流體動力學(多媒體教案)課件

1、主要內(nèi)容：1.3.1 流體的流量與流速1.3.2 定態(tài)流動與非定態(tài)流動1.3.3 系統(tǒng)與控制體1.3.4 連續(xù)定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量衡算1.3.5 理想流體的機械能衡算1.3.6 實際流體的能量衡算1.3.7 例題11.3.1 流體的流量與流速1.3.1.1 流量 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量。（1）體積流量（qV） 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體體積 單位為m3/s。（2）質(zhì)量流量（qm） 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體質(zhì)量 單位為kg/s。P16 - P262（3）質(zhì)量流量與體積流量之間的關(guān)系qm = qv1.3.1.2 流速（1）點速度：是指單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向

2、上所流經(jīng)的距離（2）平均速度：流體在管道中的截面速度就是用體積流量除以管道截面積 P16 - P263（3）質(zhì)量流速：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道單位截面的質(zhì)量1.3.1.3 圓形管道直徑的估算P16 - P264uu適宜費用總費用設(shè)備費操作費u d 設(shè)備費u流動阻力 動力消耗 操作費一般液體的流速為1-3m/s低壓氣體的流速為8-12m/sP16 - P2651.3.2 定態(tài)流動與非定態(tài)流動P16 - P266（1）定態(tài)流動 （液面高度不變） 各截面上的溫度、壓力、流速等物理量僅隨位置變化，而不隨時間變化；（2）非定態(tài)流動 （液面高度隨時間變化） 流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時間變

3、化。P16 - P2671.3.3 系統(tǒng)與控制體（1）系統(tǒng)（物系） 包含眾多流體質(zhì)點的集合。 系統(tǒng)與外界可以有力的作用和能量的交換，但沒有質(zhì)量交換。 系統(tǒng)的邊界隨著流體一起運動，因而系統(tǒng)的形狀和大小都時間而變化。P16 - P268（2）控制體 當劃定一固定的空間體積（比如某一化工設(shè)備）來考察問題，該空間體積稱為控制體，構(gòu)成控制體的界面稱為控制面。 控制面是封閉的固定界面 流體可以自由進出控制體 控制面上可以有力的作用與能量的交換P16 - P2691.3.4 連續(xù)定態(tài)流動系統(tǒng)的質(zhì)量衡算qm1qm21212P16 - P2610（1）系統(tǒng)：連續(xù)定態(tài)流動，無流體增加和漏失的情況（2）控制體：以1

4、-1截面、2-2截面以及管內(nèi)壁所 圍成的空間（3）相關(guān)物流：qm1,qm2（4）衡算方程： 依據(jù)質(zhì)量守恒定律，則 qm1 = qm2 1u1A1 = 2u2A2 1u1A1 =2u2A2 = =uA = const 連續(xù)性方程qm2qm11212P16 - P2611對于不可壓縮流體，=const，則 qv = u1A1 = u2A2 = uA = const對于圓形管路，則 u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2 表明不可壓縮性流體在圓形直管中連續(xù)定態(tài)流動時任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。討論：表示的是一維連續(xù)定態(tài)流動的連續(xù)性方程 在控制體內(nèi)流體無增加和漏失的情況 連續(xù)定態(tài)流動系統(tǒng)的管

5、截面上流速變化規(guī)律 不可壓縮流體流速與管道的截面積成反比P16 - P2612例：如圖所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以910-3m3/s的體積流量流動，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的流速。123a3bP16 - P26131.3.5 理想流體的機械能衡算（1）研究對象 理想流體：無粘性的流體稱為理想流體。 特點：流體在管截面上各質(zhì)點的速度是均勻的， 在流動過程中無能量損失（摩擦損失）（2）控制體 選取截面（1-1截面和2-2截面） 選取基準水平面（0-0截面） 1-1和2-2截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間

6、為控制體。P16 - P2614u1，A1p1，100112Z22u2, A2p2,2Z1P16 - P2615（3）衡算基準 質(zhì)量為m kg的流體在管內(nèi)作連續(xù)定態(tài)流動 質(zhì)量為1kg的流體在管內(nèi)作連續(xù)定態(tài)流動（4）區(qū)分進入量與流出量進入量: 進入1-1截面的量（機械能） P16 - P261122Z100u1，A1p1，1u2, A2p2,2Z216位能：流體受重力作用在不同高度所具有的能量 質(zhì)量為m kg的流體在1-1截面處的位能mgZ1 質(zhì)量為1 kg的流體在1-1截面處的位能gZ1注:基準水平面的選取P16 - P261122Z100u1，A1p1，1u2, A2p2,2Z217動能：流

7、體以一定的速度流動所具有的能量 質(zhì)量為m kg的流體在1-1截面處的動能 質(zhì)量為1kg的流體在1-1截面處的動能P16 - P261122Z100u1，A1p1，1u2, A2p2,2Z218靜壓能：要進入截面的流體必須具有使流體通過該截面進入系統(tǒng)所需的功相當?shù)哪芰俊?質(zhì)量為m kg、體積為V1 m3的流體進入1-1截面的靜壓能為 P16 - P26Z21122Z100u1，A1p1，1u2, A2p2,219流出量：從2-2截面帶 出的量（機械能） 機械能：位能、動能、靜 壓能 質(zhì)量為1kg的流體所具有的靜壓能為P16 - P261122Z100u2, A2p2,2u1，A1p1，1Z220

8、（5）衡算方程 根據(jù)能量守恒原則，對于控制體，輸入的總機械能必等于輸出的總機械能。以m kg流體為基準的以1kg流體為基準的P16 - P2621若為不可壓縮性流體 這就是不可壓縮理想流體的機械能衡算式，稱為伯努利方程。以單位重量流體為基準的P16 - P2622（6）適用范圍 理想流體作連續(xù)定態(tài)流動。 在流動過程中，控制體內(nèi)與外界無外加能量。 對于氣體，只適用于管道兩截面間壓力差很小的 情況。P16 - P2623（7）討論重力射流說明位能與動能之間的相互轉(zhuǎn)換AAhCC00P16 - P2624ppa壓力射流說明壓強能與動能之間的相互轉(zhuǎn)換112200P16 - P2625駐點壓強OS說明動能

9、與壓強能之間的相互轉(zhuǎn)換P16 - P2626Z=3mPau1u2112233例：流向判斷 水以7m3/h的流量如圖所示的文丘利管，在喉頸處接一支管與下部水槽相通。已知截面1處內(nèi)徑為50mm，壓強為1.96104Pa（表壓），喉頸內(nèi)徑為15mm。試判斷圖中垂直支管中水流的流向。設(shè)流動無阻力損失，水的密度取=1000kg/m3。P16 - P26271.3.6 實際流體的能量衡算1.3.6.1 實際流體的伯努利方程（1）能量損失（ ）P16 - P26Z10011232328用被流體吸收而使其升溫。這一部分很小，通常忽略不計。通過管壁散失到周圍介質(zhì)中，這部分是損失掉了，如何計算？用 表示單位質(zhì)量流

10、體損失的總能量。單位為 。是一個過程函數(shù)，與所經(jīng)的路徑有關(guān)。 P16 - P2629（2）外加功（ ） 由于流體能夠自發(fā)地從高能量向低能量處流動，但如果我們要求從能量低處向能量高處輸送，我們就需要外加功，這種外加功是由流體輸送機械提供，流體輸送機械將機械能傳給流體，我們將單位質(zhì)量流體從流體輸送機械得到的能量用 來表示，單位為 。 P16 - P26301.3.6.2 伯努利方程的討論（1） 位能動能靜壓能狀態(tài)參數(shù)獲得的能量消耗的能量過程函數(shù)P16 - P2631（2）若輸送的流體為理想流體，在1-1和2-2截面之間作連續(xù)定態(tài)流動，且無外加能量，即： 則： P16 - P2632式中 ，說明該方

11、程適用于不可壓縮流體做連續(xù)定態(tài)流動。 若是可壓縮流體：當所取系統(tǒng)中兩截面間的絕對壓力變化小于原來絕對壓力的20%，即 ，式中的密度 應(yīng)以平均密度 來代替。 P16 - P2633若系統(tǒng)中的流體處于靜止狀態(tài)，即 ，因此流體沒有運動，也沒有能量損失，當然也不需要外加功， ,于是伯努利方程就要變?yōu)镻16 - P2634（3）121122 12 P16 - P2635 結(jié)論： 若 含有出口阻力損失，那么在選取2-2截面 時，要取在出口外側(cè)，此時的 ，因為流體 脫離管道的束縛。 若 不含有出口阻力損失，那么在選取2-2截 面時要么取在出口內(nèi)側(cè)，此時的 為管道的流 速，因為流體還未脫離管道的束縛。1122

12、P16 - P2636（4） 是表示單位質(zhì)量流體從流體輸送機械所獲得的功，則單位時間流體輸送機械所作的有效功（有效功率）。 Ne = qm We 實際上流體輸送機械本身還有能量轉(zhuǎn)換效率，則流體輸送機械實際消耗的功率應(yīng)為N = Ne/P16 - P2637（5）以單位質(zhì)量流體為基準 以單位重量流體為基準 以單位體積流體為基準 P16 - P26381.3.6.3 伯努利方程式的物理意義P16 - P26391.3.6.4 伯努利方程式的應(yīng)用（1）畫出流程，用箭頭標出流動方向，指出上、下 游，上游截面用1-1截面來表示，下游截面用2-2 截面來表示。（2）選取截面 與流體的流動方向相垂直； 兩截面

13、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。P16 - P2640（3）基準水平面的確定，必須與地面平行。（4）要注意單位一致性原則，尤其壓力的單位要一 致，要同時用絕壓、表壓。P16 - P2641例1：截面的選取1122331.3.7 例題42113322431144例2：一敞口高位液槽其液面距輸液管出口的垂直距離為6m，液面維持恒定。輸液管為75.53.75mm的鍍鋅焊接鋼管（普通管），流動過程中的阻力損失為5.6m液柱，液體的密度為1100kg/m3。試求輸液量，m3/h。45例3：槽中的水經(jīng)虹吸管流出，求： （1）管內(nèi)水流速； （2）截面A(管內(nèi))、B、C三處的靜壓力。

14、管徑均勻不變，流動阻力可以不計，大氣壓力為1atm。 A B 1 1 2 2 0.5m C 0.7m 46例4：有一用水吸收混合氣中氨的常壓逆流吸收塔（如圖所示），水由水池用離心泵送至塔頂經(jīng)噴頭噴出。泵入口管為1084mm無縫鋼管，管中流量為40m3/h，出口管為893.5mm無縫鋼管。47池內(nèi)水深為2m，池底至塔頂噴頭入口處的垂直距離為20m。管路的阻力損失為40J/kg（不包括出口阻力），噴頭入口處的壓強為120kPa（表壓）。設(shè)泵的效率為65%。 試求泵所需的功率，kW。48例5：如圖所示為丙烯精餾塔回流系統(tǒng)。精餾塔內(nèi)操作壓強為13.3Kgf/cm2（表壓），槽內(nèi)液面上方壓強為20.5 Kgf/cm2（表壓），丙烯入口距離槽內(nèi)液面的高度差為30m，49管子規(guī)格為1084mm，輸送量為40T/h，丙烯密度為600kg/m3，管路全部阻力（不包括出口阻力）為150J/kg， 試問完成此輸送任務(wù)是否需要裝泵？50例6：如圖2-10所示的循環(huán)系統(tǒng)，液體由密閉容器A進入離心泵，又由泵送回容器A。循環(huán)量為1.8m3/h，輸送管路為內(nèi)徑等于25mm