《流体力学流动》PPT课件.ppt

流体力学与传热流体力学与传热一一曾朝霞曾朝霞二二 概述概述 一、本课程的性质与任务一、本课程的性质与任务 性质性质:是工程学科的一门基础技术课程是工程学科的一门基础技术课程 任务任务:论述化工单元操作中论述化工单元操作中,流体流动与流体流动与 热量传递的基本原理、工程计算、热量传递的基本原理、工程计算、典型设备的选型与设计。典型设备的选型与设计。二、本课程的研究对象和研究方法二、本课程的研究对象和研究方法研究对象研究对象-化学工业生产过程的单元操作化学工业生产过程的单元操作研究方法研究方法-1 1、物料衡算、物料衡算 2 2、能量衡算、能量衡算 3 3、平衡关系、平衡关系 4 4、过程速率、过程速率 概述概述 在各种化工生产过程中，除了化学反应过程外，在各种化工生产过程中，除了化学反应过程外，还有大量的物理加工过程。具有共同物理变化特点还有大量的物理加工过程。具有共同物理变化特点的基本操作称为化工单元操作。的基本操作称为化工单元操作。单元操作单元操作蜡油催化裂化燃料油、石油气裂解制乙烯和丙烯、二氧化碳与氨制尿素的生产过程如下图:三、单位制度与单位换算三、单位制度与单位换算 单位制度单位制度 基本量基本量-选出选出的物理量的物理量 基本单位基本单位-给基本量给基本量规定规定的单位的单位 导出单位导出单位-根据物理意义或物理公根据物理意义或物理公式式,由基本单位组合由基本单位组合导出导出的的其它物其它物 理量的单位理量的单位 概述概述 显然：显然：1 1、选择不同的基本量及单位、选择不同的基本量及单位,则产生不则产生不同的单位制度同的单位制度;2 2、同一物理量在不同的单位制度中可、同一物理量在不同的单位制度中可能有不同的单位。能有不同的单位。概述概述 物理制(cgs制)绝对实用制(MKS制)基本物理量基本物理量长度长度质量质量时间时间长度长度质量质量时间时间基本单位基本单位 cm cm g g s s m m kg kg s s 工程制 国际单位制(SI制)基本物理量基本物理量长度长度力力时间时间长度长度质量质量时间时间热力学温度热力学温度物质数量物质数量电磁强度电磁强度发光强度发光强度基本单位基本单位 m m kgf kgf s s m m kg kg s s K K mol mol A A cd cd 三、单位制度与单位换算三、单位制度与单位换算 *单位单位换算换算 例：重力加速度在例：重力加速度在SI制中的单位为制中的单位为m/s2,其值为其值为9.81，在物理制中，其值为，在物理制中，其值为981，单位为，单位为cm/s2 概述概述概述概述四四、物料衡算物料衡算质量守恒的一种表 达形式要点要点:*正确确定衡算范围正确确定衡算范围 *独立方程数应与未知数个数一致独立方程数应与未知数个数一致 概述概述五、能量衡算五、能量衡算能量守恒的一种表能量守恒的一种表 达形式达形式 要点要点:*正确确定衡算范围正确确定衡算范围 *独立方程数应与未知数个数一致独立方程数应与未知数个数一致 *某些能量是相对值某些能量是相对值 第一章第一章 流体流动流体流动本章内容本章内容n1.11.1流体的基本特性流体的基本特性n1.21.2流体静力平衡及其应用流体静力平衡及其应用n1.31.3流体动力学基础流体动力学基础n1.41.4流体流动的守恒原理流体流动的守恒原理n1.51.5流体流动的阻力损失流体流动的阻力损失n1.61.6流体流动的管路计算流体流动的管路计算n1.71.7流体动力学在工程上的应用流体动力学在工程上的应用流体的连续性流体的连续性 1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性第一章流体流动第一章流体流动 “流体质点流体质点”是由是由大量分子大量分子组成组成的的体积无穷小体积无穷小的微量流体。的微量流体。n“流体是连续介质流体是连续介质”的定义的定义流体是由无数连续分布的流体质点所流体是由无数连续分布的流体质点所组成的连续介质。组成的连续介质。流体质点的尺寸远大于分子间距离，质点间距离流体质点的尺寸远大于分子间距离，质点间距离小于分子间距离，可看作质点间没间隙。小于分子间距离，可看作质点间没间隙。流体的连续性流体的连续性 1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性第一章流体流动第一章流体流动n流体力学研究流体的宏观运动规律流体力学研究流体的宏观运动规律 流体宏观运动的某些属性是大量分子运动流体宏观运动的某些属性是大量分子运动的统计平均值的体现。的统计平均值的体现。“流体质点流体质点”在微观世界是无穷大，故能代在微观世界是无穷大，故能代表宏观运动的某些流体属性，如温度、压强表宏观运动的某些流体属性，如温度、压强等。等。流体的连续性流体的连续性 1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性第一章流体流动第一章流体流动 工程问题所研究的流体的空间尺度通常工程问题所研究的流体的空间尺度通常要比分子距离大得多。要比分子距离大得多。流体质点在宏观世流体质点在宏观世界是无穷小，故能运用数学的微积分方法。界是无穷小，故能运用数学的微积分方法。n利用微分方程等数学工具来研究流体宏利用微分方程等数学工具来研究流体宏观运动的规律，要求流体连续观运动的规律，要求流体连续 流体在一定温度下，体积随压强增大流体在一定温度下，体积随压强增大而缩小的特性称为而缩小的特性称为流体的压缩性。流体的压缩性。流体体积压缩系数：流体体积压缩系数：一定温度下一定温度下,单位压强增量引起的流体体积变化率。单位压强增量引起的流体体积变化率。体积压缩系数体积压缩系数 第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的压缩性流体的压缩性 1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性第一章流体流动第一章流体流动流体的压缩性流体的压缩性 体积压缩系数得另一个表达式体积压缩系数得另一个表达式 严格意义上来讲，一切流体都是可压缩的。严格意义上来讲，一切流体都是可压缩的。液体压缩性很小；气体压缩性很大。液体压缩性很小；气体压缩性很大。流体的压缩性是否要被考虑，视流体压强变流体的压缩性是否要被考虑，视流体压强变化情况而定。化情况而定。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的压缩性流体的压缩性 第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 l何为流体粘性？何为流体粘性？流体层间发生相对运动时会产生切向摩擦力（即粘性力）的性质称为流体之粘性。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 l流体粘性所产生的两种效应流体粘性所产生的两种效应 流体内部各流体微团之间会产生粘性力流体内部各流体微团之间会产生粘性力流体将粘附于它所接触的固体表面流体将粘附于它所接触的固体表面1.1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 由于粘性的存在，由于粘性的存在，流体流动时任意相邻两流体流动时任意相邻两层流体间是相互抵抗的，相互抵抗的作用力层流体间是相互抵抗的，相互抵抗的作用力是剪切力，也称之为内摩擦力、粘滞力、粘是剪切力，也称之为内摩擦力、粘滞力、粘性摩擦力。性摩擦力。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 粘性摩擦力是一种表面力，作用在接触面上。粘性摩擦力是一种表面力，作用在接触面上。作用方向沿接触面的切线方向。作用方向沿接触面的切线方向。实验证明：实验证明：对于大多数流体，对于大多数流体，当当h h和和u u不是很大时，两不是很大时，两平板间沿平板间沿y y方向的流速呈线性分布。即方向的流速呈线性分布。即流动时的内流动时的内摩擦力摩擦力F F、相邻流体层的速度差、相邻流体层的速度差u u、层间的垂直距、层间的垂直距离离y y以及两流体层的接触面积以及两流体层的接触面积A A之间存在以下关系：之间存在以下关系：第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 牛顿平板实验牛顿平板实验 上式写成等式：更广义地：上式即为牛顿粘性定律第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 1.1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 以以表示单位接触面积上的表示单位接触面积上的剪切力，称为剪切力，称为切向应切向应力，则有：力，则有：牛顿粘性定律的物理意义：牛顿粘性定律的物理意义：作用在流层上的作用在流层上的切向应力与相邻两层间的速度梯度成正比。切向应力与相邻两层间的速度梯度成正比。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 1.1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 也称为内摩擦应力、粘滞应力、粘性也称为内摩擦应力、粘滞应力、粘性摩擦应力。摩擦应力。不为零的条件是：不为零的条件是：l粘性流体粘性流体l流层存在速度梯度流层存在速度梯度 第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 1.1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 牛顿粘性定律式中的比例系数牛顿粘性定律式中的比例系数称为流体的称为流体的动力粘度，简称粘度，动力粘度，简称粘度，是衡量流体粘性大小是衡量流体粘性大小的物理量，的物理量，为流体的重要物性。为流体的重要物性。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 2.2.流体的粘度流体的粘度 动力粘度的单位为动力粘度的单位为Pa.sPa.s，或，或l粘度的物理意义粘度的物理意义 在速度梯度为在速度梯度为1 1时，流体层间单位接时，流体层间单位接触面积上，由流体的粘性所引起的内摩触面积上，由流体的粘性所引起的内摩擦力的大小。擦力的大小。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 2.2.流体的粘度流体的粘度 l粘度的影响因素粘度的影响因素第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 2.2.流体的粘度流体的粘度 粘度是温度、压力、流体组成的函数粘度是温度、压力、流体组成的函数1)1)压力的影响只体现在高压时。压力的影响只体现在高压时。2)2)温度对粘度的影响很大，温度上升，气体温度对粘度的影响很大，温度上升，气体粘度增大而液体粘度则下降。粘度增大而液体粘度则下降。l粘度的影响因素粘度的影响因素第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 2.2.流体的粘度流体的粘度 液体：液体：液体：液体：分子分子分子分子内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度气体：气体：气体：气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 温度l流体的运动粘度流体的运动粘度动力粘度与密度之比称为运动粘度。粘度可由实验测定，也可由一些理粘度可由实验测定，也可由一些理论或经验公式计算论或经验公式计算第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 2.2.流体的粘度流体的粘度 l粘度为零的流体称为理想流体粘度为零的流体称为理想流体理想流体流动没有粘性阻力理想流体流动没有粘性阻力当实际流体静止或流层以相同流速流动当实际流体静止或流层以相同流速流动时，时，粘性阻力不体现。粘性阻力不体现。理想流体运动规律的数学求解比理想流体运动规律的数学求解比实际流实际流体的简单得多。体的简单得多。第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性流体的粘性流体的粘性 3.3.粘性流体和理想流体粘性流体和理想流体 凡遵循牛顿粘性定律的流体称凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。为牛顿型流体。如如水、空气、汽油和水银水、空气、汽油和水银等等第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性1.1.4 1.1.4 牛顿型流体和非牛顿型流体牛顿型流体和非牛顿型流体 1.1.牛顿型流体牛顿型流体第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性1.1.4 1.1.4 牛顿型流体和非牛顿型流体牛顿型流体和非牛顿型流体 2.2.非牛顿型流体非牛顿型流体凡不遵循牛顿粘性定律的流体称为非凡不遵循牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。牛顿型流体。如如泥浆、血浆、新拌水泥砂泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土浆、新拌混凝土等。等。1)1)宾汉塑性流体宾汉塑性流体满足下式：满足下式：特性：特性：流动发生在屈服应力被克服之后流动发生在屈服应力被克服之后 此类流体有：牙膏、纸桨、泥浆等此类流体有：牙膏、纸桨、泥浆等第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性1.1.4 1.1.4 牛顿型流体和非牛顿型流体牛顿型流体和非牛顿型流体 2.2.非牛顿型流体非牛顿型流体2)假塑性流体(油脂、油漆、涂料等）3)涨塑性流体（硅酸钾、阿拉伯树胶等）第一章流体流动第一章流体流动1.1 1.1 流体的基本特性流体的基本特性1.1.4 1.1.4 牛顿型流体和非牛顿型流体牛顿型流体和非牛顿型流体 2.2.非牛顿型流体非牛顿型流体牛顿型流体和非牛顿型流体对比牛顿型流体和非牛顿型流体对比第一章流体流动第一章流体流动l流体的粘性流体的粘性流体流动时产生内流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性摩擦力的特性称为粘性l粘度的物理意义粘度的物理意义在速度梯度为在速度梯度为1 1时，流体层间单位接触面积上，时，流体层间单位接触面积上，由流体的粘性所引起的内摩擦力由流体的粘性所引起的内摩擦力的大小。的大小。要点回顾要点回顾l粘度的影响因素粘度的影响因素 1 1、压力的影响只体现在高压时。压力的影响只体现在高压时。2 2、温度对粘度的影响很大，、温度对粘度的影响很大，温度上升，温度上升，气体粘度增大而液体粘度则下降。气体粘度增大而液体粘度则下降。流体流动时任意相邻两层流体间是相互流体流动时任意相邻两层流体间是相互抵抗的，相互抵抗的作用力是剪切力，也抵抗的，相互抵抗的作用力是剪切力，也称之为内摩擦力、粘滞力、粘性摩擦力称之为内摩擦力、粘滞力、粘性摩擦力要点回顾要点回顾l牛顿粘性定律牛顿粘性定律作用在流层上的切作用在流层上的切向应力与相邻两层间的速度梯度成向应力与相邻两层间的速度梯度成正比。正比。要点回顾要点回顾l作用在流体上的力与静压强作用在流体上的力与静压强l流体静力平衡规律流体静力平衡规律l流体静力学基本方程式在工程上的应用流体静力学基本方程式在工程上的应用主要内容：主要内容：n流体静力学研究流体静力学研究“静止静止”态流体的力学规律态流体的力学规律n静止流体不体现粘性作用静止流体不体现粘性作用第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用作用在流体体积作用在流体体积表面表面上的力上的力 两类作用在流体上的力：表面力和质量力两类作用在流体上的力：表面力和质量力一、表面力一、表面力第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用二、质量力二、质量力（体积力）（体积力）作用在作用在流体流体内部内部每个流体微团上的力，每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。其大小与流体质量成正比。例如：重力、惯性力、磁力等例如：重力、惯性力、磁力等例如：粘性力、压力例如：粘性力、压力l流体密度定义式流体密度定义式 l均匀流体的密度均匀流体的密度第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用流体的密度流体的密度l理想气体的密度理想气体的密度 第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用流体的密度流体的密度l理想气体混合物的密度理想气体混合物的密度 l混合气体的密度混合气体的密度 l混合液体的密度混合液体的密度 第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用流体的密度流体的密度l压强压强定义：定义：垂直作用于流体单位面积上的力称垂直作用于流体单位面积上的力称为压力；单位面积上所受的压力称为压为压力；单位面积上所受的压力称为压力强度，简称压强，俗称压力。力强度，简称压强，俗称压力。第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.2 1.2.2 流体的静压强流体的静压强静止流体内没有剪应力，只有法向方向的压力。静止流体内没有剪应力，只有法向方向的压力。l l流体静压强的两个特性流体静压强的两个特性 1.1.方向性方向性 流体静压力的方向总是沿流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向。着作用面的内法线方向。(2)(2)(2)(2)因流体几乎不能承受拉力，故因流体几乎不能承受拉力，故p p指向受压面。指向受压面。原原原原因因:(1):(1)静止流体不能承受剪力，即静止流体不能承受剪力，即=0=0，故，故p p垂直受压面；垂直受压面；第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.2 1.2.2 流体的静压强流体的静压强l l流体静压强的两个特性流体静压强的两个特性 2.2.大小大小性性 第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.2 1.2.2 流体的静压强流体的静压强静止流体内任意点处的压强只与该点空间位置静止流体内任意点处的压强只与该点空间位置有关，而与作用面方位无关。有关，而与作用面方位无关。l压强压强表示方式及相互关系表示方式及相互关系 绝对压绝对压 表压表压 真空度真空度表压绝对压大气压表压绝对压大气压真空度大气压绝对压真空度大气压绝对压第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.2 1.2.2 流体的静压强流体的静压强各种压强表示法的相互关系各种压强表示法的相互关系 第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.2 1.2.2 流体的静压强流体的静压强例题已知当地大气压为例题已知当地大气压为101.33kPa24.33kPa(真空度）=kPa(绝对压）=77 24.33kPa(表压）=kPa(绝对压）101.33+24.33=125.66 24.33kPa(绝对压）=kPa(表压）kPa(真空度）-77 77 第一章流体流动第一章流体流动n 常用压强单位及单位换算常用压强单位及单位换算 Pa(N/m2)atm kgf/cm2 mmHg mH2O 1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.033 kgf/cm2=101.33kPa1 kgf/cm2=10 mH2O 第一章流体流动第一章流体流动n处于重力场中流体的静力平衡处于重力场中流体的静力平衡在静止流体中任取一微元体作受力分析在静止流体中任取一微元体作受力分析 1、微元体只受重力 和压力作用；2、微元体处于静止 态，各方向合力为零。第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.3 1.2.3 流体的静力平衡规律流体的静力平衡规律写出力的平衡方程，写出力的平衡方程，z方向：方向：压力：压力：重力：重力：合力为零，合力为零，整理化简整理化简:或:第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡 x方向：方向：y方向：方向：第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡第一章流体流动第一章流体流动（1-221-22）处于重力场中流体的静力平衡 当流体不可压缩，积分上式，得到：（1-22a)1-22a)上式表明:不可压缩流体处于静止状态时，其内部任何一处的静压能与势能之和为常数。第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡 对不可压缩流体，对不可压缩流体，在静止流体中任取在静止流体中任取2 2点点则有则有：（：（1-23)1-23)式式 第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡上式表明上式表明:不可压缩流体处于静止状态时，不可压缩流体处于静止状态时，其内部任意一处的静压能与势能之和等于任其内部任意一处的静压能与势能之和等于任意另一处的静压能与势能之和。意另一处的静压能与势能之和。上式表明上式表明:不可压缩流体处于静止状态不可压缩流体处于静止状态时，时，其势能的减少必导致其静压能的等额增其势能的减少必导致其静压能的等额增加。加。1-231-23式可写成式可写成第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡（1-23a)1-23a)若取液面及液下任一点，则有：第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡（1-24)1-24)n方程意义：方程意义：表明了重力场中静表明了重力场中静止流体内部压强的变化规律。止流体内部压强的变化规律。1.压强与深度有关压强与深度有关 2.压强可传递压强可传递 3.压强差的大小可以用液柱高度表示压强差的大小可以用液柱高度表示第一章流体流动第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡（1-24a)1-24a)n方程应用注意事项：方程应用注意事项：1.只能应用于静止的、连通的、同一种连续流体。2.2.当气体密度随温度、压强变化可忽略时，方程适用。第一章流体流动第一章流体流动n测压 依据流体静力学基本方程,可进行压强或压强差的测量,测量仪器称为液柱压差计。第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用1.1.测压管测压管 测压管是一根直径均匀的玻璃管，直接连在测压管是一根直径均匀的玻璃管，直接连在需要测量压强的容器上，以流体静力学基本方需要测量压强的容器上，以流体静力学基本方程式为测量的理论依据。程式为测量的理论依据。表压：表压：真空：真空：特点：特点：结构简单，结构简单，只能只能测量较小的压强。测量较小的压强。第一章流体流动第一章流体流动1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用2.U2.U形管测压计形管测压计p p h h1 11 1 2 2 A A h h2 22 p pa a特点：可以测量较大的压强特点：可以测量较大的压强1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用A A点绝对压：点绝对压：A A点表压：点表压：第一章流体流动第一章流体流动3.U3.U形管差压计形管差压计用于测量同一容器两个不同位置的压差或不用于测量同一容器两个不同位置的压差或不同容器的压强差。同容器的压强差。1A z 2 h2h B 第一章流体流动第一章流体流动1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用4.4.倾斜微压计倾斜微压计 p2 l p1 a h1 r 0 h2r A2A1特点：可以测量较小的压强，特点：可以测量较小的压强，提高读数精度。提高读数精度。将将U U型差压计一臂倾斜，型差压计一臂倾斜，另一臂缩短扩大则成为斜管另一臂缩短扩大则成为斜管差压计差压计第一章流体流动第一章流体流动1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用使用场合使用场合 适用于压差特别小的场合适用于压差特别小的场合作用：作用：提高读数精度提高读数精度第一章流体流动第一章流体流动1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用5.5.微差压计微差压计构造特点构造特点 （如图）（如图）双指示液双指示液n测液位第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用1.2.4 1.2.4 流体的静力平衡规律在工程上的应用流体的静力平衡规律在工程上的应用n液封高度计算第一章流体流动第一章流体流动1.2 1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡及其应用本节内容要点本节内容要点:压强的表示方式及相互间的关系 表压绝对压大气压表压绝对压大气压 真空度大气压绝对压真空度大气压绝对压流体静力学基本方程在连通的同一种的不可压缩的静止流体中，任两点的静压强（或静压能）满足下列方程。1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础第一章流体流动第一章流体流动 流体动力学研究流体在外力作用下的运动规律，流体动力学研究流体在外力作用下的运动规律，即流体的运动参数（即流体的运动参数（流速、温度、压力流速、温度、压力等）与所等）与所受力之间的关系。受力之间的关系。本节内容：本节内容：l流体流动的基本概念流体流动的基本概念l流动型态及判断依据流动型态及判断依据l边界层边界层l圆管内流动流体的速度分布圆管内流动流体的速度分布1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础第一章流体流动第一章流体流动1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念1 1、流量与流速、流量与流速 平均流速平均流速质量通量质量通量圆管直径圆管直径第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念1.1.流量与流速流量与流速 稳定流动不稳定流动第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念2.2.稳定流动和不稳定流动稳定流动和不稳定流动 化工生产中的流体流动多属连续、定常态。化工生产中的流体流动多属连续、定常态。第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念2.2.稳定流动和不稳定流动稳定流动和不稳定流动 第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念3.3.流线与流管流线与流管 在同一瞬间，位于流场某条线上的每一个在同一瞬间，位于流场某条线上的每一个流体微团的速度矢量都与此线在该点的切线流体微团的速度矢量都与此线在该点的切线重合，则这条线称为流线。重合，则这条线称为流线。u u 2 1 1 u u u u 2 2 1 3 3 3 u u 6 6 5 5 4 4 5 u u 4 6 u u 流线流线 注意：流体质点的运动轨迹称为迹线，注意：流体质点的运动轨迹称为迹线，迹线不等同迹线不等同流线；流线；仅在稳定流场中，迹线才与流线重叠。仅在稳定流场中，迹线才与流线重叠。第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念3.3.流线与流管流线与流管 在流场中任意作一封闭曲线在流场中任意作一封闭曲线C C，由该曲线，由该曲线C C上各点作流线，所组成的管状表面称为流管。上各点作流线，所组成的管状表面称为流管。u流束流束流管内的流体。流管内的流体。u微元流管微元流管封闭曲线封闭曲线C C所围成的面所围成的面积无限小的流管，积无限小的流管，流线即为微元流线即为微元流管的极限流管的极限。v1v2s1s2交点 v1v2折点 s 流线属性流线属性n定常流动时流线形状不变，非定定常流动时流线形状不变，非定常流动时流线形状发生变化；常流动时流线形状发生变化；n流流线上任一点的切线方向代表流线上任一点的切线方向代表流经该处流体质点的速度方向，经该处流体质点的速度方向，线线是一条光滑的曲线；是一条光滑的曲线；n流线流线彼此彼此不相交；流体质点流动不相交；流体质点流动时不可能穿越流线。时不可能穿越流线。第一章流体流动第一章流体流动l流体不可能从流管侧面流入或流出；流体不可能从流管侧面流入或流出；l对于稳定流动，流管的形状与位置不对于稳定流动，流管的形状与位置不随时间而变。随时间而变。流管特性流管特性第一章流体流动第一章流体流动第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念4.4.流场中的速度与加速度流场中的速度与加速度n流场流场 由流体流动所占据的全部空间称为流场。由流体流动所占据的全部空间称为流场。n 流场研究的两种方法流场研究的两种方法l l拉格朗日拉格朗日拉格朗日拉格朗日（Larange）法法法法跟随质点法跟随质点法l l欧拉欧拉欧拉欧拉（EulerEuler）法法法法空间点研究法空间点研究法 拉格朗日法的拉格朗日法的研究对象为研究对象为流体质点流体质点。着。着眼于研究各质点的运动历程，通过综合所有眼于研究各质点的运动历程，通过综合所有被研究流体质点的运动情况来获得整个流体被研究流体质点的运动情况来获得整个流体运动的规律。运动的规律。第一章流体流动第一章流体流动 欧拉欧拉（EulerEuler）法的法的研究对象为研究对象为流场流场。着。着眼于眼于整个整个流场流场的状态，对某一时刻各空间点上的状态，对某一时刻各空间点上流体质点的密度、速度、压强等流动参量进行流体质点的密度、速度、压强等流动参量进行研究。通过所有被研究空间点上的运动变化规研究。通过所有被研究空间点上的运动变化规律，来获得整个流场的运动特性。律，来获得整个流场的运动特性。第一章流体流动第一章流体流动流体稳定流动时质点的流体稳定流动时质点的加速度加速度稳定流场的速度稳定流场的速度第一章流体流动第一章流体流动加速度是速度对时间的变化率。加速度是速度对时间的变化率。故：故：流体稳定流动时质点的流体稳定流动时质点的加速度加速度第一章流体流动第一章流体流动故：故：由于欧拉法研究的是经过空间观察点的运动着由于欧拉法研究的是经过空间观察点的运动着的质点，所以除了速度是空间和时间的函数外，空的质点，所以除了速度是空间和时间的函数外，空间也是时间的函数。也就是说，速度是时间的复合间也是时间的函数。也就是说，速度是时间的复合函数。故加速度需按复合函数由二阶导数求取。函数。故加速度需按复合函数由二阶导数求取。又因为又因为:第一章流体流动第一章流体流动流体稳定流动时质点的流体稳定流动时质点的加速度加速度所以所以:得矢量表示式得矢量表示式:(1-(1-38a)38a)(1-(1-38b)38b)(1-(1-38c)38c)(1-38)(1-38)流动参量是几个坐标变量的函数，即为几维流动。流动参量是几个坐标变量的函数，即为几维流动。实际流体力学问题均为三维流动。工程中一实际流体力学问题均为三维流动。工程中一般根据具体情况加以简化。般根据具体情况加以简化。第一章流体流动第一章流体流动5.5.一维流动与多维流动一维流动与多维流动 1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.1 1.3.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.2 1.3.2 流动型态与雷诺数流动型态与雷诺数粘性流体的流型对流体流动的能量损粘性流体的流型对流体流动的能量损失有很大关系。失有很大关系。粘性流体的流动存在着两种不同的流型，层粘性流体的流动存在着两种不同的流型，层流和湍流。英国物理学家雷诺（流和湍流。英国物理学家雷诺（ReynoldsReynolds）通过）通过大量实验（即著名的雷诺实验），观察了各种不大量实验（即著名的雷诺实验），观察了各种不同直径玻璃管中的水流，在同直径玻璃管中的水流，在18831883年总结说明了这年总结说明了这两种流动状态。两种流动状态。1.1.层流与湍流的区别层流与湍流的区别 第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.2 1.3.2 流动型态与雷诺数流动型态与雷诺数1.1.层流与湍流的区别层流与湍流的区别 l雷诺实验雷诺实验水箱水箱A A注满水，利用溢水管注满水，利用溢水管H H保保持水箱中的水位恒定。持水箱中的水位恒定。微微打微微打开调节阀开调节阀C C，水流以很小速度，水流以很小速度沿玻璃管流出。沿玻璃管流出。再打开颜色水再打开颜色水瓶瓶D D上的小阀上的小阀K K，使颜色水沿细，使颜色水沿细管管E E流入玻璃管流入玻璃管B B中。中。观察管中观察管中颜色水的流动形状颜色水的流动形状。u低速流动中，有色水沿管轴方向作直线运动，此流动低速流动中，有色水沿管轴方向作直线运动，此流动状态称为状态称为层流。层流。u适当调大阀适当调大阀C C的开度的开度,可看到有色水流动形态由直线逐可看到有色水流动形态由直线逐渐起波浪渐起波浪过渡流过渡流；随着阀；随着阀C C开度的进一步加大开度的进一步加大,有色有色波浪线断开，有色水分散在水中波浪线断开，有色水分散在水中湍流湍流。第一章流体流动第一章流体流动l雷诺实验雷诺实验l 实验现象实验现象过渡状态过渡状态湍流（紊流）湍流（紊流）层流层流层流：层流：流场呈一簇互相平行的流线。流场呈一簇互相平行的流线。湍流（紊流）：湍流（紊流）：流体质点作复杂的无规则的流体质点作复杂的无规则的运动。有色流束与周围流体相混，颜色扩散运动。有色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个管道。至整个管道。过渡状态：过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状流体质点的运动处于不稳定状态，有色流束开始振荡起波浪。态，有色流束开始振荡起波浪。第一章流体流动第一章流体流动 引起流动型态变化的因素不仅仅是流速，还有流引起流动型态变化的因素不仅仅是流速，还有流体的物性与流道的特征尺寸，雷诺归纳出判断流体的物性与流道的特征尺寸，雷诺归纳出判断流动型态的定量准则如下：动型态的定量准则如下：第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.2 1.3.2 流动型态与雷诺数流动型态与雷诺数2.2.雷诺数与流动型态雷诺数与流动型态(1-42)(1-42)l临界雷诺数临界雷诺数层层 流：流：不稳定流：不稳定流：紊紊 流：流：下临界雷诺数下临界雷诺数上临界上临界雷诺数雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数层层 流：流：紊紊 流：流：第一章流体流动第一章流体流动2.2.雷诺数与流动型态雷诺数与流动型态 l雷诺数是惯性力与粘滞力之比雷诺数是惯性力与粘滞力之比l雷诺数是一个无量纲的数群雷诺数是一个无量纲的数群 由若干个有内在联系的物理量按无量纲条件组由若干个有内在联系的物理量按无量纲条件组成的数群，称为无量纲数群（或准数、无因次数群）成的数群，称为无量纲数群（或准数、无因次数群）。不论采用何单位制，其数值相等。不论采用何单位制，其数值相等。第一章流体流动第一章流体流动2.2.雷诺数与流动型态雷诺数与流动型态 3.3.湍流的特征与脉动现象湍流的特征与脉动现象 湍流中的流体质点，因不断互相掺混，引湍流中的流体质点，因不断互相掺混，引起质点间的碰撞和摩擦，产生了无数旋涡，起质点间的碰撞和摩擦，产生了无数旋涡，造成速度等流动参数随时间和空间作随机造成速度等流动参数随时间和空间作随机脉动。是一种不规则的流动状态。脉动。是一种不规则的流动状态。第一章流体流动第一章流体流动1.3 1.3 流体流体动力学基础动力学基础1.3.2 1.3.2 流动型态与雷诺数流动型态与雷诺数 对某个时间间隔内的瞬时速度取平均值，该平均对某个时间间隔内的瞬时速度取平均值，该平均值具有统计规律，称为时均速度，定义为：值具有统计规律，称为时均速度，定义为：湍流时，用高精湍流时，用高精度的测速仪来测量流度的测速仪来测量流场中某一空间点的流场中某一空间点的流体质点流速，可发现体质点流速，可发现速度是随时间作随机速度是随时间作随机脉动的，如图所示。脉动的，如图所示。(1-43)第一章流体流动第一章流体流动3.3.湍流的特征与脉动现象湍流的特征与脉动现象脉动速度脉动速度 称为脉动速度，为称为脉动速度，为瞬时局部速度瞬时局部速度 与时均与时均速度速度 之差之差。对定常流动对定常流动，时