流体力学基本原理研究.ppt

第一章第一章 流体流动流体流动把把流流体体视视为为由由无无数数个个流流体体微微团团（或或流流体体质质点点）所所组组成成，这这些些流流体体微微团团紧紧密密接接触触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。彼此没有间隙。这就是连续介质模型。流体微团（或流体质点）：流体微团（或流体质点）：宏宏观观上上足足够够小小，以以致致于于可可以以将将其其看看成成一一个个几几何何上上没没有有维度的点；维度的点；同同时时微微观观上上足足够够大大，它它里里面面包包含含着着许许许许多多多多的的分分子子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。其行为已经表现出大量分子的统计学性质。概述概述一连续介质模型一连续介质模型二二 、流体的特性、流体的特性 1 1、流动性、流动性,流体不能承受拉力；流体不能承受拉力；2 2、没有固定形状，形状随容器而变；、没有固定形状，形状随容器而变；3 3、流体流动、流体流动外力作用的结果；外力作用的结果；4 4、连续性（除高度真空情况）、连续性（除高度真空情况）。5 5、压缩性压缩性 可压缩性流体可压缩性流体气体气体 不可压缩性流体不可压缩性流体液体液体三、流体所受到的力三、流体所受到的力如如重重力力、离离心心力力等等，属属于非接触性的力。于非接触性的力。（2 2）气体）气体 为可压缩性的流体，通常（压力不太高，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。则按真实气体状态方程处理。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 研究外力作用下的平衡规律研究外力作用下的平衡规律 一、一、密度密度 1.1.定义定义：单位体积流体所具有的质量。：单位体积流体所具有的质量。=m/V kg/m3 流体中某点密度：流体中某点密度：2 2、影响因素：温度和压力影响因素：温度和压力（1）液体液体 认为不可压缩的流体，与压力无关，温度升认为不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。高，密度降低。假设混合后总体积不变，假设混合后总体积不变，（3 3）混合物的密度）混合物的密度1）液体）液体混合物的密度混合物的密度m 取取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为液体，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液体混合物密度计算式 2)2)气体混合物的密度气体混合物的密度 取取1m3的气体为基准的气体为基准,令各组分的体积分率为令各组分的体积分率为:xvA,xvB,xVn,其中其中:混合物中各组分的质量为：混合物中各组分的质量为：当当V总总=1m3时时，若混合前后若混合前后,气体的质量不变，气体的质量不变，当当V总总=1m3时时,气体混合物密度计算式气体混合物密度计算式理想气体混合物密度计算式理想气体混合物密度计算式在数值上在数值上:3.与与密度相关的几个物理量密度相关的几个物理量 1）比容）比容：单位质量的流体所具有的体积，用：单位质量的流体所具有的体积，用表示，表示，单位为单位为m3/kg。2）比比重重(相相对对密密度度)：某某物物质质的的密密度度与与4下下的的水水的的密密度度的的比比 值，用值，用 d 表示。表示。二、流体的静压强二、流体的静压强 SI制单位：制单位：N/m2，即即Pa。其它常用单位有：其它常用单位有：atm（标标准准大大气气压压）、工工程程大大气气压压 kgf/cm2、bar；流流体体柱柱高度（高度（mmH2O，mmHg 等）。等）。1 1、压强的定义、压强的定义 流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强静压强，简称简称压强压强。或换算关系为：换算关系为：2、压强的表示方法、压强的表示方法 1）绝对压强（绝压）：绝对压强（绝压）：流体体系的真实压强称为绝对压强。流体体系的真实压强称为绝对压强。2）表压表压 强（表压）：强（表压）：压力上读取的压强值称为表压。压力上读取的压强值称为表压。3）真空度：）真空度：真空表的读数真空表的读数 绝对压绝对压表压表压真空度真空度绝对零压绝对零压大气压大气压实测压力实测压力实测压力实测压力绝压（余压）绝压（余压）绝对压强、真空度、表压强的关系为绝对压强、真空度、表压强的关系为 表压表压绝对压绝对压-大气压大气压 真空度真空度大气压大气压 -绝对压绝对压2 2、静力学方程的讨论、静力学方程的讨论1.1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。流体某一深处的压力与深度和密度有关。2.2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改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）。变且变化值相同（巴斯葛定律）。3.3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。点压力相等。(等压面等压面 )4.4.压力或压差可用液柱高度表示。压力或压差可用液柱高度表示。H=（P2-P0）/g3 3、流体静力学基本方程的应用、流体静力学基本方程的应用P1P2（1 1）压力测定）压力测定 U型管压差计型管压差计 A-A为等压面为等压面PA=PAPA=P1+g(H+R)PA=P2+gR+gHP1-P2=Rg(-)如测量气体如测量气体 0P1-P2=Rg 一臂通大气一臂通大气?微差压差计微差压差计 放大读数放大读数 P1 P2 a R b 特点：特点：（1 1）内装两种密度相）内装两种密度相近且不互溶的指示近且不互溶的指示剂；剂；（2 2）U U型管两臂各装型管两臂各装扩大室（水库）扩大室（水库）。P1-P2=（a-b）Rg倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计R=R1sin(2)液位的测定液位的测定 液液位位计计的的原原理理遵遵循循静静止止液液体体内内部部压压强强变变化化的的规规律律,是静力学基本方程的一种应用。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：液柱压差计测量液位的方法：由由压压差差计计指指示示液液的的读读数数R可可以以计计算算出容器内液面的高度。出容器内液面的高度。当当R0时时，容容器器内内的的液液面面高高度度将将达达到到允允许许的的最最大大高高度度，容容器器内内液液面面愈低，压差计读数愈低，压差计读数R越大。越大。远距离控制液位的方法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(3)液封高度的计算液封高度的计算 液封的作用：液封的作用：若若设设备备内内要要求求气气体体的的压压力力不不超超过过某某种种限限度度时时，液液封封的的作作用用就是：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，又称为安全性液封安全性液封。若设备内为负压操作，其作用是：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液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流体静力流体静力学基本方程式学基本方程式。p pR气体气体Rp p真空表真空表气气气气水水R液封液封 第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动一、流量与流速一、流量与流速 体积流速体积流速质量流速质量流速流速流速点速度点速度，单位：单位：m/s-关系：关系：smVskgm3表示表示，体积流量体积流量，用用表示，表示，质量流量质量流量，用用流量流量v，单位单位m/s二稳定流动与不稳定流动二稳定流动与不稳定流动 流流动动参参数数都都不不随随时时间间而而变变化化，就就称称这这种种流流动动为为稳稳定定流流动。否则就称为不稳定流动。动。否则就称为不稳定流动。对于圆形管道对于圆形管道三、连续性方程三、连续性方程 m1=m2 m=V =uA u1 A1 1=u2 A2 2=常数常数对于不可压缩性流体对于不可压缩性流体,密度可视为不变密度可视为不变u1 A1=u2 A2 -连续性方程连续性方程圆形管道圆形管道：u1/u2=(d2/d1)2衡算范围：取管内壁截面衡算范围：取管内壁截面1-1与截面与截面2-2间的管段。衡算基准：间的管段。衡算基准：1s对于连续稳定系统：对于连续稳定系统：1122二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数1 1、雷诺实验雷诺实验 2 2、雷诺数、雷诺数ReRe雷诺数的因次雷诺数的因次：ReRe是一个没有单位，没有因次的纯数是一个没有单位，没有因次的纯数 。在计算在计算ReRe时，一定要注意各个物理量的时，一定要注意各个物理量的单位必须统一单位必须统一。雷诺准数可以判断流型雷诺准数可以判断流型 流体在圆形直管内流动时：流体在圆形直管内流动时：流体的流动类型属于流体的流动类型属于滞流滞流；流体的流动类型属于流体的流动类型属于湍流湍流；可能是滞流，也可能是湍流，与外可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。界条件有关。过渡区过渡区本质区别 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 一、测速管：又称皮托（一、测速管：又称皮托（Pitot）管管1、测速管测速管的结构和原理的结构和原理p 对对于于某某水水平平管管路路，测测速速管管的的内内管管A点点测测得得的的是是管管口口所所在在位位置置的的局局部部流流体体动动压压头头与与静静压压头头之之和和，称为冲压头称为冲压头。B点测得为静压头点测得为静压头冲压头与静压头之差冲压头与静压头之差 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，U型管压差计内充有密度为的指示液，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=0.981.00 2、使用皮托管的注意事项、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812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。二、二、孔板流量计孔板流量计1、结构和原理、结构和原理两种取压方式：两种取压方式：(1)角接法角接法取压口在法兰上；(2)径接法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。影响两测压点间的压力差的因素：孔板结构、流速。测量测量原理原理：暂不计摩擦损失，1、2之间有：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。当当Re1超过某界限值时，超过某界限值时，C0不不再随再随Re1而变而变C0=const，此时流此时流量就与压差计读数的平方根成量就与压差计读数的平方根成正比，因此，在孔板的设计和正比，因此，在孔板的设计和使用中，希望使用中，希望Re1大于界限值。大于界限值。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%。三、文丘里流量计三、文丘里流量计1、结构和原理、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。变压头流量计的特点是：变压头流量计的特点是：恒截面，变压头。恒截面，变压头。总结：总结：四、转子流量计四、转子流量计1、结构和原理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。当转子停留在某一高度时，将转子近似看为一个圆柱体，则在0-0、1-1面间列伯努利方程：原理：原理：先按理想流体推导，此时摩擦力为零。考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理想，将上式加一校正系数，得：转子流量计安装、使用中注意事项转子流量计安装、使用中注意事项v读数常需换算：读数常需换算：使用时被测流体物性（、）与标定用流体不同（20C水或20C、1atm的空气），则流量计刻度必须加以换算：v转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路以便于检修转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路以便于检修V、实际被测流体的流量、密度；实际被测流体的流量、密度；V、标定用流体的流量、密度标定用流体的流量、密度优优点点：读取流量方便，流体阻力小，测量精确度较高，能用于腐蚀性流体的测量；流量计前后无须保留稳定段。缺点：缺点：玻璃管易碎，且不耐高温、高压。下标1代表标定流体（水或空气）的流量和密度值，下标2代表实际操作中所用流体的流量和密度值。转子流量计在出厂时一般是根据20的水或20、0.1MPa下的空气进行实际标定的，并将流量值刻在玻璃管上。使用时若流体的条件与标定条件不符时，应实验标定或进行刻度换算。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。