1、第一章流体流动与输送机械,目录1.1 流体基本性质1.2 流体静力学1.3 流体动力学1.4 流体流动的内部结构1.5 流体流动阻力1.6 管路计算1.7 流速与流量的测量1.8 流体输送机械,压力粘度,1 连续介质的假定,微观上：流体分子距离的存在以及分子运动的 随机性使得流体的各物理量在时间和空 间上的分布都是不连续的。 宏观上：当所讨论问题的特征尺寸远大于流体 的分子平均自由程时，可将流体视为在 时间和空间连续分布的函数。,问题的提出,个分子,1mm3空气( 1个大气压，00C),宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。微观（分子自由程的尺度
2、）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。,流体质点概念,宏观无限小,微观无限大,1 连续介质的假定,1 连续介质的假定,流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成是时间和空间连续分布的函数。,流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占 满空间而没有间隙。,连续介质假说,特例,航天器在高空稀薄的空气中的运行血液在毛细血管中的流动,2 流体的压缩性 -流体的体积随压力变化的关系,液体：,气体：,不可压缩性流体,可压缩性流体,流体的可压缩性 气体和液体都是可压缩的。通
3、常认为：气体可压缩，液体不可压缩。例外：水下爆炸、水击等压强变化大、变化迅速的液体需要考虑可压缩性；气体低速运动时密度变化不大，有时可看作不可压缩。,3 作用在流体上的力,表面力：作用在流体中的所取某部分流体（分离体）表面上的力，也就是该分离体周围的流体（既可是同一种类的流体，也可是不同种类的流体）或固体通过接触面作用在其上的力。,如：压力，内摩擦力（切应力）,1 表面力,作用在流体上的力,表面力,质量力,在流体中任取一块流体，其体积为V，表面积为A，在这块流体上任取一微元面积A，作用在其表面上的力为F，分解为,法向力,切向力,法向力又称为压强。,法向力：,切向力：,3 作用在流体上的力,质量
4、力 作用在流体内部所有流体质点上并与流体的体积或质量成正比的力，也称为体积力。 例如：重力、磁性力、电动力、惯性力。单位质量力 单位质量流体受到的质量力。,2 质量力,3 作用在流体上的力,4 质量力与密度,密度定义 单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3。,2. 影响的主要因素,液体：,不可压缩性流体,气体：,可压缩性流体,3.气体密度的计算,理想气体在标况下的密度为：,例如：标况下的空气，,由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度,4.混合物的密度 1）液体混合物的密度m 取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:,假设混合后总体积不变，,液体混合物密度计算式,
5、2)气体混合物的密度 取1m3 的气体为基准，令各组分的体积分率为:xvA,xvB,xVn,其中:,i =1, 2, ., n,混合物中各组分的质量为：,当V总=1m3时，,若混合前后,气体的质量不变，,当V总=1m3时,气体混合物密度计算式,当混合物气体可视为理想气体时,理想气体混合物密度计算式,压力的定义 垂直作用于流体表面的力，方向指向流体的作用面。单位面积上的压力称为流体的静压强，简称压强。,SI制单位：N/m2，即Pa。其它常用单位有：atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。,换算关系为：,5 压力,压力的表示方法,1）绝对压力（
6、绝压）：流体体系的真实压力（以绝对真空为基准） 2）表压力（表压）：压力表上读取的值（以大气压为基准）,表压力=绝对压力-大气压力 真空度=大气压力-绝对压力,绝对压力、真空度、表压力的关系为,当用表压或真空度来表示压力时，应分别注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。,6 剪切力与粘度,流体在做相对运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力称为剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的粘性。粘性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有粘性。,粘性,粘度：流体流动时与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪切力。也称作绝
7、对粘度、动力粘度，Ns/m2或Pa.s。,运动粘度：又称相对粘度、运动粘性系数。,牛顿粘性定律,真实流体质点的相对运动，必然表现出剪切力，又称之为内摩擦力，这一性质称之为流体的粘性。流体的粘性是其流动时产生阻力的内在原因。,平板间粘性流体的速度变化,上板以恒定速度沿x的正方向运动,最上层（ux=u0），最下层（ux=0）y方向速度梯度,实验证明：对于多数流体，任意两毗邻流体层之间作用的剪切力F与两流体层的速度差u及其作用面积A成正比，与两流体层之间的垂直距离y成反比,牛顿黏性定律：,说明：流体层间的剪应力与法向速度梯度成正比。,目录1.1 流体基本性质1.2 流体静力学1.3 流体动力学1.4
8、 流体流动的内部结构1.5 流体流动阻力1.6 管路计算1.7 流速与流量的测量1.8 流体输送机械,：流体静力学基本方程,流体静力学基本方程,假设：单一、连续、静止、不可压缩,重力场中对液柱进行受力分析：,（3）液柱的重力,方向向下,方向向上,方向向下,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,静压能,位能（J/Kg）,说明：,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,流体机械能守恒与转换：在同一静止流体中
9、，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。,=常数,（3）等压面-处于同一水平面上各点的压力处处相等；（4）压强传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,多种流体并存但不互溶,目录1.1 流体基本性质1.2 流体静力学1.3 流体动力学1.4 流体流动的内部结构1.5 流体流动阻力1.6 管路计算1.7 流速与流量的测量1.8 流体输送机械,流量与流速定态流动与非定态流动连续性方程定态流动系统的机械能衡算,1 流量与流速 -管流,单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。 体积流量qV:单位为：m3/s，m3/h。 质量流量qm:
10、单位：kg/s，kg/h。 体积流量和质量流量的关系：,平均流速u：单位时间内流体在流动方向上流过的距离，单位为m/s。质量流速G：单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量，单位为kg/(m2.s)。流量与流速的关系：,流量,流速,2 定态流动与非定态流动,流动系统,定态流动,流动系统中流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变,非定态流动,上述物理量不仅随位置而且随时间变化的流动。,（1）开进口管阀门 ：截面1-1，2-2，定态流动,（2）关进口管阀门 ：截面1-1，2-2，非定态流动,在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算,衡算范围：取管内壁截面1-1与截面2
11、-2间的管段。对于连续稳定系统：,3 连续性方程,如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：,若流体为不可压缩流体,一维稳定流动的连续性方程,对于圆形管道,表明：圆形管路中不可压缩流体在任意截面的流速与管内径的平方成反比。,4 定态流动系统的机械能衡算,理想流体,不可压缩理想流体的机械能衡算式，伯努利方程,以单位重量流体为基准的机械能衡算式,4 定态流动系统的机械能衡算,1Kg流体从外界获得的能量,1Kg流体损失的能量,实际流体,J/Kg,m,位压头,压头损失,动压头,静压头,外加压头,输送机械所作的有效功率,输送机械实际消耗的功率,Ne-有效功率，W；qm-流体的质量流量，kg/s；We-
12、输送机械对单位质量流体所作的功，J。,N-流体输送机械的轴功率，W；-流体输送机械的效率。,目录1.1 流体基本性质1.2 流体静力学1.3 流体动力学1.4 流体流动的内部结构1.5 流体流动阻力1.6 管路计算1.7 流速与流量的测量1.8 流体输送机械,流体的流动型态流体在圆管中的速度分布边界层,1 流体的流动型态,无因次数群/无量纲特征数,流型判据,Re2000时，为层流区；Re4000时，为湍流区；2000Re4000时，过渡区。,u-操作因素：流速；d-设备因素：管径；，-物性：密度和粘度。,两种流型，三个区域。,物理意义,表征了流体流动中惯性力与粘性力之比，标志着流体流动的湍动程
13、度。,Re其他形式,2 流体在圆管中的速度分布,层流,速度呈抛物线分布；平均速度为管中心最大 速度的一半。,湍流,靠近管壁处速度较大， 中心处速度分布均匀；平均速度约为管中心最大 速度的0.82倍（n=1/7）。,管壁处质点速度为零，管中心处速度最大。,3 边界层,平板上边界层的形成,流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速将为主体流速99%以内的区域。边界层厚度：边界层外缘与垂直壁面间的距离。,圆管内边界层的形成的发展,边界层流型：层流边界层和湍流边界层。,层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。,湍流流动时：,湍
14、流流动时：,湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层：分子粘度与湍流粘度相当； 层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,边界层的分离,绕过圆柱体边界层分离,绕过管排时边界层分离,孔板边界层分离,A C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；C S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0；,S点：离壁面较远的流体质点，受外流带动，具有较大的速度和动
15、能，流过较长的距离直至S点速度降为0；SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。,边界层分离的必要条件： 流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度； 外层能量来不及传入里层。,流线型,目录1.1 流体基本性质1.2 流体静力学1.3 流体动力学1.4 流体流动的内部结构1.5 流体流动阻力1.6 管路计算1.7 流速与流量的测量1.8 流体输送机械,测速管孔板流量计文丘里流量计转子流量计,1 测速管（皮托管）,结构,内管A处,外管B处,原理,点速度：,即,讨论：（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布曲线；,
16、（2）流量的求取：,由速度分布曲线积分,测管中心最大流速，由u/umax Remax求平均流速，再计算流量。,测Umax平均速度流量,平均雷诺数,（1）测量点位于均匀流段，上、下游各有50倍管内径的直管距离；（2）皮托管管口截面严格垂直于流动方向；（3）皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0d/50 。,安装,结构简单、阻力小、使用方便， 尤其适用于测量气体管道内的流速。,优点,缺点,不能直接测出平均速度， 且压差计读数小，常须放大才能读得准确。,2 孔板流量计-差压式流量计,结构与原理,1-1截面处流速为u1，2-2截面处的流速u2最大，3-3截面处的流速u3恢复至u1。,1-1截
17、面处压力为p1，2-2截面处的压力p2最小，3-3截面处的压力p3由于能量损失p3Re临界时，,一般 C0=0.60.7,（3）试差法求取流量,设Red Redc,由A0/A1查C0qvRed 核Red Redc,C0 ?,Re ?,（1）安装在稳定流段，上游l10d，下游l5d；（2）结构简单，制造与安装方便 ；（3）能量损失较大（存在永久压降） 。,安装及优缺点,3 文丘里（Venturi）流量计,属差压式流量计； 能量损失小，造价高。,CV流量系数（0.980.99） A0喉管处截面积,4 转子流量计,结构与原理,流量方程,转子受力平衡,在1-1和0-0截面间列伯努利方程,由连续性方程,
18、Cr流量系数,体积流量,（1）特点： 恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。 恒环隙流速、恒能量损失,讨论：,（2）刻度换算,标定流体：20水（1000kg/m3 ） 20、101.3kPa下空气（1.2kg/m3）,Ar环隙截面积,Cr相同，同刻度时,式中：1标定流体； 2被测流体。,气体转子流量计,（3）示值调整,更换转子，即改变f 切削转子，即改变Af、AR。,安装及优缺点,（1）永远垂直安装，且下进、上出， 安装支路，以便于检修。（2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽， 对不同流体适用性广，测量精度较高； （3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装 使用过程中玻璃容易破碎。,塑料转子流量计,金属转子流量计,
