流体力学流动.pptx

《流体力学流动.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学流动.pptx（240页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 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 概述第1页/共240页 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:第2页/共240页 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

2、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式根据物理意义或物理公式,由基本单位由基本单位组合组合导出导出的的其它物其它物 理量的单位理量的单位 概述第3页/共240页 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,则产生则产生不同的单位制度不同的单位制度;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。概述第4页/共240页 物理制物理制 (cgs(cgs制制)绝对实用制绝对实用制(MKS(MKS制制)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 cmcm g g

3、s s m m kg kg s s第5页/共240页 工程制工程制 国际单位制国际单位制(SI(SI制制)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第6页/共240页 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SI制中的单位为m/s2,其值为9.81，在物理制中，其值为981，单位为cm/s2 概述第7页/共240页概述四、物料衡算质量守恒的一种表 达形式要点:*正确确

4、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 第8页/共240页概述五、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:*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独立方程数应与未知数个数一致致 *某些能量是相对值某些能量是相对值 第9页/共240页第一章 流体流动本章内容本章内容1.11.1流体的基本特性流体的基本特性1.21.2流体静力平衡及其应用流体静力平衡及其应用1.31.3流体动力学基础流体动力学基础1.41.4流体流动的守恒原理流体流动的守恒原理1.51.5流体流动的阻力损失流体流动的阻力损失1.61.6流

5、体流动的管路计算流体流动的管路计算1.71.7流体动力学在工程上的应用流体动力学在工程上的应用第10页/共240页流体的连续性流体的连续性 1.1 流体的基本特性第一章流体流动 “流体质点”是由大量分子组成的体积无穷小的微量流体。n“流体是连续介质”的定义流体是由无数连续分布的流体质点所组成的连续介质。流体质点的尺寸远大于分子间距离，质点间距离小于分子间距离，可看作质点间没间隙。第11页/共240页流体的连续性流体的连续性 1.1 流体的基本特性第一章流体流动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。“流体质点”在微观世界是无穷大，故能代表宏观运

6、动的某些流体属性，如温度、压强等。第12页/共240页流体的连续性流体的连续性 1.1 流体的基本特性第一章流体流动 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。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。n利用微分方程等数学工具来研究流体宏观运动的规律，要求流体连续第13页/共240页 流体在一定温度下，体积随压强增大而缩小的特性称为流体在一定温度下，体积随压强增大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：一定温度下,单位压强增量引起的流体体积变化率。体积压缩系数 第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的压缩性 第14页/共240页1.1 流体的基本

7、特性第一章流体流动流体的压缩性 体积压缩系数得另一个表达式 第15页/共240页严格意义上来讲，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。流体的压缩性是否要被考虑，视流体压强变化情况而定。第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的压缩性 第16页/共240页第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 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17页/共240页第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 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

8、会产生粘性力流体将粘附于它所接触的固体表面第18页/共240页1.1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 由于粘性的存在，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，也称之为内摩擦力、粘滞力、粘性摩擦力。第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 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。第19页/共240页实验证明：对于大多数流体，当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布。即流动时的内摩擦力F、相邻流体层的速度差u、层间的垂直距离y以及两流体层的接触面积A之间存在以下关系：第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 牛顿平板实验牛顿

9、平板实验 第20页/共240页上式写成等式：更广义地：上式即为牛顿粘性定律第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 1.牛顿粘性定律 第21页/共240页 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：作用在流层上的切向应力与相邻两层间的速度梯度成正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。比。第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 1.牛顿粘性定律 第22页/共240页 也称为内摩擦应力、粘滞应力、粘性摩擦应力。也称为内摩擦应力、粘滞应力、粘性摩擦应力。不为零的条件是：不为零的条件是：l粘性

10、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1.1 流体的基本特性流体的粘性 1.牛顿粘性定律 第23页/共240页牛顿粘性定律式中的比例系数称为流体的动力粘度，简称粘度，是衡量流体粘性大小的物理量，为流体的重要物性。第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 2.流体的粘度 动力粘度的单位为Pa.s，或第24页/共240页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，由流体的粘性所引起的时，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的大小。内摩擦力的大小。第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 2.流体的粘度

11、 第25页/共240页l粘度的影响因素粘度的影响因素第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 2.流体的粘度 粘度是温度、压力、流体组成的函数1)压力的影响只体现在高压时。2)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。第26页/共240页l粘度的影响因素粘度的影响因素第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 2.流体的粘度 液体：液体：分子分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度气体：气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度 温度第27页/共240页l流体的运动粘度动力粘度与密度之比称为运动

12、粘度。粘度可由实验测定，也可由一些理论或经验公式计算第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 2.流体的粘度 第28页/共240页l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时，当实际流体静止或流层以相同流速流动时，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体的简单得多。实际流体的简单得多。第一章流体流动1.1 流体的基本特性流体的粘性 3.粘性流体和理想流体 第29页/共240页 凡遵循牛顿粘性定律的流体称为凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。牛顿型流体。如如水、空

13、气、汽油和水银水、空气、汽油和水银等等第一章流体流动1.1 流体的基本特性牛顿型流体和非牛顿型流体 1.牛顿型流体第30页/共240页第一章流体流动1.1 流体的基本特性牛顿型流体和非牛顿型流体 2.非牛顿型流体凡不遵循牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。第31页/共240页1)1)宾汉塑性流体宾汉塑性流体满足下式：特性：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1.1 流体的基本特性牛顿型流体和非牛顿型流体 2.非牛顿型流体第32页/共240页2)假塑性流体(油脂、油漆、涂料等）3)涨塑性

14、流体（硅酸钾、阿拉伯树胶等）第一章流体流动1.1 流体的基本特性牛顿型流体和非牛顿型流体 2.非牛顿型流体第33页/共240页牛顿型流体和非牛顿型流体对比第一章流体流动第34页/共240页l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由流体的粘性所引起的内摩擦力的大小。力的大小。要点回顾第35页/共240页l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

15、很大，温度上温度上升，气体粘度增大而液体粘度则下降。升，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抵抗的，相互抵抗的作用力是剪切力，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，也称之为内摩擦力、粘滞力、粘性摩擦力也称之为内摩擦力、粘滞力、粘性摩擦力要点回顾第36页/共240页l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。要点回顾第37页/共240页l作用在流体上的力与静压强l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主要内容：流体静力学研究流体静力学研究“静止静止”态

16、流体的力学规律态流体的力学规律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1.2 流体的静力平衡及其应用第38页/共240页作用在流体体积表面上的力 两类作用在流体上的力：表面力和质量力一、表面力第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用二、质量力（体积力）作用在流体内部每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。例如：重力、惯性力、磁力等例如：粘性力、压力第39页/共240页l流体密度定义式 l均匀流体的密度第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用流体的密度第40页/共240页l理想气体的密度 第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用流体的密度l理想气体混合物的密度

17、第41页/共240页l混合气体的密度 l混合液体的密度 第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用流体的密度第42页/共240页l压强定义：压强定义：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力强度，简称压强，俗称压力。压力称为压力强度，简称压强，俗称压力。第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用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。第43页/共240页l l流体静压强的两个特性 1.方向性 流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向。(2)(2)因流体几乎不能承受拉力，故p指向受压面。原原因:(

18、1)静止流体不能承受剪力，即=0，故p垂直受压面；第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静压强第44页/共240页l l流体静压强的两个特性 2.大小性 第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用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有关，而与作用面方位无关。第45页/共240页l压强表示方式及相互关系压强表示方式及相互关系 绝对压 表压 真空度表压绝对压大气压真空度大气压绝对压第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静压强第46页/共240页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1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静压强第47页

19、/共240页例题已知当地大气压为101.33kPa24.33kPa(真空度）=kPa(绝对压）101.33-24.33=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48页/共240页 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49页/共240页处于重力场中流体的静力平衡处于重力场中

20、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1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡规律第50页/共240页写出力的平衡方程，z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:第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡第51页/共240页 x方向：y方向：第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡第52页/共240页第一章流体流动（1-22）处于重力场中流体的静力平衡第53页/共240页 当流体不可压缩，积分上式，得到：（1-1-22a)22a)

21、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。第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡第54页/共240页 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 第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡上式表明: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意另一处的静压能与势能之和。第55页/共240页 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，其势能的减少必导致其静压其势能的减少必导致其静压能的等额增加。能的等额增加。1-23式可写成第一章流体流

22、动处于重力场中流体的静力平衡（1-23a)第56页/共240页若取液面及液下任一点，则有：第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡（1-24)第57页/共240页方程意义：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压强差的大小可以用液柱高度表示示第一章流体流动处于重力场中流体的静力平衡（1-24a)第58页/共240页方程应用注意事项：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

23、流动第59页/共240页测压 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1.2 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡规律在工程上的应用第60页/共240页1.测压管 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程式为测量的理论依据。表压：真空：特点：结构简单，只能测量较小的压强。第一章流体流动流体的静力平衡规律在工程上的应用第61页/共240页2.U形管测压计p h11 2 A h22 pa特点：可以测量较大的压强流体的静力平衡规律在工程上的应用A点绝对压：A点表压：第一章流体流动第62页/共240页3.U形管差压

24、计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。1A z 2 h2h B 第一章流体流动流体的静力平衡规律在工程上的应用第63页/共240页4.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，提高读数精度。将U型差压计一臂倾斜，另一臂缩短扩大则成为斜管差压计第一章流体流动流体的静力平衡规律在工程上的应用第64页/共240页使用场合使用场合 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流体的静力平衡规律在工程上的应用5.微差压计构造特点 （如图）双指示液第65页/共240页测液位第一章流体流动1.2

25、 流体的静力平衡及其应用流体的静力平衡规律在工程上的应用第66页/共240页液封高度计算第一章流体流动1.2 流体的静力平衡及其应用第67页/共240页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 真空度大气压绝对压第68页/共240页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。第69页/共240页1.3 流体动力学基础第一章流体流动 流体动力学研究流体在外力作用下的运动规律，即流体的运动参数（流速、温度、压力等）与所受力之间的关系。本节内容：l流体流动的基本概念l流动型态及判断依据l边界层l圆管内流动流体的速度分

26、布第70页/共240页1.3 流体动力学基础第一章流体流动流体流动的基本概念1 1、流量与流速、流量与流速 第71页/共240页平均流速质量通量圆管直径第一章流体流动1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念1.流量与流速 第72页/共240页稳定流动不稳定流动第一章流体流动1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念2.稳定流动和不稳定流动 第73页/共240页 化工生产中的流体流动多属连续、定常态。第一章流体流动1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念2.稳定流动和不稳定流动 第74页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念3.流线与流管 在同一瞬间，位于流场某条线上的

27、每一个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。u 2 1 u u 2 1 3 3 u 6 5 4 5 u 4 6 u 流线 注意：流体质点的运动轨迹称为迹线，迹线不等同流线；仅在稳定流场中，迹线才与流线重叠。第75页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念3.流线与流管 在流场中任意作一封闭曲线C，由该曲线C上各点作流线，所组成的管状表面称为流管。u流束流管内的流体。u微元流管封闭曲线C所围成的面积无限小的流管，流线即为微元流管的极限。第76页/共240页v1v2s1s2交点 v1v2折点 s 流线属性定常流动时流线形状不变，非定常流动时流线形状

28、发生变化；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；流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，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，线是一条光滑的曲线；线是一条光滑的曲线；流线流线彼此彼此不相交；流体质点流动时不可能穿越流线。不相交；流体质点流动时不可能穿越流线。第一章流体流动第77页/共240页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。流管特性第一章流体流动第78页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念4.流场中

29、的速度与加速度流场流场 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l l拉格朗日拉格朗日（Larange）法法跟随质点法l l欧拉欧拉（Euler）法法空间点研究法第79页/共240页 拉格朗日法的研究对象为流体质点。着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运动的规律。第一章流体流动第80页/共240页 欧拉（Euler）法的研究对象为流场。着眼于整个流场的状态，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。第一章流体流动

30、第81页/共240页流体稳定流动时质点的加速度稳定流场的速度第一章流体流动加速度是速度对时间的变化率。故：第82页/共240页流体稳定流动时质点的加速度第一章流体流动故：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。第83页/共240页又因为:第一章流体流动流体稳定流动时质点的加速度所以:得矢量表示式:(1-38a)(1-38b)(1-38c)(1-38)第84页/共240页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。工程中一般根据具体情况加

31、以简化。第一章流体流动5.一维流动与多维流动 1.3 流体动力学基础流体流动的基本概念第85页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动型态与雷诺数粘性流体的流型对流体流动的能量损失有很大关系。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（Reynolds）通过大量实验（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1883年总结说明了这两种流动状态。1.层流与湍流的区别 第86页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动型态与雷诺数1.层流与湍流的区别 l雷诺实验水箱A注满水，利用溢水管H保持水箱中的水位恒定。微微打开调节阀C，水流以很小速度

32、沿玻璃管流出。再打开颜色水瓶D上的小阀K，使颜色水沿细管E流入玻璃管B中。观察管中颜色水的流动形状。第87页/共240页u低速流动中，有色水沿管轴方向作直线运动，此流动状态称为层流。u适当调大阀C的开度,可看到有色水流动形态由直线逐渐起波浪过渡流；随着阀C开度的进一步加大,有色波浪线断开，有色水分散在水中湍流。第一章流体流动l雷诺实验第88页/共240页l 实验现象过渡状态湍流（紊流）层流层流：流场呈一簇互相平行的流线。湍流（紊流）：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，颜色扩散至整个管道。过渡状态：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。第一章流体流动第89页/

33、共240页 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，雷诺归纳出判断流动型态的定量准则如下：第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动型态与雷诺数2.雷诺数与流动型态(1-42)第90页/共240页l临界雷诺数层 流：不稳定流：紊 流：下临界雷诺数上临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数层 流：紊 流：第一章流体流动2.雷诺数与流动型态 第91页/共240页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 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）。不论采用何单位制，其数值相等。第一章流体流动2.

34、雷诺数与流动型态 第92页/共240页3.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脉动。是一种不规则的流动状态。第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动型态与雷诺数第93页/共240页 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：湍流时，用高精度的测速仪来测量流场中某一空间点的流体质点流速，可发现速度是随时间作随机脉动的，如图所示。(1-43)第一章流体流动3.湍流的特征与脉动现象第94页/共240页脉动速度 称为脉动速度，为瞬时局部速度 与时均速度 之差。对定常流动

35、，时均速度不随时间变化，而瞬时局部速度是随时间变化的。脉动速度有正有负，但是在一段时间内，其平均值为零。第一章流体流动3.湍流的特征与脉动现象第95页/共240页 湍流剪应力由摩擦剪应力和质点脉动引起的涡流剪应力两部分组成。第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动型态与雷诺数4.湍流剪应力 流体的脉动速度会引起动量交换，从而产生能量损失，其效果等同于剪应力的作用，称为涡流剪应力（也称雷诺应力)。(1-46)第96页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动型态与雷诺数4.湍流剪应力 在接近管壁的地方粘性摩擦剪应力起主要作用；在管道中心处，流体质点之间混杂强烈，涡流剪应力起主要作用。第

36、97页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层1.理想流动与边界层流动何为边界层？当粘性流体流经固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间必定有一个流速变化的区域，称为边界层。在高速流中这个区域是个薄层。第98页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层1.理想流动与边界层流动 一般以流速达到主流速度的0.99倍的所在处作为边界层外缘。边界层的特征之一是其厚度沿流体流动方向是增加的。第99页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层2.边界层内的层流与湍流l若边界层内部都是层流，称为层流边界层。l仅在边界层的起始部

37、分是层流，而在其他部分为湍流的，称为混合边界层。第100页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层2.边界层内的层流与湍流对平板边界层，层流转变为湍流的临界雷诺数为 特征尺寸取离前缘点的距离，特征速度取边界层外边界上的速度。第101页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层2.边界层内的层流与湍流 在湍流边界层内紧靠壁面处也有一层极薄的层流底层。第102页/共240页 湍流边界层沿平板壁面法向的速度增长要比表示的层流边界层的速度增长块得多。沿平板流动湍流边界层的厚度比层流边界层的厚度增长得块。层流边界层和湍流边界层特性比较 第103页

38、/共240页 当粘性流体流入圆管后,随着流动的深入,边界层不断增厚,直至边界层在管轴处相交,边界层相交以前的管段,称为管道入口段。层流边界层 紊流边界层 完全发展的流动 LeLe圆管道入口段中的边界层 第104页/共240页入口段内和入口段后速度分布特征 层流边界层 紊流边界层 完全发展的流动 L*L*入口段内:入口段后:各截面速度分布不断变化 各截面速度分布均相同 圆管道入口段中的边界层 第105页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层3.边界层的分离 物面上的边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离

39、现象。第106页/共240页第一章流体流动1.3 流体动力学基础流动区域的划分-边界层3.边界层的分离以不可压缩流体绕流圆柱体为例，从边界层内流动的物理过程说明曲面边界层的分离现象。第107页/共240页随着流体沿圆柱体表面绕流，边界层厚度逐渐增大。流体在圆柱体前半部，速度逐渐增加，压强逐渐减小，是加速流。流体在圆柱体后半部，速度逐渐减小，压强逐渐增加，是减速流。即：在圆柱体边界层内，前半部的流动是降压加速，而后半部的流动是升压减速。第108页/共240页在边界层内的流体质点，除了受到摩擦阻力的作用外，还受到流动方向上压强差的作用。在圆柱体前半部：降压加速 流体的部分压强能转变为动能，从而抵消

40、一部分因摩擦阻滞作用而消耗的动能，以维持流体在边界层内继续向前流动。第109页/共240页在圆柱体后半部：升压减速一方面，摩擦阻力使动能不断消耗，另一方面后半部处于升压减速区，更促使边界层内流体质点的减速，从而使动能消耗更大。第110页/共240页 当达到S点时，近壁处流体质点的动能已被耗尽，部分流体质点在S点停滞下来，过S点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，近壁处的流体质点开始倒退。第111页/共240页 接踵而来的流体质点在近壁处都同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体在短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来。边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向

41、前流动，两者流动方向相反，从而形成旋涡。第112页/共240页 流体到达S点，从表面分离出来，即出现曲面边界层分离现象，S点称为分离点。第113页/共240页边界层分离的原因和后果 造成边界层分离的原因，在于逆压强梯度 作用和物面粘性滞止效应的共同影响，使物面附近的流体不断减速，最终由于惯性力不能克服上述阻力的停滞，边界层开始脱离物面。第114页/共240页边界层分离后，形成的旋涡不断被主流带走，圆柱体后面产生的尾涡区内的旋涡不断地消耗机械能，造成很大的阻力损失。在圆柱体前后产生了压强差，形成了压差阻力。压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，所以又称为形体阻力。第115页/共240页第一章流体

42、流动1.3 流体动力学基础管内流体的速度分布1.管内层流的速度分析l层流时的速度分布管内任取一流体柱分析其受力推动力：净压力阻力：内摩擦力第116页/共240页得圆管内层流流动的微分方程：合力为零，即：(1-59)第一章流体流动l层流时的速度分布第117页/共240页得管内层流流动的速度分布式：积分上式：上式表明：圆管内层流时任一点的速度在圆管的有效截面积上呈抛物面分布。(1-60)第一章流体流动l层流时的速度分布第118页/共240页在r=0的管轴上，流速达到最大值：第一章流体流动l层流时的速度分布第119页/共240页由上两式得：上式反映圆管内任一点的速度与管中心最大点速度的关系。第一章流

43、体流动l层流时的速度分布第120页/共240页代入上式，有：代入上式，有：第一章流体流动l层流时的体积流量公式第121页/共240页积分，得：(1-64)第一章流体流动l层流时的体积流量公式第122页/共240页平均流速为：平均流速为：(1-66)第一章流体流动l层流时的平均流速与最大流速之关系 上式表明，对圆管层流而言，管内平均流速是轴线处最大流速的一半。即管内平均流速可通过测取轴线处的流速而求得。第123页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程 由质量守恒定律可知：当流体经过流场中任意指定的控制体时，如果流出的流体质量流率与流入的流体质量流率不相等，则表明控制体内流

44、体密度是变化的。上述结论可以用数学分析表达成方程，称为连续性方程。连续性方程是质量守恒定律在流体流动系统的应用。第124页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程x方向流入的流体质量流率流体在x方向的净质量流率为：x方向流出的流体质量流率第125页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程流体在y方向的净质量流率为：流体在z方向的净质量流率为：流体通过微元体的净质量流率为：第126页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程微元体内流体密度变化引起的质量累积速率：由于流体是由连续介质组成的，所以若微元体内流体质量发生变化，则必然引起

45、微元体内流体密度的变化。第127页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程根据质量守恒定律，有：上式即为微分形式的连续性方程(1-75)第128页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程方程表明：若控制体内流体质量发生了变化，必然引起控制体内流体密度的变化。(1-75)第129页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程对于不可压缩流体，有：上式即为不可压缩流体微分形式的连续性方程(1-76)第130页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程对于不可压缩流体的一维流动(1-77)考虑微元流管内的流动，流体流入

46、截面1，从截面2流出，侧面无流体通过。故：或：第131页/共240页第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程对于不可压缩流体的一维流动(1-77)式（1-77）说明一维流动在定常流动条件下，沿流动方向的体积流量为一个常数，平均流速与有效截面面积成反比。第132页/共240页l对不可压缩流体对不可压缩流体在圆管内在圆管内流动，则有：流动，则有：第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理连续性方程第133页/共240页第一章流体流动流体流动的总能量衡算流体流动的总能量衡算衡算范围：如图衡算范围：如图衡算基准：衡算基准：1kg1kg流体流体基准面：基准面：0-00-0平面平面分析：每分析：每

47、kgkg流体进入和离开衡流体进入和离开衡算范围所带进、带出的能量算范围所带进、带出的能量1.4 流体流动的守恒原理机械能守恒的伯努利方程1.实际流体的伯努利方程第134页/共240页 每kg流体进入和离开衡算范围所带进、带出的能量有：l内能U1、U2l位能gZ1、gZ2l动能第一章流体流动1.实际流体的伯努利方程第135页/共240页l静压能l热l外功第一章流体流动1.实际流体的伯努利方程第136页/共240页根据能量守恒定律，得出连续稳态流动系统的总能量衡算方程式总能量衡算方程式如下：即:对于连续稳态流动系统,输入该系统的总能量等于输出该系统的总能量第一章流体流动1.实际流体的伯努利方程第1

48、37页/共240页上式还可写成以下形式：上式是热力学第一定律在稳定流动系统的表达式第一章流体流动1.实际流体的伯努利方程第138页/共240页流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式由热力学第一定律知：其中：而：第一章流体流动1.实际流体的伯努利方程第139页/共240页即：代入上式，有：消项整理得：此为稳态流体流动系统的机械能衡算式第一章流体流动第140页/共240页对不可压缩流体，积分上式得：以上的积分式均为不可压缩流体在稳态流动时的机械能衡算式（1-91）第一章流体流动第141页/共240页稳态不可压缩流体的机械能衡算式的讨论稳态不可压缩流体的机械能衡算式

49、的讨论 1、方程将流体流速、压强、所处位置以及外界能量等项目关联了起来；表明了流方程将流体流速、压强、所处位置以及外界能量等项目关联了起来；表明了流体中各种形式的机械能之间相互转化的规律体中各种形式的机械能之间相互转化的规律第一章流体流动1.4 流体流动的守恒原理机械能守恒的伯努利方程1.实际流体的伯努利方程第142页/共240页 2、令 称E为总机械能，单位 J/kg，可见：即:流动系统总机械能的增加量等于该系统接受外功与阻力所消耗的能量之差的值。第143页/共240页式中各项除以g,得：其中：We为输送机械对单位质量流体所做的功，流体从输送机械获得的有效功率为：输送机械的轴功率则为：第14

50、4页/共240页理想流体柏努利(Bernoulli)方程式对理想流体对理想流体h hf f=0=0，在没有外功加入时，在没有外功加入时，We=0We=0，上式简化为上式简化为（1-901-90）式：式：第145页/共240页理想流体柏努利(Bernoulli)方程式的讨论 1、理想流体在各截面上所具有的总机械能相等，三种能量可互为转换。2、当流速为0时，有流体静力学方程第146页/共240页l计算输送流体所需的功We或功率N；l解决流体流速、压强以及所处位置高度的计算；l测量流速、流量、压强；l分析机械能之间相互转化的规律；等等。5、机械能衡算式及柏努利方程式的应用第147页/共240页1 1