆形直管阻力的通式： 或者 上式计算圆形直管阻力所引起能量损失的通式，称为范宁公式。此式对湍流和滞流均适用，式中 为摩擦系数，无因次，其值随流型而变，湍流时还受管壁粗糙度的影响，但不受管路铺设情况（水平、垂直、倾斜）所限制。* 粗糙度对的影响 流体作滞流流动时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，流体质点对管壁凸出部分不会有碰撞作用。所以，在滞流时，摩擦系数与管壁粗糙度无关，仅为Re的函数。当流体作湍流流动时，靠管壁处总存在着一层滞流层，如果滞流内层的厚度b大于壁面的绝对粗糙度，即b，此时管壁粗糙度对摩擦系数的影响与滞流相近。随着Re数的增加，滞流内层的厚度逐渐变薄，当b时，壁面凸出部分便伸入湍流区内与流体质点发生碰撞，使湍流加剧，此时壁面粗糙度对摩擦系数的影响便成为重要的因素。Re值愈大，滞流内层愈薄，这种影响愈显著。* 滞流时的摩擦系数: = 64/du = 64/Re 压强降：Pf = 32lu/d24. 湍流时的摩擦系数5. 不同区域的影响因素四个区滞流区过渡区湍流区阻力平方区 （完全湍流区）Re20004000图中虚线以上区l值64/Re查lRe（e/d为参数）曲线l影响因素Ree/d Ree/d 关系由图看出，在湍流区，当 一定时，l随Re值增大而下降；当Re值一定时，l随 的增加而增大。在过渡区计算流动阻力时，为安全起见，一般将湍流时的曲线延伸，以查取l值。八、 管路上的局部阻力1. 局部阻力系数法（突然扩大和突然缩小的局部阻力系数动画）克服局部阻力所引起的能量损失，可表示成动能 的某个倍数，即（1-58）或 （1-58a）入口 ，出口 。突然扩大，缩小及管件阀门的值可查有关资料。2.当量长度法把局部阻力折算成相应长度的直管阻力，即（1-59）式中 称为局部阻力的当量长度，m。各种管件阀门的 值可查图1-29。3.管路系统中总能量损失管路系统的总能量损失（总阻力损失）是管路上全部直观阻力和局部阻力之和。当流体流经直径不变的管路时，可写出（1-60）式中管路系统总能量损失，J/kg；管路中管件阀门的当量长度之和，m；管路中局部阻力（如进口、出口）系数之和；l各段直管总长度，m。根据上述可分析欲降低 可采取如下的措施：（1）合理布局，尽量减少管长，少装不必要的管件阀门；（2）适当加大管径并尽量选用光滑管；（3）在允许条件下，将气体压缩或液化后输送；（4）高粘度液体长距离输时，可用加热方法（蒸汽伴管），或强磁场处理，以降低粘度；（5）允许的话，在被输送液体中加入减阻剂；（6）管壁上进行预处理低表面能涂层或小尺度肋条结构。但是有时为了某工程目的，需人为地造成局部阻力或加大流体湍动（如液体搅拌，传热传质过程的强化）。