流体流动流体动力学.ppt

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1、流体流动流体动力学1 1现在学习的是第1页，共31页*本节内容提要 流体流动的宏观规律及不同形式能量的转化等流体流动的宏观规律及不同形式能量的转化等问题，其中包括：问题，其中包括：（1 1）质量守恒定律）质量守恒定律连续性方程连续性方程 （2 2）能量守恒守恒定律）能量守恒守恒定律柏努利方程柏努利方程 注意推导思路注意推导思路,适用条件适用条件,物理意义物理意义,工程应用。工程应用。*本节学习要求 学会用两个方程解决流体流动的有关计算。学会用两个方程解决流体流动的有关计算。现在学习的是第2页，共31页管内流动管内流动明渠流动明渠流动本课程仅介绍本课程仅介绍管内流动管内流动不锈钢管的分类：不锈钢

2、管的分类：不不锈锈钢钢管管分分无无缝缝钢钢管管和和焊焊接接钢钢管（有缝管）两大类。管（有缝管）两大类。按按断断面面形形状状又又可可分分为为圆圆管管和和异异形形管管，广广泛泛应应用用的的是是圆圆形形钢钢管管，但但也也有有一一些些方方形形、矩矩形形、半半圆圆形形、六六角角形形、等等边边三三角角形形、八角形等异形钢管。八角形等异形钢管。现在学习的是第3页，共31页4-1 定态流动与非定态流动1.定态流动定态流动 在流动空间的各点上，流体的流速、压强在流动空间的各点上，流体的流速、压强等所有流动参数仅随空间位置变化，而等所有流动参数仅随空间位置变化，而不随时不随时间变化间变化。2.2.非定态流动非定态

3、流动 在流动空间的各点上，流体的流速、压强在流动空间的各点上，流体的流速、压强等所有流动参数既随等所有流动参数既随空间位置变化空间位置变化，也，也随时间随时间变化变化。现在学习的是第4页，共31页4-2 流量与流速1.体积流量体积流量qv,s或或qv,h 单位时间内流经管道单位时间内流经管道任意截面任意截面的流体的流体体积体积。qV,sm3/s;qV,hm3/h2.2.质量流量质量流量qm,s或或qm,h 单位时间内流经管道单位时间内流经管道任意截面任意截面的流体的流体质量质量。qm,skg/s;qm,hkg/h。二者关系二者关系 qm,s qV,s ,qm,h qV,h 一、流量现在学习的是

4、第5页，共31页二、流速二、流速2.2.质量流速质量流速G G 单位时间内流经管道单位时间内流经管道单位单位径向截面积径向截面积的流体质量。的流体质量。1.1.平均平均流速流速u单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离（局部流速不相等，壁面处为（局部流速不相等，壁面处为0 0，通道中心最大），通道中心最大）。4-2 流量与流速现在学习的是第6页，共31页流量流量q qV,sV,s一般由生产任务决定一般由生产任务决定流速选择：流速选择：3.管道直径的估算管道直径的估算uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费管道为圆形管道为圆形di设备费

5、用设备费用流动阻力流动阻力动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑4-2 流量与流速例例-(P18)现在学习的是第7页，共31页 对对于于定定定定常常常常流流流流动动动动(Steady(Steady(Steady(Steady State State State State Flow)Flow)Flow)Flow)系系统统，任任一一截截面面上上的的流流速速、密密度度、压压强强等等物物理理参参数数均均不不随随时时间间而而变变。在在管管路中流体没有增加和漏失的情况下：路中流体没有增加和漏失的情况下：推广至任意截面推广至任意截面连续性方程连续性方程11 2 24-3 连续性方程定常流动的物料衡

6、算现在学习的是第8页，共31页不可压缩性流体，不可压缩性流体，圆形管道圆形管道：即即不不可可压压缩缩流流体体在在管管路路中中任任意意截截面面的的流流速速与与管管内内径径的平方的平方成成反比反比。连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程4-3 连续性方程定常流动的物料衡算现在学习的是第9页，共31页 以以上上连连续续性性方方程程是是流流体体定定常常流流动动的的物物料料衡衡算算式式。反映出反映出q qm,m,s s、q qV V,s s、u u、A A之间的相互关系。之间的相互关系。连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程4-3 连续性方程定常流动的物料衡算例例-7(P19)作

7、业：作业：-7 (P61)现在学习的是第10页，共31页一、柏努利方程一、柏努利方程（一）（一）理想流体定常流动时的机械能衡算理想流体定常流动时的机械能衡算4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算p1,u1z1z211 22 00 衡算范围：衡算范围：1-1、2-2截截面面以以及及管管内壁所围成的空间内壁所围成的空间衡算基准：衡算基准：1kg流体流体基准面：基准面：0-0水平面水平面现在学习的是第11页，共31页1位能位能:流体受重力作用在流体受重力作用在不同高度不同高度所具有的能量所具有的能量。由此可看出，其大小与所取由此可看出，其大小与所取基准有关！基准有关！2动能动能:流体以一定速度流动，便

8、具有动能流体以一定速度流动，便具有动能 4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第12页，共31页3.静压能（压力能、流动功）静压能（压力能、流动功）流体与固体的区别流体与固体的区别静压能静压能=lAV4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第13页，共31页理想流体的柏努利方程式理想流体的柏努利方程式理想流体的柏努利方程式理想流体的柏努利方程式适用条件：不可压缩理想流体适用条件：不可压缩理想流体适用条件：不可压缩理想流体适用条件：不可压缩理想流体&定常定常定常定常流动流动流动流动&无外力或能量变化无外力或能量变化无外力或能量变化无外力或能量变化 设流动过程中流体与外界设流动过

9、程中流体与外界无无热量热量和和功功的交换，流体温的交换，流体温度不变，即度不变，即内能、热均内能、热均无无变化变化。则根据能量守恒定律，。则根据能量守恒定律，流体在流动过程中总机械能保持不变，即：流体在流动过程中总机械能保持不变，即：方程中，各项单位均为方程中，各项单位均为J/kg。4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第14页，共31页（二）实际流体机械能衡算式（二）实际流体机械能衡算式 J/kg实际流体：具有黏性的流体流动时有能量损失。实际流体：具有黏性的流体流动时有能量损失。机械能机械能热能称损失的机械能为热能称损失的机械能为阻力损失阻力损失即即为为扩扩展展了了的的不不可可压缩

10、流体的柏努力方程。压缩流体的柏努力方程。4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第15页，共31页Pa(1)以单位体积流体为衡算基准：4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第16页，共31页J/N,即即m表示：单位重量流体所具有的机械能。表示：单位重量流体所具有的机械能。也也可可表表示示：单单位位重重量量的的流流体体所所具具有有的的机机械械能能可可将将其其自自身身从从水水平平基基准准面面升升起起的的高高度度，如如表表示示压压力力p可可使使密密度度为为的流体升起的液体柱的高度。的流体升起的液体柱的高度。(2)以单位重量（重力）流体为衡算基准：4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算

11、现在学习的是第17页，共31页J/N,即即m实实际际流流体体机机械械能能衡衡算算式式,一一个个以以单单位位重重量量流流体体为为基基准准,一一个个以以单单位位质质量量流流体体为为基基准准,二二式式完完全全等等价价。习习惯惯上上也也称称它它们们为柏努利方程。为柏努利方程。其中其中We=gHe,4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第18页，共31页二、柏努利方程的讨论二、柏努利方程的讨论（1 1）若若流流体体处处于于静静止止，u=0u=0，hhf f=0=0，W We e=0=0，则则柏柏努努利利方方程程变为变为说说明明柏柏努努利利方方程程即即表表示示流流体体的的运运动动规规律律,也也表

12、表示示流体静止状态的规律流体静止状态的规律。（2）理理想想流流体体在在流流动动过过程程中中任任意意截截面面上上总总机机械械能能、总总压压头为常数，即头为常数，即4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算现在学习的是第19页，共31页4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算（3）zg、某某截截面面上上单单位位质质量量流流体体所所具有的位能、静压能和动能具有的位能、静压能和动能；We在在两两截截面面间间单单位位质质量量流流体体获获得得的的能能量量，可可视视作作流流体体输输送送设设备备对对单单位位质质量量流流体体做做的的有有效效功功，是是决决定流体输送设备的重要数据。定流体输送设备的重要数据。有效功率有效功率

13、：单位：单位：J/SJ/S或或W W表示单位时间输送设备对流体所做的有效功。表示单位时间输送设备对流体所做的有效功。现在学习的是第20页，共31页（4）柏努利方程式柏努利方程式适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性流体。对对于于可可压压缩缩性性流流体体，当当时时，仍仍可可用用该该方方程程计计算算，但但式式中中的的密密度度应应以以两两截截面面的的平平均均密密度度m=(1+2)/2代替。代替。（5）方方程程中中等等式式两两端端的的压压强强能能项项中中的的压压强强p p可可以以同同时时使使用用绝压或同时使用表压，视计算要求而定。绝压或同时使用表压，视计算要求而定。4-4 柏努利方程定常流动的能量衡算

14、现在学习的是第21页，共31页容器间的相对位置等容器间的相对位置等(z)；管内流体的流量管内流体的流量(u)；管路中流体的压力管路中流体的压力(p1)；输送设备的有效功率输送设备的有效功率(Ne)。*利用柏努利方程与连续性方程利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：可以确定：4-5 柏努利方程的应用现在学习的是第22页，共31页应用时的注意问题：应用时的注意问题：（1）根根据据题题意意画画出出流流动动系系统统的的示示意意图图，标标明明流流体体的的流流动动方向，定出方向，定出上、下游截面上、下游截面，明确流动系统的，明确流动系统的衡算范围衡算范围；（2）截面的选取）截面的选取与流体的流动方向相垂直

15、；与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是两截面间流体应是定常连续定常连续流动；流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。4-5 柏努利方程的应用现在学习的是第23页，共31页（4）各各物物理理量量的的单单位位应应保保持持一一致致，压压力力表表示示方方法法也也应应一致，即同为绝压或同为表压。一致，即同为绝压或同为表压。（3）位能基准面的选取位能基准面的选取:a.a.必须与地面平行；必须与地面平行；b.b.宜选取两截面中位置较低的截面；宜选取两截面中位置较低的截面；c.c.若若截截面面不不是是水水平平面面，而而是是垂垂直直于于地地面面，则则基基准准面应选过管中心线的水

16、平面。面应选过管中心线的水平面。4-5 柏努利方程的应用现在学习的是第24页，共31页4-5 柏努利方程的应用现在学习的是第25页，共31页解：由柏努力方程解：由柏努力方程4-5 柏努利方程的应用例例-8(P24)现在学习的是第26页，共31页确定容器间的相对高度确定容器间的相对高度例例 从从高高位位槽槽向向塔塔内内加加料料。高高位位槽槽和和塔塔内内的的压压力力均均为为大大气气压压。要要求求料料液液在在管管内内以以0.50.5m/sm/s的的速速度度流流动动。设设料料液液在在管管内内压压头头损损失失为为1.21.2m m（不不包包括括出出口口压压头头损损失失），试试求求高高位位槽槽的的液液面面

17、应应该该比比塔塔入入口口处处高高出出多多少少米米？4-5 柏努利方程的应用现在学习的是第27页，共31页结果表明结果表明,动能项数值很小动能项数值很小,位能主要用于克服管路阻力位能主要用于克服管路阻力.Z Z2 2=0,=0,z z1 1=x,=x,p p1 1=p=p2 2=0(=0(表表压压),),A A1 1AA2 2 u u1 10,u0,u2 2=0.5m/s=0.5m/s,hhf f=gH=gHf,f,HHf f=1.2m=1.2m解解:取截面取截面1-11-1及及2-22-2如图如图,并以并以0-00-0截面为基准面截面为基准面4-5 柏努利方程的应用例例-9(P25)现在学习的

18、是第28页，共31页确定输送设备的有效功率确定输送设备的有效功率确定输送设备的有效功率确定输送设备的有效功率例例例例用用用用泵泵泵泵将将将将敞敞敞敞口口口口贮贮贮贮槽槽槽槽中中中中的的的的稀稀稀稀碱碱碱碱液液液液送送送送到到到到蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器中中中中进进进进行行行行浓浓浓浓缩缩缩缩，附附附附图图图图所所所所示示示示。泵泵泵泵换换换换进进进进口口口口管管管管为为为为893.5mm893.5mm893.5mm893.5mm的的的的钢钢钢钢管管管管,碱碱碱碱液液液液在在在在进进进进口口口口管管管管的的的的流流流流速速速速为为为为1.51.51.51.5m/sm/sm/sm/s,泵泵泵泵的的

19、的的出出出出口口口口管管管管为为为为763mm763mm763mm763mm的的的的钢钢钢钢管管管管。贮贮贮贮槽槽槽槽中中中中碱碱碱碱液液液液的的的的液液液液面面面面距距距距蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器入入入入口口口口处处处处的的的的垂垂垂垂直直直直距距距距离离离离为为为为7 7 7 7m m m m，碱碱碱碱液液液液经经经经管管管管路路路路系系系系统统统统的的的的能能能能量量量量损损损损失失失失为为为为40404040J/kgJ/kgJ/kgJ/kg，蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器内内内内碱碱碱碱液液液液蒸蒸蒸蒸发发发发压压压压力力力力保保保保持持持持在在在在20202020kPakPakPakPa（

20、表表表表压压压压）,碱碱碱碱液液液液的的的的密密密密度度度度为为为为1100110011001100kg/mkg/mkg/mkg/m3 3 3 3。试试试试计计计计算算算算所所所所需需需需的的的的外外外外加加加加能量。能量。能量。能量。4-5 柏努利方程的应用现在学习的是第29页，共31页解解：取取1-1,1-1,2-22-2截截面面如如图图,并并取取1-11-1为为位位能能基基准准面面，在在1-11-1与与2-22-2截面间列柏努利方程式：截面间列柏努利方程式：4-5 柏努利方程的应用例例-10(P25)现在学习的是第30页，共31页4-5 柏努利方程的应用确定管路中流体的压强确定管路中流体的压强确定管路中流体的压强确定管路中流体的压强例例1-11(P26)作业：作业：-8、1-9、1-10、1-11、1-12 (P61-P62)现在学习的是第31页，共31页