一流體流動學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1一一 流體流體(lit)流動流動第一頁，共126頁。2022-6-302 連續(xù)介質(zhì)假定連續(xù)介質(zhì)假定 假定流體是由無數(shù)內(nèi)部假定流體是由無數(shù)內(nèi)部(nib)(nib)緊密相連、彼此間沒有緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點（或微團）所組成的連續(xù)介質(zhì)。間隙的流體質(zhì)點（或微團）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點：由大量分子構(gòu)成的微團，其尺寸遠小于設(shè)備質(zhì)點：由大量分子構(gòu)成的微團，其尺寸遠小于設(shè)備 尺寸、遠大于分子自由程。尺寸、遠大于分子自由程。 質(zhì)點間無間隙，是連續(xù)的質(zhì)點間無間隙，是連續(xù)的工程意義：利用連續(xù)函數(shù)數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究流體工程意義：利用連續(xù)函數(shù)數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究流體對高度真空的氣體不適用對高度真空

2、的氣體不適用第2頁/共126頁第1頁/共126頁第二頁，共126頁。2022-6-303 流體流體(lit)(lit)的可壓縮性的可壓縮性 不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓力變化而變不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓力變化而變 化，如液體；前后化，如液體；前后(qinhu)P、T變化的變化的 大的常壓氣體大的常壓氣體 可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化， 如氣體。如氣體。第3頁/共126頁第2頁/共126頁第三頁，共126頁。2022-6-304一、壓力一、壓力(yl) 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體

3、的靜壓強，習(xí)慣上又稱為壓力。靜止流體中，從各方向上作用強，習(xí)慣上又稱為壓力。靜止流體中，從各方向上作用于某一點于某一點(y din)(y din)的壓力大小均相等的壓力大小均相等 1.壓力壓力(yl)的單的單位位 SI制：制：N/m2或或Pa；ES制：制：kgf/m2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O工程大氣壓工程大氣壓1at = 1.0105Pa =736mmHg =10 m H2O第一節(jié)第一節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第4頁/共126頁第3頁/共126頁第四頁，共126頁。2022-6-3052. 壓力壓力(yl)的表示方的表示

4、方法法 絕對壓力絕對壓力 以絕對真空為基準(zhǔn)以絕對真空為基準(zhǔn)(jzhn)(jzhn)測得的壓測得的壓力。力。 以壓力表測量以壓力表測量 表壓或真空度表壓或真空度 以大氣壓為基準(zhǔn)以大氣壓為基準(zhǔn)(jzhn)(jzhn)測得的測得的壓力。壓力。 以真空表測量以真空表測量第5頁/共126頁第4頁/共126頁第五頁，共126頁。2022-6-306表表 壓壓 = 絕對絕對(judu)壓力壓力 大氣壓力大氣壓力真空度真空度 = 大氣壓力大氣壓力 絕對絕對(judu)壓力壓力絕 對 壓絕 對 壓力力 絕 對 壓絕 對 壓力力 絕對真空絕對真空 表壓表壓 真空度真空度 1p2p大氣壓大氣壓 第6頁/共126頁第

5、5頁/共126頁第六頁，共126頁。2022-6-307 流體壓力流體壓力(yl)(yl)與作用面垂直，并指向該作用與作用面垂直，并指向該作用面；面； 任意界面兩側(cè)所受壓力任意界面兩側(cè)所受壓力(yl)(yl)，大小相等、方，大小相等、方向相反；向相反； 作用于任意點不同方向上的壓力作用于任意點不同方向上的壓力(yl)(yl)在數(shù)值在數(shù)值上均相同。上均相同。3.靜壓力靜壓力(yl)的特性的特性第7頁/共126頁第6頁/共126頁第七頁，共126頁。2022-6-308二、流體的密度與比體積二、流體的密度與比體積（一）密度（一）密度 單位單位(dnwi)體積流體的質(zhì)量。體積流體的質(zhì)量。Vm kg/

6、m3 1.單組分密度單組分密度(md),(Tpf 液體液體 密度僅隨溫度變化（極高壓力密度僅隨溫度變化（極高壓力(yl)除外），其除外），其變變 化關(guān)系可從手冊中查得?；P(guān)系可從手冊中查得。第8頁/共126頁第7頁/共126頁第八頁，共126頁。2022-6-309 氣體氣體 當(dāng)壓力當(dāng)壓力(yl)不太高、溫度不太低時，可按理想不太高、溫度不太低時，可按理想 氣體狀態(tài)方程計算：氣體狀態(tài)方程計算： RTpM 注意：手冊中查得的氣體密度均為一定壓力與溫度注意：手冊中查得的氣體密度均為一定壓力與溫度 下之值，若條件不同下之值，若條件不同(b tn)，則需進行換算。，則需進行換算。標(biāo)準(zhǔn)狀況：標(biāo)準(zhǔn)狀況：T

7、=273.15K，P =101.325 kPa第9頁/共126頁第8頁/共126頁第九頁，共126頁。2022-6-30102.混合物的密度混合物的密度(md) 混合氣體混合氣體 各組分各組分(zfn)在混合前后質(zhì)量不變，則有在混合前后質(zhì)量不變，則有 nn2111m 氣體混合物中各組分氣體混合物中各組分(zfn)的體積分數(shù)。的體積分數(shù)。 n21, 或或RTpMmm mM混合氣體的平均摩爾質(zhì)量；混合氣體的平均摩爾質(zhì)量； nn2211myMyMyMMn21,yyy氣體混合物中各組分的摩爾氣體混合物中各組分的摩爾( (體積體積) )分數(shù)。分數(shù)。 第10頁/共126頁第9頁/共126頁第十頁，共126

8、頁。2022-6-3011 混合液體混合液體 假設(shè)假設(shè)(jish)各組分在混合前后體積不變，則有各組分在混合前后體積不變，則有 nmn12121www n12,w ww液體液體(yt)混合物中各組分的質(zhì)量混合物中各組分的質(zhì)量分數(shù)。分數(shù)。 （二）比體積（二）比體積單位質(zhì)量單位質(zhì)量(zhling)流體的體積。流體的體積。1Vvm m3/kg第11頁/共126頁第10頁/共126頁第十一頁，共126頁。2022-6-3012重力場中對液柱進行重力場中對液柱進行(jnxng)受力分受力分析：析：ApP11 （1）上端面）上端面(dunmin)所所受總壓力受總壓力 ApP22 （2）下端面）下端面(du

9、nmin)所所受總壓力受總壓力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力)(21zzgAG 設(shè)流體不可壓縮，設(shè)流體不可壓縮，.Const p0p2p1z1z2G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下三、三、流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式 第12頁/共126頁第11頁/共126頁第十二頁，共126頁。2022-6-3013液柱處于靜止液柱處于靜止(jngzh)(jngzh)時，上述三力的合力為時，上述三力的合力為零零: :0)(2112zzgAApAp )(2112zzgpp gzpgzp2211 靜力學(xué)基本(jbn)方程 式壓力壓力(yl)形式形式能量形式能量形式第13頁/共126

10、頁第12頁/共126頁第十三頁，共126頁。2022-6-3014討論討論(toln)：（1）適用于重力場中靜止、連續(xù)）適用于重力場中靜止、連續(xù)(linx)的同種不可壓縮性的同種不可壓縮性流體；流體；（2）物理意義：）物理意義：zg單位質(zhì)量流體所具有的位能，單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kgJ/kg；p單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kgJ/kg。 在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能(winng)(winng)和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變保持不變 。第14頁/共

11、126頁第13頁/共126頁第十四頁，共126頁。2022-6-3015（3）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓力處處相等面上各點的壓力處處相等(xingdng)。壓力相等。壓力相等(xingdng)的面稱為等壓面。的面稱為等壓面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。 巴斯噶原理巴斯噶原理第15頁/共126頁第14頁/共126頁第十五頁，共126頁。2022-6-3016四、靜力學(xué)基本四、靜力學(xué)基本(jbn)(jbn

12、)方程的方程的應(yīng)用應(yīng)用 （一）（一） 壓力壓力(yl)測測量量 1. U形管液柱壓差形管液柱壓差(y ch)計計 設(shè)指示液的密度為設(shè)指示液的密度為 ，被測流體的密度為被測流體的密度為 。 0A與與A面面 為等壓面，即為等壓面，即AApp)(1ARmgpp gRgmpp02A 而而p1p2mRAA第16頁/共126頁第15頁/共126頁第十六頁，共126頁。2022-6-3017所以所以(suy)gRgmpRmgp021)( 整理整理(zhngl)得得gRpp)(021 若被測流體是氣體，若被測流體是氣體， ，則有，則有0 021 Rgpp第17頁/共126頁第16頁/共126頁第十七頁，共12

13、6頁。2022-6-3018討論討論(toln)： U U形管壓差計可測系統(tǒng)內(nèi)兩點的壓力形管壓差計可測系統(tǒng)內(nèi)兩點的壓力(yl)(yl)差，當(dāng)將差，當(dāng)將U U形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可測得流體的表壓或真空度；測得流體的表壓或真空度； 指示液的選取：指示液的選取： 指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 其密度要大于被測流體密度。其密度要大于被測流體密度。 應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差(y ch)(y ch)的大小選擇指示的大小選擇指示液。液。 第18頁/共126頁第

14、17頁/共126頁第十八頁，共126頁。2022-6-30192. 倒倒U形管壓差形管壓差(y ch)計計 RgRgpp)(021 指示劑密度指示劑密度(md)小于被測流體密小于被測流體密度度(md)，如空氣作為指示劑如空氣作為指示劑 第19頁/共126頁第18頁/共126頁第十九頁，共126頁。2022-6-30203. 斜管壓差斜管壓差(y ch)計計 適用適用(shyng)于壓差較小的情況。于壓差較小的情況。 sinRR 值越小，讀數(shù)放大值越小，讀數(shù)放大(fngd)(fngd)倍數(shù)越倍數(shù)越大。大。 第20頁/共126頁第19頁/共126頁第二十頁，共126頁。2022-6-3021 密度

15、接近密度接近(jijn)(jijn)但不互溶的兩種但不互溶的兩種指示指示 液液A A和和C C ；)(CA 4. 微差壓差微差壓差(y ch)計計 擴大擴大(kud)(kud)室內(nèi)徑與室內(nèi)徑與U U管內(nèi)徑管內(nèi)徑之比應(yīng)大于之比應(yīng)大于10 10 。)(CA21 Rgpp第21頁/共126頁第20頁/共126頁第二十一頁，共126頁。2022-6-3022（ 二 ）（ 二 ） 液 位 測 量液 位 測 量(cling) 1.1.近距離液位測量近距離液位測量(cling)(cling)裝置裝置 壓差壓差(y ch)(y ch)計讀數(shù)計讀數(shù)R R反映反映出容器出容器內(nèi)的液面高度。內(nèi)的液面高度。 Rh 0

16、 液面越高，液面越高，h越小，壓差計讀數(shù)越小，壓差計讀數(shù)R越??；當(dāng)液面達越?。划?dāng)液面達到最高時，到最高時，h為零，為零，R亦為零。亦為零。第22頁/共126頁第21頁/共126頁第二十二頁，共126頁。2022-6-30232.2.遠距離液位測量遠距離液位測量(cling)(cling)裝置裝置 BApp 管道管道(gundo)(gundo)中中充滿氮氣，其密度充滿氮氣，其密度較小，近似認為較小，近似認為 ghpp aAgRpp0aB Rh 0而而所以所以(suy) (suy) AB第23頁/共126頁第22頁/共126頁第二十三頁，共126頁。2022-6-3024（三）（三） 液封高度液封

17、高度(god)的計算的計算 液封作用：液封作用： 確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力壓力(yl)(yl)超過規(guī)定值時，超過規(guī)定值時，氣體從液封管排出；氣體從液封管排出； 防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。gph 液封高度液封高度(god)：第24頁/共126頁第23頁/共126頁第二十四頁，共126頁。2022-6-3025 1. 體積流量體積流量 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體(lit)體積。體積。 qVm3/s或或m3/h2.質(zhì)量流量質(zhì)量流量 單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體(lit)質(zhì)量。質(zhì)量。 qmk

18、g/s或或kg/h。 Vmqq 二 者 關(guān) 系二 者 關(guān) 系(gun x)：（一）流量（一）流量一、一、流量與流速流量與流速第25頁/共126頁第24頁/共126頁第二十五頁，共126頁。2022-6-3026（二）流速（二）流速(li s)2.2.質(zhì)量流速質(zhì)量流速 單位時間單位時間(shjin)(shjin)內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。量。1.1.流速流速 （平均流速）（平均流速）2.2.單位時間內(nèi)流體單位時間內(nèi)流體(lit)(lit)質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離。離。 AquV kg/（m2s）流量與流速的關(guān)系：流量與流速的關(guān)系：

19、m/smVqqwuAA mVqquAwA第26頁/共126頁第25頁/共126頁第二十六頁，共126頁。2022-6-30274Vqdu 對于對于(duy)(duy)圓形圓形管道：管道：流量流量qVqV一般一般(ybn)(ybn)由生產(chǎn)任務(wù)決定。由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速流速(li s)選擇：選擇：3. 管徑的估算管徑的估算 d 設(shè)備費用設(shè)備費用 u 流動阻力流動阻力 動力消耗動力消耗 操作費操作費均均衡衡考考慮慮uu適宜適宜費費用用總費用總費用設(shè)備費設(shè)備費操作費操作費第27頁/共126頁第26頁/共126頁第二十七頁，共126頁。2022-6-3028 二、穩(wěn)態(tài)流動(lidng)與非穩(wěn)態(tài)流動(li

20、dng)穩(wěn)態(tài)流動：各截面穩(wěn)態(tài)流動：各截面(jimin)(jimin)上的溫度、壓力、流速等物理上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化；量僅隨位置變化，而不隨時間變化； 非穩(wěn)態(tài)流動：流體在各截面上的有關(guān)非穩(wěn)態(tài)流動：流體在各截面上的有關(guān)(yugun)(yugun)物理物理量既隨位置變化，也隨時間變化。量既隨位置變化，也隨時間變化。),(,zyxfupT ),(, zyxfupT 第28頁/共126頁第27頁/共126頁第二十八頁，共126頁。2022-6-3029三、三、連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式 對于對于(duy)(duy)穩(wěn)態(tài)流動系穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和統(tǒng)，在管路

21、中流體沒有增加和漏失的情況下：漏失的情況下： 21mmqq 222111AuAu 推廣推廣(tugung)(tugung)至任至任意截面意截面 常數(shù)常數(shù) uAAuAuqm 222111連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式11 2 2第29頁/共126頁第28頁/共126頁第二十九頁，共126頁。2022-6-3030常常數(shù)數(shù) uAAuAuqV2211不 可 壓 縮 性 流 體不 可 壓 縮 性 流 體(lit)(lit)，.Const 圓形管道圓形管道(gundo) (gundo) ：2121221 ddAAuu 即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速(li (li s)

22、s)與管內(nèi)徑的平方成反比與管內(nèi)徑的平方成反比 。第30頁/共126頁第29頁/共126頁第三十頁，共126頁。2022-6-3031四、伯四、伯努利方程式努利方程式（一）伯努利方程式（一）伯努利方程式dxpA(p+dp)A gdmdz在在x方向方向(fngxing)上對微元段受力分析：上對微元段受力分析：pA（1）兩端面所受壓力）兩端面所受壓力(yl)分別分別為為及及Adpp)( （2）重力）重力(zhngl)的分量的分量zAgxAgmgdsindsind 故合力為故合力為zAgpAzAgApppAddd)d( 第31頁/共126頁第30頁/共126頁第三十一頁，共126頁。2022-6-30

23、32動量動量(dngling)變化率變化率uAuuqddm zAgpAuAuddd 0ddd uupzg 動量動量(dngling)原理原理伯努利方程式伯努利方程式 不 可 壓 縮 性 流 體不 可 壓 縮 性 流 體(lit)(lit)，.Const （1）Const.212 puzg第32頁/共126頁第31頁/共126頁第三十二頁，共126頁。2022-6-3033（二）伯努利方程式的物理（二）伯努利方程式的物理(wl)意義意義zg單位質(zhì)量流體所具有的位能，單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；p單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg ；221u單位質(zhì)量流體所具有

24、的動能，單位質(zhì)量流體所具有的動能，J/kg。各項意義各項意義(yy)：第33頁/共126頁第32頁/共126頁第三十三頁，共126頁。2022-6-303421Const.2pzugg 將將(1)(1)式各項同除重力式各項同除重力(zhngl)(zhngl)加速度加速度g :g :（2）式 中 各 項 單 位式 中 各 項 單 位(dnwi)為為mNJN/kgJ/kg z 位壓頭位壓頭gu22動壓頭動壓頭gp 靜壓頭靜壓頭總壓頭總壓頭第34頁/共126頁第33頁/共126頁第三十四頁，共126頁。2022-6-3035 式（式（1）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機械能衡算式）為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的

25、機械能衡算式(sunsh)，式（，式（2）為以重量流體為基準(zhǔn)的機械能衡算）為以重量流體為基準(zhǔn)的機械能衡算式式(sunsh)，表明理想流體在流動過程中任意截面上，表明理想流體在流動過程中任意截面上總機械能、總壓頭為常數(shù)，三種能量形式可以相互轉(zhuǎn)總機械能、總壓頭為常數(shù)，三種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換。換。第35頁/共126頁第34頁/共126頁第三十五頁，共126頁。2022-6-3036gu221gu222gp1gp2Hz2210第36頁/共126頁第35頁/共126頁第三十六頁，共126頁。2022-6-3037五、實際流體五、實際流體(lit)的機械能衡算式的機械能衡算式Wp2,u2, 2p1,u1

26、, 1221100z2z1（一）實際（一）實際(shj)流體機械能衡算式流體機械能衡算式第37頁/共126頁第36頁/共126頁第三十七頁，共126頁。2022-6-3038（2）外加功（外加壓頭）外加功（外加壓頭） 1kg流體從流體輸送機械流體從流體輸送機械(jxi)所獲得的能量為所獲得的能量為W (J/kg)。（1）能量損失）能量損失(snsh)（壓頭損失（壓頭損失(snsh)）設(shè)設(shè)1kg流體流體(lit)損失的能量為損失的能量為hf（J/kg）。）。 221211221122fppz guWz guh 221211221122fppzuHzuHgggg （3）（4）或或伯努利方程式伯努利

27、方程式 第38頁/共126頁第37頁/共126頁第三十八頁，共126頁。2022-6-3039WHg ffhHg 其 中其 中( q zhng)He外加壓頭或有效外加壓頭或有效(yuxio)壓頭，壓頭，m;hf壓頭壓頭(y tu)損失，損失，m。（二）伯努利方程的討論（二）伯努利方程的討論 （1 1）若流體處于靜止，）若流體處于靜止，u=0，hf=0，W=0，則柏努利方則柏努利方程變?yōu)槌套優(yōu)?說明柏努利方程即表示流體的運動規(guī)律，也表說明柏努利方程即表示流體的運動規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律 。 2211pgzpgz 第39頁/共126頁第38頁/共126頁第三十九頁，共1

28、26頁。2022-6-3040 W、hf 在兩截面在兩截面(jimin)間單位質(zhì)量流間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。體獲得或消耗的能量。（2）zg、 、 某某截面上單位質(zhì)量流體所截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動能和靜壓能具有的位能、動能和靜壓能 ； p221u有效有效(yuxio)(yuxio)功功率率 ：emPq W 軸功率軸功率 ： ePP 第40頁/共126頁第39頁/共126頁第四十頁，共126頁。2022-6-3041（3）伯努利方程）伯努利方程(fngchng)式適用于不可壓縮性式適用于不可壓縮性流體。流體。 對于可壓縮性流體，當(dāng)對于可壓縮性流體，當(dāng) 時，仍可時，仍可用該方程用該

29、方程(fngchng)計算，但式中的密度計算，但式中的密度應(yīng)以兩應(yīng)以兩截面的平均密度截面的平均密度m代替。代替。%20121 ppp第41頁/共126頁第40頁/共126頁第四十一頁，共126頁。2022-6-3042（三）伯努利方程（三）伯努利方程(fngchng)(fngchng)的應(yīng)的應(yīng)用用 管內(nèi)流體的流量；管內(nèi)流體的流量； 輸送設(shè)備輸送設(shè)備(shbi)的功率；的功率； 管路中流體的壓力；管路中流體的壓力； 容器間的相對位置等。容器間的相對位置等。利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可以利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可以(ky)確定：確定：第42頁/共126頁第41頁/共126頁第四十二頁，共12

30、6頁。2022-6-3043（1）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流）根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動方向，定出上、下游動方向，定出上、下游(xiyu)截面，明確流動系統(tǒng)的截面，明確流動系統(tǒng)的衡算范圍衡算范圍 ；（2）位能基準(zhǔn)面的選?。┪荒芑鶞?zhǔn)面的選取 必須與地面平行；必須與地面平行； 宜于選取兩截面中位置較低的截面；宜于選取兩截面中位置較低的截面； 若截面不是若截面不是(b shi)水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過管中心線的水平面。面應(yīng)選過管中心線的水平面。 第43頁/共126頁第42頁/共126頁第四十三頁，共126頁。2022-6-

31、3044（4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示(biosh)方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。 （3）截面的選?。┙孛娴倪x取 與流體的流動方向相垂直與流體的流動方向相垂直(chuzh)； 兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動； 截面宜選在已知量多、計算方便處。截面宜選在已知量多、計算方便處。 第44頁/共126頁第43頁/共126頁第四十四頁，共126頁。2022-6-3045 2 2 氣氣 體體 洗洗 滌滌 塔塔 5m 泵泵 氣氣 體體 3 3 1m 1m 4 4 貯貯 槽槽 廢廢 水水 池池

32、1 1 0.2m 如圖所示，已知管道尺寸為如圖所示，已知管道尺寸為1144 mm，流，流量為量為85 m3/h，水在管路中（噴頭前）流動的總，水在管路中（噴頭前）流動的總阻力損失為阻力損失為10 J/kg ，噴頭前壓力，噴頭前壓力(yl)較塔內(nèi)壓較塔內(nèi)壓力力(yl)高高100 kPa，水從塔中流入下水道的阻力，水從塔中流入下水道的阻力損失為損失為12 J/kg。求泵供給的外加功率。求泵供給的外加功率。 解：解： 按照控制按照控制(kngzh)體選體選取原則，應(yīng)取面取原則，應(yīng)取面1-1至面至面2-2，而不能取面而不能取面1-1至面至面3-3或面或面1-1至面至面4-4。mmd10642114 由

33、已知條件可知管內(nèi)徑由已知條件可知管內(nèi)徑第45頁/共126頁第44頁/共126頁第四十五頁，共126頁。2022-6-3046212222121122 fewpugzwpugz 在面在面1-1和面和面(h min)2-2間有間有 2 2 氣體氣體 洗滌塔洗滌塔 5m 泵泵 氣體氣體 3 3 1m 1m 4 4 貯槽貯槽 廢水池廢水池 1 1 0.2m 422dVu sm68. 24106. 03600852 z2=7 mp2=？wf1-2=10 J kg-122226.8210268. 281. 97ppwe 22226.8210268. 281. 97ppwe 第46頁/共126頁第45頁/共

34、126頁第四十六頁，共126頁。2022-6-3047 2 2 氣體氣體 洗滌塔洗滌塔 5m 泵泵 氣體氣體 3 3 1m 1m 4 4 貯槽貯槽 廢水池廢水池 1 1 0.2m p3可通過可通過(tnggu)面面3-3與與4-4間的機械能衡算求得：間的機械能衡算求得： 434244323322 fwpugzpugz z3=1.2 m，wf3-4=12 J kg-1 23. 081. 92 . 1123 pJ kg-1 22226.8210268. 281. 97ppwe 由已知條件由已知條件(tiojin)可知：可知： 33210100 pp2 .100 J kg-1 5 .182 J kg

35、-1 第47頁/共126頁第46頁/共126頁第四十七頁，共126頁。2022-6-3048故泵的外加故泵的外加(wiji)功率為：功率為：36005 .182851000 eseswVwm =4310 W 或或4.31 kW 返回(fnhu)目錄第48頁/共126頁第47頁/共126頁第四十八頁，共126頁。2022-6-3049（一）（一） 牛頓粘性牛頓粘性(zhn xn)定律定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：F內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力，N； 剪應(yīng)力，剪應(yīng)力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s； 比例系數(shù)，稱為流體的粘度，比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pas 。 y

36、udd 一、流體一、流體(lit)的粘度的粘度 第三節(jié)第三節(jié) 管內(nèi)流體流動管內(nèi)流體流動(lidng)現(xiàn)象現(xiàn)象第49頁/共126頁第48頁/共126頁第四十九頁，共126頁。2022-6-3050（二）流體的粘度（二）流體的粘度(zhn d) （動力粘度（動力粘度(zhn d)） 1. 1.粘度的物理粘度的物理(wl)(wl)意義意義 流體流動時在與流動方向垂直的方向上流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。),(Tpf 液體液體 :)(Tf T 氣體氣體 : 一般一般)(Tf T 超高壓超高壓),(Tpf p 粘度的物理本質(zhì)：分子間的引力粘

37、度的物理本質(zhì)：分子間的引力(ynl)和分子的運動與碰撞。和分子的運動與碰撞。第50頁/共126頁第49頁/共126頁第五十頁，共126頁。2022-6-30512. 粘度粘度(zhn d)的單位的單位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)物理物理(wl)制：制：cP(厘泊）厘泊）換算關(guān)系換算關(guān)系1cP10-3 Pas3.運動運動(yndng)粘度粘度 粘度粘度與密度與密度之比。之比。 m2/s第51頁/共126頁第50頁/共126頁第五十一頁，共126頁。2022-6-3052（ 三 ） 剪 應(yīng) 力 與 動 量（ 三 ） 剪 應(yīng) 力 與 動 量(dngling)通量通量 分子動量傳遞是由于分

38、子動量傳遞是由于(yuy)流體層之間速度不同，流體層之間速度不同，動量由速度大處向速度小處傳遞。動量由速度大處向速度小處傳遞。 AdmuddduAmAmaAF)( smsmkgmsmkgmN2222/ 動量通量：單位時間動量通量：單位時間(shjin)、通過單位面積傳遞的動量。、通過單位面積傳遞的動量。剪應(yīng)力動量通量剪應(yīng)力動量通量第52頁/共126頁第51頁/共126頁第五十二頁，共126頁。2022-6-3053dyuddyuddyud)()(. msmmkgyu 3 動量動量(dngling)濃濃度梯度度梯度sm /2 運動粘度運動粘度(zhn d)或動量擴或動量擴散系數(shù)散系數(shù)動量動量(d

39、ngling)通量動量通量動量(dngling)擴擴散系數(shù)散系數(shù)動量動量(dngling)濃度梯度濃度梯度第53頁/共126頁第52頁/共126頁第五十三頁，共126頁。2022-6-3054牛頓牛頓(ni dn)(ni dn)型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓符合牛頓(ni dn)(ni dn) 粘性定律的流體；粘性定律的流體；非牛頓非牛頓(ni dn)(ni dn)型流體：不符合牛頓型流體：不符合牛頓(ni dn)(ni dn)粘性定律的流體。粘性定律的流體。 （四）牛頓（四）牛頓(ni dn)型流體與非牛頓型流體與非牛頓(ni dn)型流體型流體 nyu

40、ddyuadd第54頁/共126頁第53頁/共126頁第五十四頁，共126頁。2022-6-30551、與時間、與時間(shjin)無關(guān)的粘性流體無關(guān)的粘性流體 假塑性假塑性(Pseudoplastic)(Pseudoplastic)流體流體(lit)(lit)：漲塑性漲塑性(dilatant)(dilatant)流體流體(lit)(lit) ： 賓漢塑性賓漢塑性(Binghamplastic)(Binghamplastic)流體流體(lit)(lit) ： 2、與時間、與時間(shjin)有關(guān)的粘性有關(guān)的粘性流體流體 觸變性觸變性(thixotropic)(thixotropic)流體流體

41、：abcda-a-賓漢塑性流體賓漢塑性流體 b-b-漲塑性流體漲塑性流體c-c-牛頓流體牛頓流體d-d-假塑性流體假塑性流體dyud.粘彈性粘彈性(Rhexopectic)(Rhexopectic)流體：流體：第55頁/共126頁第54頁/共126頁第五十五頁，共126頁。2022-6-3056二、流體流動二、流體流動(lidng)(lidng)類型與類型與雷諾數(shù)雷諾數(shù) （ 一 ） 雷 諾 實 驗（ 一 ） 雷 諾 實 驗(shyn)第56頁/共126頁第55頁/共126頁第五十六頁，共126頁。2022-6-3057 層流（或滯流）：流體質(zhì)點僅沿著與管軸平行層流（或滯流）：流體質(zhì)點僅沿著與管

42、軸平行(pngxng)的方向作直線運動，質(zhì)點無徑向脈動，質(zhì)點的方向作直線運動，質(zhì)點無徑向脈動，質(zhì)點之間互不混合；之間互不混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流體質(zhì)點除了沿管軸方向向前：流體質(zhì)點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點的速度在大小和方流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點的速度在大小和方向上都隨時向上都隨時(sush)變化，質(zhì)點互相碰撞和混合。變化，質(zhì)點互相碰撞和混合。（二）流型判據(jù)（二）流型判據(jù)(pn j)雷雷諾準(zhǔn)數(shù)諾準(zhǔn)數(shù) udRe 無因次數(shù)群無因次數(shù)群第57頁/共126頁第56頁/共126頁第五十七頁，共126頁。2022-6-30581.判斷流型判斷流型2.Re2000時，

43、流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；3.Re4000時，一般出現(xiàn)湍流時，一般出現(xiàn)湍流(tunli)，此區(qū)稱為湍流，此區(qū)稱為湍流(tunli)區(qū)；區(qū)；4.2000 Re 4000 時，流動可能是層流，也可能是湍流時，流動可能是層流，也可能是湍流(tunli)，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。2.物理物理(wl)意義意義 Re反映反映(fnyng)了流體流動中慣性力與粘性力的了流體流動中慣性力與粘性力的對比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動的湍動程度。對比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動的湍動程度。 第58頁/共126頁第57頁/共126頁第五十八頁，共126頁。2022-6-30

44、59三、三、 流體在圓管內(nèi)的速度流體在圓管內(nèi)的速度(sd)(sd)分分布布（一）層流（一）層流(cn li)(cn li)時的時的速度分布速度分布 第59頁/共126頁第58頁/共126頁第五十九頁，共126頁。2022-6-3060由壓力由壓力(yl)(yl)差產(chǎn)生的推差產(chǎn)生的推力力 221)(rpp 流體流體(lit)(lit)層間內(nèi)摩擦層間內(nèi)摩擦力力 dd(2 )ddrruuFArlrr 212d()(2 )drupprrlr 12d()d2rupprrl 管壁處管壁處rR時，時，0，可得速度分布方程，可得速度分布方程 .u22()4rpuRrl 第60頁/共126頁第59頁/共126頁

45、第六十頁，共126頁。2022-6-3061管中心流速為最大，即管中心流速為最大，即r0時，時， umax .u221max4)(Rlppu 2max1rruuR管截面管截面(jimin)(jimin)上的平均速上的平均速度度 : :V0max2212RrurdrquuAR 即層流即層流(cn li)(cn li)流動時的平均速度為管中心最大流動時的平均速度為管中心最大速度的速度的1/21/2。 即流體在圓形直管內(nèi)層流流動即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(lidng)時，其速度呈拋物時，其速度呈拋物線分布。線分布。第61頁/共126頁第60頁/共126頁第六十一頁，共126頁。2022-6-3062

46、（二）湍流（二）湍流(tunli)(tunli)時的速度分布時的速度分布 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 ：yuedd)( e為湍流粘度，與流體的流動為湍流粘度，與流體的流動(lidng)狀況有關(guān)。狀況有關(guān)。 max1nrruuR 湍流速度分布湍流速度分布(fnb)的經(jīng)驗的經(jīng)驗式：式：第62頁/共126頁第61頁/共126頁第六十二頁，共126頁。2022-6-3063101102 . 371,102 . 3101 . 161,101 . 110466554 nRenRenRen與與Re有關(guān)有關(guān)(yugun)，取值如，取值如下：下： 1/7次方定律次方定律71 n當(dāng)當(dāng) 時，流體的平均速度時，流體的平均速度 :V

47、max0.82quuA 第63頁/共126頁第62頁/共126頁第六十三頁，共126頁。2022-6-3064湍流流動時沿徑向湍流流動時沿徑向(jn xin)分為三層：分為三層： 湍流主體、湍流主體、 過渡層、過渡層、 層流內(nèi)層層流內(nèi)層第64頁/共126頁第63頁/共126頁第六十四頁，共126頁。2022-6-3065直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而 產(chǎn)生的阻力；產(chǎn)生的阻力；局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速 大小大小(dxio)(dxio)及方向的改變而引起的阻力。及方向的

48、改變而引起的阻力。 一、直管阻力一、直管阻力(zl)（一）阻力的表現(xiàn)形式（一）阻力的表現(xiàn)形式 第65頁/共126頁第64頁/共126頁第六十五頁，共126頁。2022-6-3066流體在水平流體在水平(shupng)等徑直管中作定態(tài)等徑直管中作定態(tài)流動。流動。22121122f1122ppz guz guh 第66頁/共126頁第65頁/共126頁第六十六頁，共126頁。2022-6-306721uu 21zz 12fpph 若管道若管道(gundo)(gundo)為傾斜為傾斜管，則管，則 12f12()()pphz gz g 流體的流動阻力流體的流動阻力(zl)(zl)表現(xiàn)為靜壓能的減少；表

49、現(xiàn)為靜壓能的減少； 水平安裝時，流動阻力水平安裝時，流動阻力(zl)(zl)恰好等于兩截面恰好等于兩截面的靜壓能之差。的靜壓能之差。 第67頁/共126頁第66頁/共126頁第六十七頁，共126頁。2022-6-3068（二）直管阻力（二）直管阻力(zl)的通的通式式 由于壓力由于壓力(yl)(yl)差而產(chǎn)生的推動力：差而產(chǎn)生的推動力： 4221dpp 流體流體(lit)(lit)的摩擦力：的摩擦力：dlAF dldpp4)(221 f4lhd 2f282l uhu d 令令 28u 定態(tài)流動時定態(tài)流動時第68頁/共126頁第67頁/共126頁第六十八頁，共126頁。2022-6-3069直管

50、阻力通式直管阻力通式(tngsh)（范寧（范寧Fanning公式）公式） 其它其它(qt)形式：形式：摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)） 則則 2f2l uhd J/kg壓頭損失壓頭損失2f2l uHdg m壓力損失壓力損失22fudlp Pa 該公式層流與湍流均適用；該公式層流與湍流均適用； 注意注意 與與 的區(qū)別。的區(qū)別。p fp 第69頁/共126頁第68頁/共126頁第六十九頁，共126頁。2022-6-3070（三）層流（三）層流(cn li)時的摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)系數(shù) max21uu 221max4)(Rlppu 速度速度(sd)分分布方程布方程2dR 22132)(dlupp

51、 2f32dlup 又又哈根-泊謖葉 （Hagen-Poiseuille）方程(fngchng) 第70頁/共126頁第69頁/共126頁第七十頁，共126頁。2022-6-3071f232 luhd 能量能量(nngling)損失損失 層流時阻力層流時阻力(zl)(zl)與速度的一次方成正與速度的一次方成正比比 。22f232646422lululuhdd u dRe d Re64 變形變形( b i n xng)：比較得比較得第71頁/共126頁第70頁/共126頁第七十一頁，共126頁。2022-6-30721.管壁管壁(un b)粗糙度對摩擦系數(shù)的影粗糙度對摩擦系數(shù)的影響響 光滑光滑(

52、gung hu)(gung hu)管：玻璃管、銅管、鉛管及塑管：玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等；料管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。絕對粗糙度絕對粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。：管道壁面凸出部分的平均高度。相對粗糙度相對粗糙度 ：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。d 層流流動時：層流流動時： 流速較慢，與管壁無碰撞，阻力與流速較慢，與管壁無碰撞，阻力與 無關(guān)，無關(guān)，只與只與Re有關(guān)。有關(guān)。d（四）湍流（四）湍流(tunli)時的摩擦系數(shù)時的摩擦系數(shù)第72頁/共126頁第71頁/共126頁第七十二頁，共126頁。2022-6-3073 湍流湍流(tu

53、nli)流動時：流動時： 水力光滑管水力光滑管 只與只與Re有關(guān)，與有關(guān)，與 無關(guān)無關(guān)d 完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管 只與只與 有關(guān)，與有關(guān)，與Re無關(guān)無關(guān)d d 第73頁/共126頁第72頁/共126頁第七十三頁，共126頁。2022-6-3074（四）湍流（四）湍流(tunli)時的摩擦系數(shù)時的摩擦系數(shù)2. 量綱分析法量綱分析法 目的：（目的：（1）減少實驗）減少實驗(shyn)工作量；工作量； （2）結(jié)果具有普遍性，便于推廣。）結(jié)果具有普遍性，便于推廣?；A(chǔ)基礎(chǔ)(jch)(jch)：量綱一致性：量綱一致性 即每一個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，即每一個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等， 而

54、且每一項都應(yīng)具有相同的量綱。而且每一項都應(yīng)具有相同的量綱。第74頁/共126頁第73頁/共126頁第七十四頁，共126頁。2022-6-3075基本定理：白金漢（基本定理：白金漢（BuckinghamBuckingham）定理定理 設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨立變量數(shù)為設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨立變量數(shù)為n n個，個，這些這些(zhxi)(zhxi)變量的基本因次數(shù)為變量的基本因次數(shù)為m m個，則該物個，則該物理現(xiàn)象可用理現(xiàn)象可用N N（n nm m）個獨立的無量綱數(shù)群表）個獨立的無量綱數(shù)群表示。示。 湍流時壓力損失的影響因素：湍流時壓力損失的影響因素：（1）流體性質(zhì)：）流體性質(zhì)：，（2）流動的幾何尺寸

55、：）流動的幾何尺寸：d，l，（管壁（管壁(un b)粗糙度）粗糙度）（3）流動條件：）流動條件：u第75頁/共126頁第74頁/共126頁第七十五頁，共126頁。2022-6-3076 ,fldufp 物理變量物理變量(binling) n(binling) n 7 7基本量綱基本量綱 m m3 3無量綱數(shù)群無量綱數(shù)群 N Nn nm m4 4 ddludup ,2f無量無量(wling)綱化處理綱化處理式中：式中：2fupEu 歐拉（歐拉（Euler）準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)即該過程即該過程(guchng)可用可用4個無量綱數(shù)群表個無量綱數(shù)群表示。示。第76頁/共126頁第75頁/共126頁第七十六頁，共1

56、26頁。2022-6-3077d 相對粗糙度相對粗糙度dl管道的幾何尺寸管道的幾何尺寸 udRe 雷諾數(shù)雷諾數(shù)根據(jù)實驗根據(jù)實驗(shyn)(shyn)可知，流體流動阻力與管長成正比，可知，流體流動阻力與管長成正比，即即 dRedlup ,2ff ff f2,plhReudd 或或),(dRe 2f2l uhd 第77頁/共126頁第76頁/共126頁第七十七頁，共126頁。2022-6-3078莫狄（莫狄（Moody）摩擦）摩擦(mc)因因數(shù)圖：數(shù)圖：第78頁/共126頁第77頁/共126頁第七十八頁，共126頁。2022-6-3079（1）層流區(qū)（）層流區(qū)（Re 2000） 與與 無關(guān)，與無

57、關(guān)，與ReRe為直線關(guān)系，即為直線關(guān)系，即 , ,即即 與與u的一次方成正比。的一次方成正比。d Re64 fhu fh（2 2）過渡）過渡(gud)(gud)區(qū)（區(qū)（2000Re4000) 2000Re4000) 將湍流時的曲線將湍流時的曲線(qxin)(qxin)延伸查取延伸查取值值 。（3 3）湍流區(qū)（）湍流區(qū)（Re4000Re4000以及以及(yj)(yj)虛線以下的區(qū)域）虛線以下的區(qū)域） ),(dRef 第79頁/共126頁第78頁/共126頁第七十九頁，共126頁。2022-6-3080（4 4）完全湍流區(qū)）完全湍流區(qū) （虛線以上（虛線以上(yshng)(yshng)的區(qū)域）的區(qū)域

58、） 與與Re無關(guān)，只與無關(guān)，只與 有關(guān)有關(guān) 。d 該區(qū)又稱為該區(qū)又稱為(chn wi)阻力平方阻力平方區(qū)。區(qū)。2fhu d 一定時，一定時，經(jīng)驗經(jīng)驗(jngyn)(jngyn)公式公式 ：柏拉修斯（柏拉修斯（BlasiusBlasius）式：式：25. 03164. 0Re適用光滑管，適用光滑管，Re2.5103105第80頁/共126頁第79頁/共126頁第八十頁，共126頁。2022-6-3081Red51. 27 . 3/lg21考萊布魯克（考萊布魯克（ColebrookColebrook）式：式：Red9 . 67 . 3/lg2111. 1哈蘭德（哈蘭德（HaalandHaaland

59、）式：式：適用范圍適用范圍 Re4103108， /d = 510-210-6第81頁/共126頁第80頁/共126頁第八十一頁，共126頁。2022-6-3082（五）（五） 非圓形管內(nèi)非圓形管內(nèi)(un ni)的流動的流動阻力阻力 當(dāng)量當(dāng)量(dngling)(dngling)直徑：直徑： Ad44e潤濕周邊潤濕周邊流通截面積流通截面積 套管套管(to un)(to un)環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為d1d1，外管的，外管的內(nèi)徑為內(nèi)徑為d2 :d2 : 12122122e44ddddddd 邊長分別為邊長分別為a、b的矩形管的矩形管 :baabbaabd 2)(24e第82頁/共126

60、頁第81頁/共126頁第八十二頁，共126頁。2022-6-3083說明：說明：（1）Re與與hf中的直徑中的直徑(zhjng)用用de計算；計算；（2）層流時：）層流時：ReC 正方形正方形 C57套管套管(to un)環(huán)隙環(huán)隙 C96 （3）流速用實際）流速用實際(shj)流通面積計算流通面積計算 。2e785. 0dquV 第83頁/共126頁第82頁/共126頁第八十三頁，共126頁。2022-6-3084二、局部二、局部(jb)阻力阻力 （一）阻力（一）阻力(zl)(zl)系數(shù)系數(shù)法法 將局部阻力表示為動能將局部阻力表示為動能(dngnng)(dngnng)的某一倍數(shù)。的某一倍數(shù)。