柏努力方程式.ppt
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1、目录n n一、柏努力方程式n n二、管内流体流动n n三、流体在管路中的流动阻力n n四、管路计算n n五、流量的测定柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。一、柏努利方程式的推导一、柏努利方程式的推导二、二、柏努利方程式的物理意义柏努利方程式的物理意义三、实际流体的机械能衡算式三、实际流体的机械能衡算式四、柏努利方程式的的应用及注意事项四、柏努利方程式的的应用及注意事项柏努利方程式柏努利方程式(Bernoullis equation)柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式。1 1、柏努利方程式的推导、柏努利方程式
2、的推导 假设:假设:l流体无粘性:在流动过程中无摩擦损失;流体无粘性:在流动过程中无摩擦损失;l流体在管道内作稳定流动;流体在管道内作稳定流动;l在管截面上液体质点的速度分布是均匀的;在管截面上液体质点的速度分布是均匀的;l流体的压力、密度都取在管截面上的平均值;流体的压力、密度都取在管截面上的平均值;l流体质量流量为流体质量流量为G G,管截面积为管截面积为A A。柏努利方程式柏努利方程式(Bernoullis equation)图图柏努利方程式的推导柏努利方程式的推导在管道中取一微管段在管道中取一微管段dx,段中的流体质量为段中的流体质量为dm。作用此微管段的力有:作用此微管段的力有:(1
3、)作用于两端的总压力分别为作用于两端的总压力分别为pA和和(p+dp)A;(2)作用于重心的重力为作用于重心的重力为gdm;由于由于 dm=dm=AdxAdx,sindxsindxdzdz故作用于重心的重力沿故作用于重心的重力沿x x方向的分力为方向的分力为 gsindmgsindm=gAsindxgAsindx=gAdz=gAdz 作用于微管段流体上的各力沿作用于微管段流体上的各力沿x x方程方向的分力之和为方程方向的分力之和为:pApA(p+dp)Ap+dp)AgAdzgAdzAdpAdpgAdzgAdz (a)(a)流体流进微管段的流速为流体流进微管段的流速为u,流出的流速为(流出的流速
4、为(udu)。)。由式由式(a)与式与式(b)得得:AuduAdpgAdz(c)流体动量的变化速率为流体动量的变化速率为 GduAudu(b)动量原理动量原理:作用于微管段流体上的力的合力等于液体:作用于微管段流体上的力的合力等于液体的的动量变化的速率。动量变化的速率。对不可压缩流体,对不可压缩流体,为常数,对上式积分得为常数,对上式积分得(d)(d)AuduAdpgAdz(c)上式称为上式称为柏努利方程式柏努利方程式,它适用于不可压缩非粘它适用于不可压缩非粘性的流体性的流体。通常把非粘性的液体称为。通常把非粘性的液体称为理想液体理想液体,故又,故又称上式为称上式为理想液体柏努利方程式理想液体
5、柏努利方程式。ugzgz为单位质量流体所具有的为单位质量流体所具有的位能位能;由此知,式由此知,式(d)中的每一项都是质量流体的能量。位能、静中的每一项都是质量流体的能量。位能、静压能及动能均属于机械能,三者之和称为压能及动能均属于机械能,三者之和称为总机械能或总总机械能或总能量能量。up/p/为单位质量流体所具有的为单位质量流体所具有的静压能静压能;uu u2 2/2/2为单位质量流体所具有的为单位质量流体所具有的动能动能(kinetic(kinetic energy)energy)。因质量为因质量为m m、速度为速度为u u的流体所具有的动的流体所具有的动能为能为mumu2 2/2/2 。
6、2、柏努利方程式的物理意义、柏努利方程式的物理意义 上式表明:上式表明:三种形式的能量可以相互转换;三种形式的能量可以相互转换;总能量不会有所增减,即三项之和为一常数;总能量不会有所增减,即三项之和为一常数;单位质量单位质量 流体能量守恒方程式。流体能量守恒方程式。柏努利方程式的其他形式柏努利方程式的其他形式若将式若将式(1-28)各项均除以重力加速度各项均除以重力加速度g,则得则得上式为单位重量流体能量守恒方程式。上式为单位重量流体能量守恒方程式。z为位压头;为位压头;p/g为静压头;为静压头;u2/2g称为动压头称为动压头(dynamichead)或速度压头或速度压头(velocityhe
7、ad)。z z+p/g+up/g+u2 2/2g/2g为总压头。为总压头。实际流体由于有粘性,管截面上流体质点的速实际流体由于有粘性,管截面上流体质点的速度分布是不均匀的从而引起能量的损失。度分布是不均匀的从而引起能量的损失。简单实验简单实验观察流体在等直径观察流体在等直径的直管中流动时的的直管中流动时的能量损失能量损失。3、实际流体机械能衡算式、实际流体机械能衡算式 q 两截面处的静压头分别为两截面处的静压头分别为p1/g与与p2/g;q z1z2;qu22/2gu12/2g;q1截面处的机械能之和大于截面处的机械能之和大于2截面处的机械能之和。截面处的机械能之和。两者之差,即为实际流体在这
8、段直管中流动时的两者之差,即为实际流体在这段直管中流动时的能量损失。能量损失。因此实际流体在机械能衡算时必须加入能量损失项。因此实际流体在机械能衡算时必须加入能量损失项。由此方程式可知,只有当由此方程式可知,只有当1-1截面处总能量大于截面处总能量大于2-2截面处总能量时,流体就能克服阻力流至截面处总能量时,流体就能克服阻力流至2-2截面。截面。式中式中Hf 压头损失,压头损失,m。流体机械能衡算式在实际生产中的应用流体机械能衡算式在实际生产中的应用(1-31c)式中式中 H H 外加压头,外加压头,m m。(1-31d)式中式中 h hf fgHgHf f,为单位质量流体的能量损失,为单位质
9、量流体的能量损失,J/kgJ/kg。W WgHgH,为单位质量流体的外加能量,为单位质量流体的外加能量,J/kgJ/kg。式式(1-31c)(1-31c)及及(1-31d)(1-31d)均为均为实际流体机械能衡算式实际流体机械能衡算式,习惯上也称它们为柏努利方程式。习惯上也称它们为柏努利方程式。q分析和解决流体输送有关的问题;分析和解决流体输送有关的问题;柏努利方程是流体流动的基本方程式,它的应用柏努利方程是流体流动的基本方程式,它的应用范围很广。范围很广。q调节阀流通能力的计算等。调节阀流通能力的计算等。q液体流动过程中流量的测定;液体流动过程中流量的测定;4、柏努利方程式的应用、柏努利方程
10、式的应用(1)(1)选取截面选取截面连续流体连续流体;两截面均应与流动方向相垂直两截面均应与流动方向相垂直。用柏努利方程式的注意事项:用柏努利方程式的注意事项:(2)确定基准面确定基准面基准面是用以衡量位能大小的基准。基准面是用以衡量位能大小的基准。强调强调:只要在连续稳定的范围内,任意两个截面均可选用。:只要在连续稳定的范围内,任意两个截面均可选用。不过,为了计算方便,截面常取在输送系统的起点和终点的相不过,为了计算方便,截面常取在输送系统的起点和终点的相应截面,因为起点和终点的已知条件多。应截面,因为起点和终点的已知条件多。(3)压力压力柏努利方程式中的压力柏努利方程式中的压力p p1 1
11、与与p p2 2只能同时使用表压或绝对压只能同时使用表压或绝对压力,不能混合使用。力,不能混合使用。(4)外加能量外加能量外加能量外加能量W W在上游一侧为正,能量损失在下游一侧为正在上游一侧为正,能量损失在下游一侧为正。应用式应用式(1-31c)(1-31c)计算所求得的外加能量计算所求得的外加能量W W是对每是对每kgkg流体而言的。流体而言的。若要计算的轴功率,需将若要计算的轴功率,需将W W乘以质量流量,再除以效率。乘以质量流量,再除以效率。例例从高位槽向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为从高位槽向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以大气压。要求料液在管内以0.5m/
12、s的速度流动。设料的速度流动。设料液在管内压头损失为液在管内压头损失为1.2m(不包括出口压头损失),不包括出口压头损失),试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米?试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米?110022解解:选取:选取高位槽的液面作为高位槽的液面作为1-1截面,截面,选在管出口处选在管出口处内侧为内侧为2-2截面,以截面,以0-0截面为基准面,在两截面间列截面为基准面,在两截面间列柏努利方程,则有柏努利方程,则有式中式中 p p1 1=p=p2 2=0=0(表压)表压)u u1 1=0=0(高位槽截面与管截面相差很大,故高位槽截面的流高位槽截面与管截面相差很大,故高位槽截面的
13、流速与管内流速相比,其值很小可以忽略不计速与管内流速相比,其值很小可以忽略不计)u u2 2=1.5m/s=1.5m/sh hf f=1.2m=1.2mz z1 1-z-z2 2=x=xx=1.2mx=1.2m 计算结果表明,动能项数值很小,流体位能主要用于克服管路阻力。计算结果表明,动能项数值很小,流体位能主要用于克服管路阻力。牛顿粘性定律牛顿粘性定律液体中的动量传递液体中的动量传递二、管内流体流动现象二、管内流体流动现象 本节将讨论产生能量损失的原因及管内速度分布本节将讨论产生能量损失的原因及管内速度分布等,以便为下一节讨论能量损失的计算提供基础。等,以便为下一节讨论能量损失的计算提供基础
14、。流体流动时产生内摩擦力的性质,称为流体流动时产生内摩擦力的性质,称为粘性粘性。流体粘性越大,其流动性就越小。从桶底把一桶流体粘性越大,其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多,这是因为甘油流甘油放完要比把一桶水放完慢得多,这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。动时内摩擦力比水大的缘故。1、牛顿粘性定律、牛顿粘性定律 运动着的流体内部相邻两流体层间运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动由于分子运动而产生的而产生的相互作用力,称为流体的相互作用力,称为流体的内摩擦力内摩擦力或或粘滞力粘滞力。流体运动时流体运动时内摩擦力的大小,体现了流体粘性的大小。内摩擦力的大小,体现了流
15、体粘性的大小。设有上下两块平行放置而相距很近的平板,两板间充满着设有上下两块平行放置而相距很近的平板,两板间充满着静止的液体,如图静止的液体,如图所示。所示。xu=0yu实实验验证证明明,两两流流体体层层之之间间单单位位面面积积上上的的内内摩摩擦擦力力(或或称称为为剪剪应应力力)与与垂垂直直于于流流动动方方向向的的速速度梯度成正比。度梯度成正比。yxuu=0uy u/u/y y表示速度沿法线方向上表示速度沿法线方向上的变化率或速度梯度。的变化率或速度梯度。式中式中为比例系数,称为为比例系数,称为粘性系数粘性系数,或,或动力粘度动力粘度(viscosity),),简称简称粘度粘度。式式(1-33
16、)所表示的关系,称为所表示的关系,称为牛顿粘性定律牛顿粘性定律。(1-23)粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有粘性,粘性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有粘性,粘性只有在流体运动时才会表现出来粘性只有在流体运动时才会表现出来。u与与y也可能时如右图的关系,也可能时如右图的关系,则牛顿粘性定律可写成:则牛顿粘性定律可写成:粘度的单位为粘度的单位为Pas。常用流体的粘度可查表。常用流体的粘度可查表。dyduoxy上式中上式中du/dydu/dy为速度梯度为速度梯度(1-23)粘度的单位为粘度的单位为:从手册中查得的粘度数据,其单位常用从手册中查得的粘度数据,其单位常用CGS制单位。在制
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