第一章流体流动PPT讲稿.ppt

第一章流体流动第1页，共83页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 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2页，共83页，编辑于2022年，星期二2(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3页，共83页，编辑于2022年，星期二3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4页，共83页，编辑于2022年，星期二4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5页，共83页，编辑于2022年，星期二51-1-2 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=10.33 mH2 2O=1.0133 bar=1.01310O=1.0133 bar=1.013105 5 Pa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6页，共83页，编辑于2022年，星期二61-1-3 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7页，共83页，编辑于2022年，星期二71 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第8页，共83页，编辑于2022年，星期二8 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9页，共83页，编辑于2022年，星期二9U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10页，共83页，编辑于2022年，星期二10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11页，共83页，编辑于2022年，星期二11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相通，此时读数反映的是被测流体的表压强气相通，此时读数反映的是被测流体的表压强则则第12页，共83页，编辑于2022年，星期二122、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13页，共83页，编辑于2022年，星期二134、压力表测量压力表测量第14页，共83页，编辑于2022年，星期二14二、液位的测量二、液位的测量第15页，共83页，编辑于2022年，星期二15三、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16页，共83页，编辑于2022年，星期二16容器内为负压容器内为负压第17页，共83页，编辑于2022年，星期二17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：V Vs s m3 3/s/s质量流量：质量流量：质量流量：质量流量：ws kg/s kg/s 关系：关系：关系：关系：ws=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”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18页，共83页，编辑于2022年，星期二181-2-2 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、密度等）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，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。称为非定态流动。1-2-3 连续性方程式连续性方程式第19页，共83页，编辑于2022年，星期二19由物料平衡：由物料平衡：第20页，共83页，编辑于2022年，星期二20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21页，共83页，编辑于2022年，星期二21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：J/kg1 1、内能：、内能：、内能：、内能：U UU U1 U U22、位能：、位能：mgZ gZ gZ1 1 gZ2 2 3 3、动能：、动能：、动能：、动能：mumu2/2 u/2 u2 2/2 u/2 u1 12 2/2 u/2 u2 22/2/2 4 4、静压能：、静压能：、静压能：、静压能：p p1 11 p p2 2 2 25 5、热、热、热、热 Q Qe e 功功功功WWe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：机械能机械能第22页，共83页，编辑于2022年，星期二22二、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23页，共83页，编辑于2022年，星期二232、柏努利方程柏努利方程不可压缩流体不可压缩流体第24页，共83页，编辑于2022年，星期二24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25页，共83页，编辑于2022年，星期二252、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26页，共83页，编辑于2022年，星期二26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27页，共83页，编辑于2022年，星期二271-2-5 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28页，共83页，编辑于2022年，星期二28解：先选取基准面和截面解：先选取基准面和截面第29页，共83页，编辑于2022年，星期二29第30页，共83页，编辑于2022年，星期二30二、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31页，共83页，编辑于2022年，星期二31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32页，共83页，编辑于2022年，星期二32所以水面要升高8.58-7.79=0.79米第33页，共83页，编辑于2022年，星期二33三、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34页，共83页，编辑于2022年，星期二34解：解：解：解：第35页，共83页，编辑于2022年，星期二35四、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36页，共83页，编辑于2022年，星期二366、注意注意截面处不允许有急变流动，但所选取的两截面间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允许有急变流动第37页，共83页，编辑于2022年，星期二37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、牛顿粘性定律第38页，共83页，编辑于2022年，星期二38内摩擦应力内摩擦应力/剪应力剪应力第39页，共83页，编辑于2022年，星期二39二、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40页，共83页，编辑于2022年，星期二40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41页，共83页，编辑于2022年，星期二41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43页，共83页，编辑于2022年，星期二43 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44页，共83页，编辑于2022年，星期二44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45页，共83页，编辑于2022年，星期二451-3-3 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46页，共83页，编辑于2022年，星期二46第47页，共83页，编辑于2022年，星期二47流线流线第48页，共83页，编辑于2022年，星期二48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49页，共83页，编辑于2022年，星期二49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50页，共83页，编辑于2022年，星期二50二、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51页，共83页，编辑于2022年，星期二51湍流时湍流时u与与umax的关系的关系第52页，共83页，编辑于2022年，星期二52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 雷诺数雷诺数第53页，共83页，编辑于2022年，星期二53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54页，共83页，编辑于2022年，星期二54 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55页，共83页，编辑于2022年，星期二55完全湍流区过渡区湍流区层流区第56页，共83页，编辑于2022年，星期二56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57页，共83页，编辑于2022年，星期二57二、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58页，共83页，编辑于2022年，星期二58 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 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59页，共83页，编辑于2022年，星期二59共共线线图图第60页，共83页，编辑于2022年，星期二60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流体输流体输流体输送量送量送量送量3 3 3 3、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量损失损失损失损失管径管径管径管径第第2 2和和3 3两种情况：流速或管径未知两种情况：流速或管径未知ReRe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61页，共83页，编辑于2022年，星期二61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62页，共83页，编辑于2022年，星期二62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63页，共83页，编辑于2022年，星期二63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64页，共83页，编辑于2022年，星期二64 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65页，共83页，编辑于2022年，星期二65 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66页，共83页，编辑于2022年，星期二66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67页，共83页，编辑于2022年，星期二67 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68页，共83页，编辑于2022年，星期二68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69页，共83页，编辑于2022年，星期二691-静压管2-冲压管测静压能测动能和静压能之和第70页，共83页，编辑于2022年，星期二70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71页，共83页，编辑于2022年，星期二71计算用图计算用图计算用图计算用图 第72页，共83页，编辑于2022年，星期二72二、孔板流量计二、孔板流量计缩脉孔板第73页，共83页，编辑于2022年，星期二73第74页，共83页，编辑于2022年，星期二74C 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C2 2：对角接取压的校正：对角接取压的校正第75页，共83页，编辑于2022年，星期二75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76页，共83页，编辑于2022年，星期二76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77页，共83页，编辑于2022年，星期二77第78页，共83页，编辑于2022年，星期二78三、文丘里流量计三、文丘里流量计第79页，共83页，编辑于2022年，星期二79四、转子流量计四、转子流量计动画动画动画动画第80页，共83页，编辑于2022年，星期二80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81页，共83页，编辑于2022年，星期二81校正校正液体：液体：气体：气体：气体：气体：第82页，共83页，编辑于2022年，星期二82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、可用于腐蚀性读数方便、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83页，共83页，编辑于2022年，星期二83