工程流体力学知识点总结市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

1 1首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007工程流体力学知识点总结主讲人：朱华玲主讲人：朱华玲工作室：工作室：M2502 电电 话：话：15872539192 qq：81016450310/10/第1页2 2首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007考试题型考试题型考试题型考试题型q一 填空题 10*2分=20分；q二 选择题 10*2分=20分；q三 计算题 4题，共40分；q四 叙述题 2题，每小题10分，共20分。10/10/第2页3 3首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质一、流体概念一、流体概念1、流体：由极其微小、在空流体：由极其微小、在空间仅占有点位置占有点位置质点所点所组成微成微团组成、成、连续、易于流、易于流动介介质。2 2、特征特征：易流性；易流性；只承受只承受压力，不能承受切力，不能承受切应力；力；没有固定形状，其形状取决于容器形状。没有固定形状，其形状取决于容器形状。3、流体流体液体：分子液体：分子间距小，含有微小距小，含有微小压缩性；性；气体：分子气体：分子间距大，含有很大距大，含有很大压缩性。性。10/10/第3页4 4首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质二、二、流体密度与流体密度与压缩性性 1、密度密度 单位体积内流体所含有质量。单位体积内流体所含有质量。均均质流体流体式中式中 流体密度（流体密度（kg/m）；）；4时水密度（水密度（kg/m）。）。2、相相对密度密度10/10/第4页5 5首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质3、重度重度 单位体积内流体所含有重量。单位体积内流体所含有重量。4、体体积弹性模量性模量 V V一定，在一一定，在一样pp下，下，K K 越大越大,V V 越小越小,说明明K K 越大，越大，液体抗液体抗压能力越能力越强.说明：明：因因为压强增大，体增大，体积缩小，小，pp与与V V 改改变趋势相反，相反，为确保确保K K为正正值，故加有符号。，故加有符号。10/10/第5页6 6首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质三三、流体粘性流体粘性1 1、流体粘性、流体粘性 液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，其内部因液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，其内部因相相对运动对运动而产生而产生内摩擦力内摩擦力性质。性质。静止液体不展现粘性。静止液体不展现粘性。2 2、牛、牛、牛、牛顿顿内摩擦定律内摩擦定律内摩擦定律内摩擦定律:流体流流体流动时，阻滞剪切，阻滞剪切变形形内摩内摩擦擦擦擦力力与流体运与流体运动速度梯速度梯度成正比度成正比，与，与接触面接触面积成成正比正比，与流体性与流体性质相关，与流体内相关，与流体内压力无关力无关。单位面位面积上切上切应力力式中：式中：-百分比常数百分比常数-动力粘度动力粘度10/10/第6页7 7首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质 3 3、粘性表示方法及其单位、粘性表示方法及其单位、粘性表示方法及其单位、粘性表示方法及其单位（1）动力粘度动力粘度 （2）运运动粘度粘度国国际单际单位制中位制中单单位位：m2/s 惯用非法定用非法定单位：位：1 1 m m2 2/s s=10=104 4 St St(cmcm2 2/s)=10/s)=106 6 cSt cSt(mmmm2 2/s)/s)由牛由牛顿内摩擦定律内摩擦定律动力粘度表示力粘度表示单位速度梯度下流体内摩擦位速度梯度下流体内摩擦应力大小力大小。国国际单际单位制中位制中惯惯用用单单位位：或是或是10/10/第7页8 8首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质恩氏粘度与运动粘度换算关系恩氏粘度与运动粘度换算关系4、液体粘度将随、液体粘度将随压力和温度改力和温度改变发生生对应改改变。（1）流体流体产生粘性主要原因生粘性主要原因液体：液体：分子分子内聚力内聚力；气体分子作气体分子作热运运动，流，流层之之间分子分子热交交换频繁繁。（2）压力影响力影响 在高在高压下，液体粘度随下，液体粘度随压力升高而增大；常力升高而增大；常压下，下，压力力对流体粘性影响流体粘性影响较小，可忽略。小，可忽略。（3）恩氏粘度恩氏粘度注意注意:2时，使用，使用该公式。当没有公式。当没有约束条件束条件时为7.13。恩氏粘度是无量恩氏粘度是无量纲数。数。10/10/第8页9 9首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第二章第二章 流体主要物理性质流体主要物理性质液体：液体：温度升高，粘度降低；温度升高，粘度降低；气体：温度升高，粘度增大。气体：温度升高，粘度增大。（3）温度影响温度影响5 5、实际流体和理想流体、实际流体和理想流体、实际流体和理想流体、实际流体和理想流体实际流体实际流体（粘性流体）：（粘性流体）：含有粘性流体称实际流体。含有粘性流体称实际流体。理想流体理想流体 ：假想没有粘性流体。假想没有粘性流体。10/10/第9页1010首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学1、液体静、液体静压强含有两个主要特征含有两个主要特征：1)液体静液体静压强方向方向总是指向作用面内法是指向作用面内法线方向。方向。2)静止液体内任一点静止液体内任一点静静压力在各个方向上都相等。力在各个方向上都相等。证：四面体上法向表面力：四面体上法向表面力10/10/第10页1111首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学投影式：投影式：由由有有：整理得：整理得：四面体上四面体上质量力：量力：10/10/第11页1212首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学同理：同理：即：即：2、静止流体平衡微分方程式、静止流体平衡微分方程式研究流体在研究流体在质量力和表面力作用下力平衡关系量力和表面力作用下力平衡关系（1）、平）、平衡微分方程式衡微分方程式设微小六面体中心点微小六面体中心点a,其静其静压强为p(x,y,z)10/10/第12页1313首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学x x x x方向平衡方程式方向平衡方程式方向平衡方程式方向平衡方程式 化简得化简得同除以同除以同除以同除以 同理得同理得欧拉平衡方程欧拉平衡方程欧拉平衡方程欧拉平衡方程10/10/第13页1414首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学3、重力重力场中静止流体中静止流体压强分布分布（1）、不可压缩流体静压强基本公式重力场中平衡流体中流体静压力只是高度连续函数。重力场中平衡流体中流体静压力只是高度连续函数。重力场中欧拉平衡方程形式为重力场中欧拉平衡方程形式为 10/10/第14页1515首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学对于不可压缩流体对于不可压缩流体 ，对上式在流体连续区域，对上式在流体连续区域内进行积分，可得：内进行积分，可得：该式为重力场中不可压缩流体该式为重力场中不可压缩流体静压强基本方程式静压强基本方程式。积分常数积分常数C能够由平衡液体自由表面边界条件确定：能够由平衡液体自由表面边界条件确定：10/10/第15页1616首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学这就是不可压缩流体这就是不可压缩流体静压强分布规律。（重点）静压强分布规律。（重点）静止流场中压强分布规律既适合用于理想流体，也适合用于粘性流静止流场中压强分布规律既适合用于理想流体，也适合用于粘性流体体所以即流体静压强基本方程式表明：流体静压强基本方程式表明：重力作用下静止液体中，任一点静压强由自由表面上压重力作用下静止液体中，任一点静压强由自由表面上压强和单位面积液柱重量所组成。强和单位面积液柱重量所组成。静止液体自由表面上表面压力均匀传递到液体内各点静止液体自由表面上表面压力均匀传递到液体内各点（这就是著名帕斯卡定律，如水压机、油压千斤顶等机（这就是著名帕斯卡定律，如水压机、油压千斤顶等机械就是应用这个定律制成）。械就是应用这个定律制成）。淹深淹深10/10/第16页1717首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学静止液体内不一静止液体内不一样位置位置处流体静流体静压力数力数值不一不一样，但其数但其数值之之间存在以下关系。存在以下关系。（2）、流体静压强基本方程式物理意义（由上式）（由上式）在平衡流体内部，位置势能和压力势能能够相互转化，在平衡流体内部，位置势能和压力势能能够相互转化，不过总能量保持恒定。不过总能量保持恒定。流体静压强基本方程式意义就是平衡流体中总能量是流体静压强基本方程式意义就是平衡流体中总能量是一定。这也是能量守衡与转化定律在平衡流体中表达。一定。这也是能量守衡与转化定律在平衡流体中表达。位置位置势能能压力力势能能10/10/第17页1818首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学4、静压强表示方法及其单位静压强表示方法及其单位（1）、表示方法：）、表示方法：大气压强大气压强-标准状态下，海平面上大气所产生压强。标准状态下，海平面上大气所产生压强。绝对压强绝对压强-以以绝对真空作为基准所表示压强；绝对真空作为基准所表示压强；相对压强相对压强-以以当地大气压强作为基准所表示压强。当地大气压强作为基准所表示压强。多多 数数测压仪表所测得压强是相对压强测压仪表所测得压强是相对压强，故相，故相 对压力也称表压强。对压力也称表压强。真空度真空度-负相对压强。负相对压强。（2）、四种）、四种压力关系：力关系：绝对压强=相相对压强+大气大气压强 真空度真空度=大气大气压强-绝对压强10/10/第18页1919首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007流体静力学流体静力学流体静力学pOp=0ppaP，粗糙度被，粗糙度被层流流边层淹没；（重点）淹没；（重点）水力粗糙管：水力粗糙管：时，保持在时，保持在0.80.8左右。左右。短孔加工比比薄壁小孔轻易，所以尤其适合于短孔加工比比薄壁小孔轻易，所以尤其适合于作固定节流器使用。作固定节流器使用。式中：式中：v1可忽略可忽略，代入。整理：代入。整理：流经短孔流经短孔流量计算式流量计算式：10/10/第72页7373首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007孔口流动孔口流动孔口流动孔口流动孔口流动孔口流动三、细长孔三、细长孔q式中：液体流经细长孔流量和孔前后式中：液体流经细长孔流量和孔前后压差压差p成正成正比；比；q流量和液体粘度流量和液体粘度成反比。所以流量受液体温度改成反比。所以流量受液体温度改变影响较大。变影响较大。液体流经细长小孔时，普通都是层流状态，所以可液体流经细长小孔时，普通都是层流状态，所以可直接应用前面已导出圆管层流直接应用前面已导出圆管层流流量公式流量公式：10/10/第73页7474首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象一一一一.液压冲击液压冲击液压冲击液压冲击定义：在液压系统中，因为某种原因引发液体中产定义：在液压系统中，因为某种原因引发液体中产 生生急剧交替压力升降阻力波动急剧交替压力升降阻力波动过程。过程。危害：出现冲击时，液体中危害：出现冲击时，液体中瞬时峰值压力瞬时峰值压力往往比往往比 正常工作压力高好几倍，它不但会损坏密封正常工作压力高好几倍，它不但会损坏密封 装置、管道和液压元件，而且还会引发振动装置、管道和液压元件，而且还会引发振动 与噪声；有时使一些压力控制液压元件产与噪声；有时使一些压力控制液压元件产 生误动作，造成事故。生误动作，造成事故。原因：流道突然堵塞或截断原因：流道突然堵塞或截断。10/10/第74页7575首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007液压冲击液压冲击液压冲击(一一)液压冲击物理过程液压冲击物理过程 若将阀门突然关闭，则紧靠阀门这若将阀门突然关闭，则紧靠阀门这部分液体立刻停顿运动，液体动能瞬时部分液体立刻停顿运动，液体动能瞬时转变为压力能，接着后面液体依次停顿转变为压力能，接着后面液体依次停顿运动，依次将动能转变为压力能，并以运动，依次将动能转变为压力能，并以一定速度由阀门处回传到管头处，使全一定速度由阀门处回传到管头处，使全管压力升高，在管道内形成压力升高波；管压力升高，在管道内形成压力升高波；管内液体受力不平衡，使液体倒流，管管内液体受力不平衡，使液体倒流，管内液体压力逐段降低，形成压力衰减波。内液体压力逐段降低，形成压力衰减波。若整个过程中无能量损失，则冲击波将永远连续若整个过程中无能量损失，则冲击波将永远连续下去。下去。“水锤水锤”10/10/第75页7676首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007液压冲击液压冲击液压冲击(二二)减小液压冲击办法减小液压冲击办法q适当加大管径，限制管道流速，普通在液压系统中把速度适当加大管径，限制管道流速，普通在液压系统中把速度控制在控制在4.5m/s4.5m/s以内，使以内，使p prmaxrmax不超出不超出5MPa5MPa就能够认为是安全；就能够认为是安全；q正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度改正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度改变比较均匀；变比较均匀；q延长阀门关闭和运动部件制动换向时间，可采取换向时间延长阀门关闭和运动部件制动换向时间，可采取换向时间可调换向阀；可调换向阀；q尽可能缩短管长，以减小压力冲击波传输时间，变直接冲尽可能缩短管长，以减小压力冲击波传输时间，变直接冲击为间接冲击；击为间接冲击；q迟缓关闭阀门，削减冲击波强度；迟缓关闭阀门，削减冲击波强度；q在阀门前设置蓄能器，以减小冲击波传输距离；在阀门前设置蓄能器，以减小冲击波传输距离；q应将管中流速限制在适当范围内，或采取橡胶软管；应将管中流速限制在适当范围内，或采取橡胶软管；q在系统中装置安全阀，限制压力升高。在系统中装置安全阀，限制压力升高。10/10/第76页7777首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007气穴现象气穴现象气穴现象二二.气穴现象气穴现象定义：在流动液体中，因为定义：在流动液体中，因为压力降低而有气泡压力降低而有气泡形成形成 现象。现象。气穴中气体：空气，油蒸汽。气穴中气体：空气，油蒸汽。轻微气穴：压力降低到某一值时，以混入油中微小轻微气穴：压力降低到某一值时，以混入油中微小 气泡为关键，其体积胀大并相互聚合而形气泡为关键，其体积胀大并相互聚合而形 成相当体积气泡。成相当体积气泡。严重气穴：当压力降低到空气分离压（严重气穴：当压力降低到空气分离压（4104pa)4104pa)以以 下，除混入油中气泡胀大聚合外，溶入下，除混入油中气泡胀大聚合外，溶入 油中空气将突然快速自油中分离而产油中空气将突然快速自油中分离而产 生大量气泡。生大量气泡。10/10/第77页7878首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007气穴现象气穴现象气穴现象强烈气穴：当压力降低到饱和蒸汽压（约为强烈气穴：当压力降低到饱和蒸汽压（约为2104pa)2104pa)以下，以下，除上述两种气泡外，油液还将沸腾汽化，产生大除上述两种气泡外，油液还将沸腾汽化，产生大 量气泡。量气泡。未破溃气泡未破溃气泡体积缩小、溃灭体积缩小、溃灭局部真空局部真空局部液压冲击局部液压冲击产生振动、噪音产生振动、噪音金属表面剥落破坏金属表面剥落破坏 气蚀气蚀油液氧化变质油液氧化变质流道狭窄处流道狭窄处堵塞堵塞 总之，气穴使系统性能变坏（尤其是系统动态性能）容积总之，气穴使系统性能变坏（尤其是系统动态性能）容积效率降低；气蚀使材料破坏，使液压元件寿命缩短。效率降低；气蚀使材料破坏，使液压元件寿命缩短。危害：危害：气泡气泡进入高入高压区区10/10/第78页7979首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007气穴现象气穴现象气穴现象减小气穴办法：减小气穴办法：v正确设计和选取液压元件（结构、参数）正确设计和选取液压元件（结构、参数）;v减小阀孔口前后压差（减小阀孔口前后压差（P1/P23.5）;v液压系统个元件联接处要密封可靠，严防空气侵入；液压系统个元件联接处要密封可靠，严防空气侵入；v在易发生气穴管路中加背压；在易发生气穴管路中加背压；v采取抗蚀能力强金属材料，提升零件机械强度，减小零件表采取抗蚀能力强金属材料，提升零件机械强度，减小零件表面粗糙度；面粗糙度；v降低吸油高度（普通不超出降低吸油高度（普通不超出0.5m);v加大吸油管径，限制吸油管流速；加大吸油管径，限制吸油管流速；v及时清洗吸油过滤器。及时清洗吸油过滤器。习题：液压冲击和气穴现象是怎样产生？它们有何习题：液压冲击和气穴现象是怎样产生？它们有何 危害？怎样预防？危害？怎样预防？10/10/第79页8080首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007第十章第十章第十章第十章 气体一元定常流动气体一元定常流动气体一元定常流动气体一元定常流动特点：特点：压缩性。性。声速和声速和马赫数赫数 一、声速一、声速c c：微弱微弱扰动波波在在弹性介性介质中中传输速度。速度。划分气体流划分气体流动类型自然型自然标准。准。v vc c v vc c 亚声速流亚声速流 超声速流超声速流 含有完全不一含有完全不一样性性质10/10/第80页8181首页上页下页末页结束机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院机械与材料学院20072007气体一元定常流动微弱微弱扰动dp、d、dT改改变变很小很小C大，与外界来不及大，与外界来不及进进行行热热交交换换可逆可逆绝热绝热等等熵熵过过程程由等由等熵过熵过程关系式：程关系式：等容比等容比热等等压比比热，绝热绝热指数指数故有：故有：气体状态方程：气体状态方程：声音在声音在弹性介性介质中中传输速度速度结论：可可压缩流体中微弱流体中微弱扰动波波传输速度就是声速。速度就是声速。10/10/第81页