第二节流体流动的基本方程.ppt
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1、第二节流体流动的基本方程现在学习的是第1页,共60页1.体积流量体积流量 单位时间内单位时间内流经管道任意截面的流经管道任意截面的流体体积流体体积。VS=V/m3/s2.质量流量质量流量 单位时间内单位时间内流经管道任意截面的流经管道任意截面的流体质量流体质量。ms=m/kg/s二者关系:二者关系:(一一)、流量、流量第二节第二节 流体流动的基本方程流体流动的基本方程一、基本概念一、基本概念现在学习的是第2页,共60页(二二)、流速、流速1.流速流速(平均流速平均流速)单位时间内单位时间内流经管道流经管道单位截面积单位截面积的的流体体积流体体积。-m/s 圆形管道直径的计算式:圆形管道直径的计
2、算式:现在学习的是第3页,共60页2.质量流速质量流速 单位时间内单位时间内流经管道流经管道单位截面积单位截面积的的流体质量流体质量。-kg/(m2s)流量与流速的关系:流量与流速的关系:现在学习的是第4页,共60页(二)稳定流动与非稳定流动(二)稳定流动与非稳定流动流动系统流动系统稳定流动稳定流动:流流动动系系统统中中流流速速、压压强强、密密度度等等有有关关物物理理量量仅仅随随位位置置而而改改变变,而而不不随随时时间间而而改改变。变。非稳定流动非稳定流动:物理量不仅随位置改变而且随时间变化。物理量不仅随位置改变而且随时间变化。n 判断依据:判断依据:物理量物理量是否是否随时间而改变。随时间而
3、改变。n 稳定流动:稳定流动:无无物料、能量的积累。物料、能量的积累。n 非稳定流动非稳定流动:有有物料或能量的积累。物料或能量的积累。现在学习的是第5页,共60页现在学习的是第6页,共60页Fuududy1.黏性黏性 思考:思考:为什么两板间会有如上的运动呢?为什么两板间会有如上的运动呢?气体:气体:内摩擦力产生的原因从内摩擦力产生的原因从动量传递角度动量传递角度加以理解加以理解液体:液体:内摩擦力则是内摩擦力则是由由分子间的吸引力分子间的吸引力所产生。所产生。流体的黏性流体的黏性流体的黏性流体的黏性(三)粘性与粘度(三)粘性与粘度流体的内摩擦力流体的内摩擦力流体的内摩擦力流体的内摩擦力现在
4、学习的是第7页,共60页n n 流流流流体体体体的的的的内内内内摩摩摩摩擦擦擦擦力力力力:运运运运动动动动着着着着的的的的流流流流体体体体内内内内部部部部相相相相邻邻邻邻两两两两流流流流体体体体层层层层间间间间的的的的作作作作用用用用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。n n黏性:黏性:黏性:黏性:流体本身具有的流体本身具有的流体本身具有的流体本身具有的阻碍流体运动的性质阻碍流体运动的性质阻碍流体运动的性质阻碍流体运动的性质。2、牛顿粘性定律牛顿粘性定律 剪应力:剪应力:单位面积上的内摩擦力,以单位面积上的内摩
5、擦力,以表示。表示。单位面积上的的内摩擦力,单位面积上的的内摩擦力,N/m2 速度梯度速度梯度 动力黏度动力黏度简称黏度简称黏度 现在学习的是第8页,共60页3、流体的粘度、流体的粘度 1)物理意义物理意义n 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。n 粘度总是与速度梯度相联系,粘度总是与速度梯度相联系,只有在运动时才显现出来只有在运动时才显现出来a)液体的粘度随液体的粘度随温度升高而减小温度升高而减小,压强基本无影响。,压强基本无影响。b)气体的粘度随气体的粘度随温度升高而增大温度升高而增大,压强基本无影响压强基本无影响。2)粘度与温度、压强的关系粘度与温
6、度、压强的关系 现在学习的是第9页,共60页3)粘度的单位)粘度的单位 在在SI制中:制中:在物理单位制中,在物理单位制中,SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为:单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为:现在学习的是第10页,共60页4)4)混合物的粘度混合物的粘度n 对于分子不缔合的液体混合物对于分子不缔合的液体混合物:5 5)运动粘度)运动粘度n 单位:SI制:m2/s;物理单位制:cm2/s,用用St表示表示n对常压气体混合物:对常压气体混合物:n两者关系:现在学习的是第11页,共60页在稳定流动系统中,对直径不同的管段做物料衡算n衡算范围:取截面1-1与截面2-2间的管段。n衡算基
7、准:1sn对于连续稳定系统:二、质量衡算连续性方程二、质量衡算连续性方程mms1s1mms2s2现在学习的是第12页,共60页推广到管路系统的任一截面,有:若流体为不可压缩流体 连续性方程连续性方程 现在学习的是第13页,共60页对于圆形管道:n 表表明明:当当体体积积流流量量V VS S一一定定时时,管管内内流流体体的的流流速速与与管管径的平方径的平方成成反比反比。思考:思考:如果管道有分支,则如果管道有分支,则稳定流动时稳定流动时的连续性方程又如何?的连续性方程又如何?现在学习的是第14页,共60页例例1-2 如如附附图图所所示示,管管路路由由一一段段684mm的的管管1、一一段段1084
8、mm的的管管2和和两两段段573.5mm的的分分支支管管3a及及3b连连接接而而成成。若若水水以以5103m3/s的的体体积积流流量量流流动动,且且在在两两段段分分支支管管内内的的流流量量相相等等,试试求求水水在各段管内的流速。在各段管内的流速。3a123b现在学习的是第15页,共60页 1)流体本身具有的能量(依附于流体)流体本身具有的能量(依附于流体)物质内部能量的总和称为内能。物质内部能量的总和称为内能。单位质量流体的内能以单位质量流体的内能以 U 表示,单位表示,单位J/kg。内能内能:位能位能:流体因处于重力场内而具有的能量。流体因处于重力场内而具有的能量。绝对值与绝对值与基准面的选
9、取基准面的选取有关有关质量为质量为m流体的位能流体的位能 单位质量流体的位能单位质量流体的位能)/(kgJgZ=三、机械能衡算方程三、机械能衡算方程1.1.流体流动所具有的能量形式流体流动所具有的能量形式流体流动所具有的能量形式流体流动所具有的能量形式现在学习的是第16页,共60页静压能(流动功)静压能(流动功)将流体压入流体某截面将流体压入流体某截面对抗前方流体的压力所做的功对抗前方流体的压力所做的功。静压能。静压能=力力 距离距离流体以一定的流速流动而具有的能量。流体以一定的流速流动而具有的能量。动能动能:质量为质量为m,流速为流速为u的流体所具有的动能的流体所具有的动能 单位质量流体所具
10、有的动能单位质量流体所具有的动能 静压能静压能=1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为(J/kg)n 单位质量流体本身所具有单位质量流体本身所具有(依附于流体)(依附于流体)的总能量为的总能量为:现在学习的是第17页,共60页复复复复 习习习习1 1、流量(体积流量;质量流量;相互关系)。、流量(体积流量;质量流量;相互关系)。、流量(体积流量;质量流量;相互关系)。、流量(体积流量;质量流量;相互关系)。2 2、流速(平均流速;质量流速;相互关系)。、流速(平均流速;质量流速;相互关系)。、流速(平均流速;质量流速;相互关系)。、流速(平均流速;质量流速;相互关系)。3 3、稳定
11、流动与非稳定流动(判断依据)。、稳定流动与非稳定流动(判断依据)。、稳定流动与非稳定流动(判断依据)。、稳定流动与非稳定流动(判断依据)。4 4、黏性(定义;内摩擦力)。、黏性(定义;内摩擦力)。、黏性(定义;内摩擦力)。、黏性(定义;内摩擦力)。5 5、牛顿粘性定律(剪切力,定律表达式)。、牛顿粘性定律(剪切力,定律表达式)。、牛顿粘性定律(剪切力,定律表达式)。、牛顿粘性定律(剪切力,定律表达式)。6 6、粘粘粘粘度度度度(物物物物理理理理意意意意义义义义;与与与与压压压压强强强强,温温温温度度度度的的的的关关关关系系系系;单单单单位位位位;混混混混合合合合物的粘度;运动粘度及单位)。物的
12、粘度;运动粘度及单位)。物的粘度;运动粘度及单位)。物的粘度;运动粘度及单位)。7 7、质质质质量量量量衡衡衡衡算算算算-连连连连续续续续性性性性方方方方程程程程(表表表表达达达达式式式式;适适适适用用用用范范范范围围围围;圆圆圆圆管管管管时时时时表表表表达达达达式,分叉时表达式)。式,分叉时表达式)。式,分叉时表达式)。式,分叉时表达式)。8 8、机械能衡算方程(流体本身具有的能量)。、机械能衡算方程(流体本身具有的能量)。、机械能衡算方程(流体本身具有的能量)。、机械能衡算方程(流体本身具有的能量)。现在学习的是第18页,共60页2)系统与外界交换的能量)系统与外界交换的能量热:热:单单位
13、位质质量量流流体体通通过过划划定定体体积积的的过过程程中中所所吸吸的的热热为为:qe(J/kg);质量为质量为m的流体所吸的热的流体所吸的热=mqe (J)。当流体当流体吸热时吸热时qe为正为正,流体,流体放热时放热时qe为负为负。功:功:单位质量通过划定体积的过程中接受的功为:单位质量通过划定体积的过程中接受的功为:We(J/kg)质量为质量为m的流体所接受的功的流体所接受的功=mWe(J)流体流体接受外功时,接受外功时,We为正为正,向外界做功时向外界做功时,We为负为负。n n 流体本身所具有流体本身所具有能量和热、功能量和热、功就是流动系统的就是流动系统的总能量总能量现在学习的是第19
14、页,共60页n机械能:机械能:包括包括位能、动能、压力能和功位能、动能、压力能和功;可以相互转变,也可以转变为热或内能;可以相互转变,也可以转变为热或内能;对流体流动对流体流动有有贡献贡献。n非机械能:非机械能:内能和热内能和热;不能直接转变为用于输送流体的机械能;不能直接转变为用于输送流体的机械能;对流体流动对流体流动无无贡献。贡献。机械能直接用于流体输送机械能直接用于流体输送n 以上能量形式可分为两类:以上能量形式可分为两类:现在学习的是第20页,共60页衡算范围:衡算范围:截面截面 1 和截面和截面 2 间的管道和设备。间的管道和设备。衡算基准:衡算基准:1kg流体。流体。设设 1 截面
15、的流体流速为截面的流体流速为u1,压强为压强为P1,截面积为截面积为A1;截面截面 2 的流体流速为的流体流速为u2,压强为压强为P2,截面积为截面积为A2。取取 o 为基准水平面为基准水平面,截面,截面 1 和和截面截面 2 中心与基准水平面的距离中心与基准水平面的距离为为Z1,Z2。0Z112Z2(一)理想流体的伯努利方程(一)理想流体的伯努利方程 理想流体:理想流体:0 0现在学习的是第21页,共60页对于对于定态流动系统定态流动系统:输入能量输入能量=输出能量输出能量输入的机械能能量输入的机械能能量 输出的机械能能量输出的机械能能量 对于对于理想流体理想流体,当,当没有外功加入没有外功
16、加入时,时,We=0 柏努利方程柏努利方程 对于对于不可压缩流体不可压缩流体,现在学习的是第22页,共60页121211221122比较下列图中比较下列图中1-1、2-2截面的动能、位能、压力能截面的动能、位能、压力能现在学习的是第23页,共60页1实际流体的机械能衡算方程实际流体的机械能衡算方程(1)以单位质量流体为基准以单位质量流体为基准 式中各项单位为式中各项单位为J/kg。-机械能衡算方程机械能衡算方程wf称为称为阻力损失阻力损失,永远为,永远为正正,单位,单位J/kg(二)实际流体的机械能衡算(二)实际流体的机械能衡算 (1)现在学习的是第24页,共60页(2 2)以单位重量流体为基
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