第一章流體流動(dòng)

第一章流體流動(dòng)第一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四1第一節(jié)流體靜力學(xué)基本方程式1-1-1流體的密度第二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四2(1)純物質(zhì)的密度液體：基本不隨壓力變化（極高壓力除外），隨溫度略有變化。氣體：密度隨溫度、壓力改變。第三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四3低壓下可按照理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算第四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四4氣體混合物，混合前后質(zhì)量不變液體混合物，混合前后體積不變組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分的體積分?jǐn)?shù)(2)混合物的密度第五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四51-1-2流體的靜壓強(qiáng)1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.013×105Pa表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)－大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)－絕對(duì)壓強(qiáng)第六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四61-1-3流體靜力學(xué)基本方程式研究Z軸方向上的力：下底面的力上底面的力重力為第七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四712結(jié)論：靜止連續(xù)同一流體，同一水平面上各點(diǎn)壓強(qiáng)相等P0改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)壓強(qiáng)也隨之改變壓強(qiáng)差的大小可用液柱高度表示第八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四8靜力學(xué)方程式僅適用于連通著的同一種連續(xù)的不可壓縮靜止流體

A，A’等壓B，B’不等壓第九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四9U管壓差計(jì)動(dòng)畫(huà)031-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用一、壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量1、U管壓差計(jì)第十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四10根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式可得于是

第十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四11上式化簡(jiǎn)，得若若U管的一端與被測(cè)流體連接，另一端與大氣相通，此時(shí)讀數(shù)反映的是被測(cè)流體的表壓強(qiáng)則第十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四122、傾斜液柱壓差計(jì)傾斜液柱壓差計(jì)微差壓差計(jì)3、微差壓差計(jì)第十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四134、壓力表測(cè)量第十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四14二、液位的測(cè)量第十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四15三、液封高度的計(jì)算容器內(nèi)為正壓第十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四16容器內(nèi)為負(fù)壓第十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四17第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動(dòng)1-2-1流量與流速體積流量：Vsm3/s質(zhì)量流量：ws

kg/s關(guān)系：ws=Vs·ρ流速：um/s“各點(diǎn)流速”vs“平均流速”流速與流量關(guān)系：流量第十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四181-2-2定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)流體的一些物理量參數(shù)（如流速、壓強(qiáng)、密度等）僅與位置有關(guān)，與時(shí)間無(wú)關(guān)，稱(chēng)為定態(tài)流動(dòng)；反之，稱(chēng)為非定態(tài)流動(dòng)。1-2-3連續(xù)性方程式第十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四19由物料平衡：第二十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四20伯努利方程式的推導(dǎo)1-換熱器2-泵基準(zhǔn)面穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)流體從截面1-1′流入從截面2-2′流出泵換熱器1-2-4能量衡算方程式一、流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算第二十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四21衡算基準(zhǔn)：1kg流體考察進(jìn)出系統(tǒng)的能量：J/kg1、內(nèi)能：UU1U22、位能：mgZgZgZ1gZ2

3、動(dòng)能：mu2/2u2/2u12/2u22/24、靜壓能：p1ν1p2ν25、熱Qe功We由總的能量守恒：機(jī)械能第二十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四22二、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算式與柏努利方程1、流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算式第二十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四232、柏努利方程不可壓縮流體第二十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四24討論：1、柏努利方程表示各種機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化“奧林匹克”號(hào)和“豪克”號(hào)海難注意第二十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四252、3、可壓縮流體仍能適用4、u=0，則變成流體靜力學(xué)方程式第二十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四26位壓頭動(dòng)壓頭靜壓頭有效壓頭壓頭損失總壓頭5、形式可以多樣沖壓頭第二十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四271-2-5柏努利方程的應(yīng)用一、確定管道中流體流量20oC的空氣在直徑80mm的水平管中流過(guò)，管路中接一文丘里管，文丘里管的上游接一水銀U管壓差計(jì)，在直徑為20mm的喉頸處接一細(xì)管，其下部插入水槽中?？諝饬鬟^(guò)文丘里管的能量損失不計(jì)。當(dāng)U管壓差計(jì)的讀數(shù)R=25mm，h=0.5m時(shí)，求此時(shí)空氣流量？（當(dāng)?shù)卮髿鈮?01.33×103Pa）第二十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四28解：先選取基準(zhǔn)面和截面第二十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四29第三十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四30二、確定設(shè)備間的相對(duì)位置H如圖輸水系統(tǒng)，水箱內(nèi)水面維持恒定，輸水管直徑為60×3mm，輸水量為18.3m3/h，水流經(jīng)全部管道（不包括排出口）的能量損失可按計(jì)算，求1、水箱中水面必須高出排出口的高度H2、若輸水量增加5%，管路的直徑及其布置不變，管路能量損失仍按上述公式計(jì)算，則水箱內(nèi)的水面將上升多少米？第三十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四31解：基準(zhǔn)面：截面2-2＇的中心線(xiàn)截面：水箱水面為上游截面1-1＇，出口內(nèi)側(cè)為下游截面2-2＇第三十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四32所以水面要升高8.58-7.79=0.79米第三十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四33三、確定輸送設(shè)備的有效功率用泵將貯液池中常溫下的水送至吸收塔頂部，貯液池水面維持恒定，輸水管直徑為76×3mm，排水管出口噴頭連接處的壓強(qiáng)為6.15×104Pa，（表壓），送水量為34.5m3/h，水流經(jīng)全部管道（不包括噴頭）的能量損失為160J/kg，求泵的有效功率第三十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四34解：第三十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四35四、確定管路中流體的壓強(qiáng)五、解題要點(diǎn)1、作圖，確定衡算范圍2、截面的選取3、基準(zhǔn)水平面的選取4、截面上的壓強(qiáng)5、單位第三十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四366、注意截面處不允許有急變流動(dòng)，但所選取的兩截面間允許有急變流動(dòng)第三十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四37第三節(jié)流體的流動(dòng)現(xiàn)象1-3-1牛頓粘性定律與流體的粘度一、牛頓粘性定律第三十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四38內(nèi)摩擦應(yīng)力/剪應(yīng)力第三十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四39二、牛頓流體和非牛頓流體與時(shí)間無(wú)關(guān)的粘性流體與時(shí)間有關(guān)的粘性流體第四十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四40牛頓型流體與非牛頓型流體的流變圖Oa-牛頓型流體；b-假塑性流體；c-脹塑性流體；非牛頓型流體的流動(dòng)特性d-賓漢塑性流體。

剪切速率第四十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四41與時(shí)間無(wú)關(guān)的黏性流體假塑性流體(pseudoplasticfluid)n為流動(dòng)特性指數(shù)，n<1。K稱(chēng)為稠度系數(shù)。大多數(shù)非牛頓型流體屬于此種類(lèi)型，如聚合物溶液或熔融體、油脂、淀粉溶液等。O切稀第四十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四42這類(lèi)流體在流動(dòng)時(shí)，表觀黏度隨剪切速率的增大而增大。某些濕沙，含有硅酸鉀、阿拉伯樹(shù)膠等的水溶液均屬于脹塑性流體。脹塑性流體(dilatantfluid)n>1時(shí)稱(chēng)為脹塑性流體O與時(shí)間無(wú)關(guān)的黏性流體切稠第四十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四43某些液體，如潤(rùn)滑脂、牙膏、紙漿、污泥、泥漿等屬于賓漢塑性流體賓漢塑性流體(binghamplasticfluid)O其中τ0為屈服應(yīng)力，Pa;

為剛性系數(shù)，Pa·s。與時(shí)間無(wú)關(guān)的黏性流體第四十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四44與時(shí)間有關(guān)的黏性流體1.觸變性流體（thixotropicfluid）2.流凝性流體（rheopecticfluid）第四十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四451-3-3流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù)一、雷諾實(shí)驗(yàn)：雷諾實(shí)驗(yàn)裝置1-小瓶2-細(xì)管3-水箱4-水平玻璃管5-閥門(mén)6-溢流裝置第四十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四46第四十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四47流線(xiàn)第四十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四48流動(dòng)類(lèi)型：滯流（層流）湍流（紊流）過(guò)渡流動(dòng)畫(huà)第四十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四49雷諾準(zhǔn)數(shù)的提出：Re≤2000時(shí)為滯流，Re≥4000時(shí)為湍流工程上：Re≥3000時(shí)為湍流第五十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四50二、流體在管內(nèi)的速度分布滯流湍流滯流內(nèi)層第五十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四51湍流時(shí)u與umax的關(guān)系第五十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四52第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力直管阻力hf局部阻力hf＇一、直管阻力影響摩擦系數(shù)的因素：管壁粗糙度雷諾數(shù)第五十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四53絕對(duì)粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以ε表示。相對(duì)粗糙度絕對(duì)粗糙度與管徑的比值，即ε/d。第五十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四54滯流時(shí)的摩擦系數(shù)：與管壁粗糙度無(wú)關(guān)湍流時(shí)的摩擦系數(shù)：復(fù)雜因次分析法第五十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四55完全湍流區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)層流區(qū)第五十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四56流體在非圓形直管內(nèi)的流動(dòng)阻力在湍流情況下，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)非圓形截面的通道，可以找到一個(gè)與圓形管直徑d相當(dāng)?shù)摹爸睆健眮?lái)代替。式中Π—流道的潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度，m；

A—流道的截面積，m2。當(dāng)量直徑水力半徑圓形管：第五十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四57二、局部阻力1、阻力系數(shù)法⑴突然擴(kuò)大與突然縮小第五十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四58⑵進(jìn)口與出口：ζc=0.5ζe=1結(jié)合p28進(jìn)行驗(yàn)證⑶管件與閥門(mén)：查手冊(cè)2、當(dāng)量長(zhǎng)度法三、管路系統(tǒng)的總阻力損失第五十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四59共線(xiàn)圖第六十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四60第五節(jié)管路計(jì)算三種情況:1、管徑、管長(zhǎng)、管件、閥門(mén)位置、流體輸送量→能量損失2、管徑、管長(zhǎng)、管件、閥門(mén)位置、允許能量損失→流體輸送量3、管長(zhǎng)、管件、閥門(mén)當(dāng)量長(zhǎng)度、流體輸送量、允許能量損失→管徑第2和3兩種情況：流速或管徑未知→Re不能計(jì)算→不能判斷流型→不能確定摩擦系數(shù)常用方法:試差法第六十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四61常用方法:試差法假設(shè)一個(gè)計(jì)算流速計(jì)算計(jì)算比較第六十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四62并聯(lián)管路分支管路復(fù)雜管路第六十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四63對(duì)于支管1，有對(duì)于支管2，有并聯(lián)管路：在A、B兩截面之間列伯努利方程。第六十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四64所以，并聯(lián)管路中流動(dòng)應(yīng)滿(mǎn)足：

①盡管各支管的長(zhǎng)度、直徑相差懸殊，但單位質(zhì)量的流體流經(jīng)兩支管的能量損失必然相等，即②主管中的流率等于各支管流率之和，即第六十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四65分支管路：以分支點(diǎn)C處為上游截面，分別對(duì)支管A和支管B列伯努利方程，得第六十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四66所以，分支管路中流動(dòng)應(yīng)滿(mǎn)足:

①對(duì)于分支管路，單位質(zhì)量流體在各支管流動(dòng)終了時(shí)的總機(jī)械能與能量損失之和相等，即

②主管中的流率等于各支管流率之和，即第六十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四67并聯(lián)管路與分支管路的計(jì)算內(nèi)容有:①已知總流量和各支管的尺寸，要求計(jì)算各支管的流量；②已知各支管的流量、管長(zhǎng)及管件、閥門(mén)的設(shè)置，要求選擇合適的管徑；③在已知的輸送條件下，計(jì)算輸送設(shè)備應(yīng)提供的功率。第六十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四68第六節(jié)流量測(cè)量一、測(cè)速管（皮托管Pitot）測(cè)速管又稱(chēng)畢托(Pitot)管。測(cè)速管測(cè)定的流速是管道截面上某一點(diǎn)的局部值，稱(chēng)為點(diǎn)速度。動(dòng)畫(huà)第六十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四691-靜壓管2-沖壓管測(cè)靜壓能測(cè)動(dòng)能和靜壓能之和第七十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四70求出某一點(diǎn)的流速平均流速注意：測(cè)速管的外管直徑不大于管道內(nèi)徑的