【教学课件】第一章流体力学基础.ppt
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1、通通 风风 除除 尘尘 与与 物物 料料 输输 送送高高 等等 职职 业业 教教 育育 粮粮 油油 工工 程程 技技 术术 专专 业业 课课 程程主讲教师:陈主讲教师:陈 革革沈沈 阳阳 师师 范范 大大 学学 职职 业业 技技 术术 学学 院院第一章第一章 流体力学基础流体力学基础第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 工程流体力学以工程流体力学以流体为对象流体为对象,主要研究流体机械运动的规律,并把这些,主要研究流体机械运动的规律,并把这些规律应用到有关实际工程中去。涉及流体的工程技术很多,如水力电力,船规律应用到有关实际工程中去。涉及流体的工程技术很多,
2、如水力电力,船舶航运,流体输送,粮食通风除尘与气力输送等。舶航运,流体输送,粮食通风除尘与气力输送等。第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 通风除尘与气力输送属于流体输送,它是以空气作为工作介质,通过空通风除尘与气力输送属于流体输送,它是以空气作为工作介质,通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的,因此,掌握必要由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的,因此,掌握必要的工程流体力学基本知识,是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计的工程流体力学基本知识,是我们
3、研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的算通风除尘与气力输送系统的基础基础。本章中心内容是叙述工程流体力学基本知识,本章中心内容是叙述工程流体力学基本知识,主要是主要是空气的物理性质及空气的物理性质及运动规律。运动规律。一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质 流体力学主要研究流体的宏观运动规律它把流体分成许多许多的分流体力学主要研究流体的宏观运动规律它把流体分成许多许多的分子集团,它们之间没有间隙,成为子集团,它们之间没有间隙,成为连续体连续体。、流体、流体通风除尘与气力输送涉及的流体主要是空气。通风除尘与气力输送涉及的流体主要是空气。流体流体是液体和气体的
4、统称,由液体分子和气体分子组成,分子之间是液体和气体的统称,由液体分子和气体分子组成,分子之间有一定距离。有一定距离。第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 质点的宏观运动被看作是全部分子运动的平均效果,忽略单个分子的质点的宏观运动被看作是全部分子运动的平均效果,忽略单个分子的个别性,按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。个别性,按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体均可视为连续体。我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体均可视为连续体。连续性的假设,首先意味着流体在宏观上质点是连续的,其次还意味
5、连续性的假设,首先意味着流体在宏观上质点是连续的,其次还意味着质点的运动过程也是连续的着质点的运动过程也是连续的 、流体、流体一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 流体单位体积所具有流体彻底质量称为密度,用符号表示。在均质流体内引用平均密度的概念,用符号表示:密度密度对于非均质流体,则必需用点密度来描述。指当V0值的极限,即:一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 压强和温度对不可压缩流体密度的影响很小压强和温度对不可压缩
6、流体密度的影响很小 可以把流体密度看成是常数。可以把流体密度看成是常数。密度密度一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 重度重度流体单位体积内所具有的流体重量,即:密度与重度存在如下关系:=g 式中:g重力加速度,通常取9.81米/秒2一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 粘滞性粘滞性流体在流动过程中,流体内部有相互约束的性质流体在流动过程中,流体内部有相互约束的性质流体的粘滞性流体的粘滞性试验证明流体粘滞性的存在:试验证
7、明流体粘滞性的存在:实验证明:实验证明:内摩擦力内摩擦力T的大小与流体种类有关;与流体的接触面积有关;与垂直的大小与流体种类有关;与流体的接触面积有关;与垂直于板的速度梯度成正比,于板的速度梯度成正比,一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 粘滞性粘滞性式中:式中:流体流体动动力粘性系数力粘性系数千克千克秒秒/米米2;A流体的接触面流体的接触面积积米米2;流体在法流体在法线线方向方向 的速度梯度。的速度梯度。牛顿内摩擦定律:牛顿内摩擦定律:通常把单位面积上所具有的摩擦力通常把单位面积上所具有的摩擦力称为摩擦应
8、力或切应力:称为摩擦应力或切应力:一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 粘滞性粘滞性通常粘性系数与压力的关系不大。通常粘性系数与压力的关系不大。液体的粘性系数随温度的增加而下降;液体的粘性系数随温度的增加而下降;气体的粘性系数随温度而增加。气体的粘性系数随温度而增加。粘性系数与温度的关系:粘性系数与温度的关系:必须指出:必须指出:在分析流体运动诸现象时运动粘性系数是非常重要的参数。但是在分析流体运动诸现象时运动粘性系数是非常重要的参数。但是当比较各种不同流体的内摩擦力时,运动粘性系数却不能作为一项物当比较各
9、种不同流体的内摩擦力时,运动粘性系数却不能作为一项物理特征。理特征。一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 温度温度温度是标志流体冷热程度的参数。温度是标志流体冷热程度的参数。温度越高,分子热运动越强盛,分子热运动的平均速度则越大动能温度越高,分子热运动越强盛,分子热运动的平均速度则越大动能也就越大。也就越大。衡量温度高低的标准尺子,称为温度标尺,简称温标。衡量温度高低的标准尺子,称为温度标尺,简称温标。目前国际上通用的温标主要有两种。目前国际上通用的温标主要有两种。摄氏温标(摄氏温标(t)绝对温标(绝对温标
10、(T)T=273+t K一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 压强压强 压强的大小可用垂直作用于管管壁单位面积上的压力来表示,即:式中:P压强牛顿;F垂直作用于管壁的合力牛顿;A管壁的总面积米。P=F/A一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 压强压强 1帕帕=1/9.81千克千克/米米2 压强的单位通常有三种表示方法。压强的单位通常有三种表示方法。第一种,用单位面积的压力表示。第一种,用单位面积的压力表示。第二种,用液柱
11、高度表示。第二种,用液柱高度表示。用水银柱(汞柱)高度表示:用水银柱(汞柱)高度表示:h=P/=10000/13600=0.736米水银柱米水银柱=736毫米水柱毫米水柱 用水柱高度表示:用水柱高度表示:h=P/=10000/1000=1000毫米水柱毫米水柱一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 压强压强第三种,用大气压表示。第三种,用大气压表示。1个物理大气压个物理大气压=10336千克千克/米米2。1个工程大气压个工程大气压=10000千克千克/米米2。标准空气的密度标准空气的密度=1.2千克千克/米米
12、3三种方法换算关系为:三种方法换算关系为:1物理大气压物理大气压=10336千克千克/米米2=10336毫米水柱毫米水柱=760毫米汞柱毫米汞柱 1工程大气压工程大气压=10000千克千克/米米2=10000毫米水柱毫米水柱 =736 毫米汞柱毫米汞柱一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 压强压强 工程上,工程上,压压强强可按以下三种方法可按以下三种方法计计算:算:绝对压强绝对压强当计算压强以完全真空(当计算压强以完全真空(P=0)为基准算起,称绝对压)为基准算起,称绝对压强,其值为正。强,其值为正。相相对
13、压对压强强当当计计算算压压强强以当地大气以当地大气压压(Pa)为为基准算起基准算起时时,称相,称相对压对压强强或表或表压压。真空度真空度当绝对压强低于大气压强时,其大于大气压的数值称当绝对压强低于大气压强时,其大于大气压的数值称为真空度。以液柱高度表示为:为真空度。以液柱高度表示为:一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 压强压强 A点的压强高于当地大气压 B点的压强低于当地大气压一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 比容
14、比容 单位重量的流体占有的容积,与重度的关系为:单位重量的流体占有的容积,与重度的关系为:=1气体的比容随温度和压力变化。气体的比容随温度和压力变化。一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 、理想气体状态方程、理想气体状态方程 理想气体指一种假想的气体,它的质点是不占有容积的质点;分理想气体指一种假想的气体,它的质点是不占有容积的质点;分子之间没有内聚力。子之间没有内聚力。理想气体状态方程。即:理想气体状态方程。即:P=RT 或:P/p=RT 式中:式中:P绝对压力(牛顿绝对压力(牛顿/米米2););比容(米
15、比容(米2/牛顿);牛顿);T热力温度(热力温度(K开尔文);开尔文);R气体常数(牛气体常数(牛米米/千克千克开),对于空气开),对于空气R=287牛牛米米/千克千克开。开。一、一、流体及其空气的物理性质流体及其空气的物理性质第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念充满运动流体的空间称为流场。充满运动流体的空间称为流场。表示流体运动特征的一切物理统称为运动参数,如速度表示流体运动特征的一切物理统称为运动参数,如速度v、加速度、加速度a、密度密度p、压力、压力P和粘性力和粘性力F等。等。流体运动规律:在流场中流体
16、的运动参数随时间及空间位置的分流体运动规律:在流场中流体的运动参数随时间及空间位置的分布和连续变化的规律。布和连续变化的规律。第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 、稳稳定流与非定流与非稳稳定流定流 如果流如果流场场中各点上流体的运中各点上流体的运动动参数不随参数不随时间时间而而变变化,化,这这种流种流动动就称就称为稳为稳定流。定流。如果运如果运动动参数不随参数不随时间时间而而变变化,化,这这种流种流动动就称就称为为非非稳稳定流。定流。稳稳定流:定流:非非稳稳定流:定流:二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一
17、节空气的基本特性及流动的基本概念 、稳稳定流与非定流与非稳稳定流定流二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 迹线与流线迹线与流线 迹线:迹线:流场中流体质点在一段时间内运动的轨迹称为迹线。流场中流体质点在一段时间内运动的轨迹称为迹线。流线:流线:流场中某一瞬时的一条空间曲线,在该线上各点的流体质点所具有的流场中某一瞬时的一条空间曲线,在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与该点的切线方向重合。速度方向与该点的切线方向重合。二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空
18、气的基本特性及流动的基本概念 流管与流束流管与流束 流管 流场中画一条封闭的曲线。经过曲线的每一点作流线由这些流线所围成的管子。非稳定流时流管形状随时间变化;稳定流时流管不随时间而变化。流束 充满在流管中的运动流体(即流管内流线的总体)称为流束。断面无限小的流束称为微小流束。二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 流管与流束流管与流束 总流总流 无数微小流束的总和称为总流,如水管及风管中水流和气流的总体。无数微小流束的总和称为总流,如水管及风管中水流和气流的总体。二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第
19、一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 有效断面、流量与平均流速有效断面、流量与平均流速 有效断面有效断面微小流束或微小流束或总总流各流流各流线线相垂直的横断面,用相垂直的横断面,用d A或或A表示表示.。在在实际实际运用上运用上对对于流于流 线线呈平行直呈平行直线线的情况下,有效断面可以定的情况下,有效断面可以定义为义为:与流体运:与流体运动动方向垂直的横断面。方向垂直的横断面。二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 有效断面、流量与平均流速有效断面、流量与平均流速流量流量 单位
20、时间内流体流经有效断面的流体量称为流量。单位时间内流体流经有效断面的流体量称为流量。流量通常用流体的体积、质量或重量来表示:流量通常用流体的体积、质量或重量来表示:G=Q牛顿牛顿/秒秒M=/gQ=Q千克千克/秒秒Q=G/=M/米米3/秒秒二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 有效断面、流量与平均流速有效断面、流量与平均流速流量流量 微小流束:微小流束:d Q=vd A 总流:总流:二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 有效断面、
21、流量与平均流速有效断面、流量与平均流速 平均流速平均流速V 工程上所指的管道中的平均流速,就是工程上所指的管道中的平均流速,就是这这个断面上的平均流速个断面上的平均流速V。平均流速就是指流量与有效断面面平均流速就是指流量与有效断面面积积的比的比值值。二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 在研究流体流动时,同样认为流体是连续地充满它所占据的空间,在研究流体流动时,同样认为流体是连续地充满它所占据的空间,这就是流体运动的连续性条件。这就是流体运动的连续性条件。根据质量守恒定律:根据质量守恒定律:对于空间固定的封闭曲
22、面,非稳定流时流入的流体质量与流出的流对于空间固定的封闭曲面,非稳定流时流入的流体质量与流出的流体质量之差,应等于封闭曲面内流体质量的变化量。体质量之差,应等于封闭曲面内流体质量的变化量。对于空间固定的封闭曲面,稳定流时流入的流体质量必然等于流出对于空间固定的封闭曲面,稳定流时流入的流体质量必然等于流出的流体的质量。的流体的质量。数学形式表达数学形式表达连续性方程。连续性方程。二、与空气流动的有关概念二、与空气流动的有关概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 三、连续性方程三、连续性方程 一元微小流束稳定流的连续性方程一元微小流束稳定流的连续性方程dM=1
23、v1dA1dt-2v2dA2dt第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 一元微小流束稳定流的连续性方程一元微小流束稳定流的连续性方程 dM=1v1dA1dt-2v2dA2dt1v1dA1=2v2dA2 三、连续性方程三、连续性方程第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念、一元、一元总总流流稳稳定定连续连续性方程性方程积积分,就可得到可分,就可得到可压缩压缩流体流体总总流的流的连续连续性方程,即:性方程,即:说明了可压缩流体稳定流时,沿流程的质量流量保持不变。说明了可压缩流体稳定流时,沿流程的质量流量保持不变。三、连续性方程三、连
24、续性方程第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念、一元、一元总总流流稳稳定定连续连续性方程性方程 对不可压缩流体,对不可压缩流体,为常数,则公式可简化为:为常数,则公式可简化为:Q1=Q2 V1A1=V2A2 V1/V2=A2/A1 一元总流在稳定流时,沿流程体积流量为一常值,各有效断面平一元总流在稳定流时,沿流程体积流量为一常值,各有效断面平均流速与有效断面面积成反比。均流速与有效断面面积成反比。三、连续性方程三、连续性方程第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 四、空气流动的能量方程(伯努利方程)四、空气流动的能量方程(伯努
25、利方程)现象表明:现象表明:截面大的地方流速小,压力大,截面小的地方流速大,压力小。截面大的地方流速小,压力大,截面小的地方流速大,压力小。第一节空气的基本特性及流动的基本概念第一节空气的基本特性及流动的基本概念 理想流体流动时没有流动阻力,因而也没有能量损耗;理想流体流动时没有流动阻力,因而也没有能量损耗;流体流动时能量的增量就等于外力所做的功流体流动时能量的增量就等于外力所做的功W,即:,即:E=W。所以:。所以:P1V-P2V=(1/2mv22+mgz2)-(1/2mv12+mgz1)即即 P1V+1/2mv12+mgz1=P2V+1/2mv22+mgz2 对于任意一个截面均有:对于任意
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