流體力學(xué)基礎(chǔ)知識

流體力學(xué)基礎(chǔ)知識第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)流體的物理性質(zhì)及流體力學(xué)的基本概念一、流體的概念及物理性質(zhì)1.概念具有流動性的介質(zhì)，如水、空氣、蒸汽等。這些液體和氣體統(tǒng)稱流體。流體的基本特性就是流動性。第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日流體的主要物理性質(zhì)一、流體的密度、重度和相對密度1．密度（1）定義：單位體積的質(zhì)量。（2）公式：2.比容

比容是單位質(zhì)量所占的體積，與密度的關(guān)系為：其中ρ——㎏/m3；M——㎏；V——m3。第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日3．重度（1）定義：單位體積的重量。（2）公式：其中——N/m3，g——N，V——m3第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日4．相對密度相對密度是物體的密度與同樣體積4℃蒸餾水的密度之比，流態(tài)的相對密度S表示為：ρW=1000㎏/m3（4℃）；γW=9800N/m3；VW=0.001m3/㎏。流體的密度、重度、比容均與流體的溫度和壓強有關(guān)。第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、流體的壓縮性和膨脹性1．壓縮性：T不變時，P增大，V隨之減小的性質(zhì)。2．膨脹性：P不變，T升高時，V增大的性質(zhì)。3．液體的壓縮性和膨脹性均很小，氣體則較明顯，但通常均視流體為不可壓縮、連續(xù)的理想流體。（連續(xù)介質(zhì)、無粘性流體、不可壓縮流體）第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日體積壓縮系數(shù)

其物理意義是：當溫度不變時，每增加單位壓力所產(chǎn)生的流體體積的相對變化率。體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)叫作流態(tài)體積彈性系數(shù)第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.粘性

定義：指當流體微團發(fā)生相對運動時產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)。

由于粘性的存在，流體在運動中必然要克服摩擦力做功，因此，粘性是流體中發(fā)生機械能量損失的根源。

（1）動力粘度動力粘度μ，也稱絕對粘度，單位N·S/m2第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日或Pa·S。（2）運動粘度

在研究流體流動時，常使用運動粘度ν，單位是m2/s。ν和μ的關(guān)系為：

不同流體μ、ν不同，溫度較壓力對其影響更大。溫度升高時液體動力粘度降低，氣體動力粘度增大。第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日流體力學(xué)基本概念1.相對壓強

以大氣壓強為零點起算的壓強。它表示給出的壓強比周圍大氣壓大多少。2.絕對壓強

以沒有一點氣體存在的絕對真空為零點起算的壓強。或：從絕對零點起算的壓強（一個容器中的氣體完全抽空時，其壓強為絕對零）。它是流體的全部壓強。絕對壓強ｐ’不能為負，它和相對ｐａ相比，可大，可小。因此，ｐ可正可負。當ｐ為正時，稱正壓（即表壓）。當ｐ為負時，稱負壓，其絕對值為真空度（即真空表讀數(shù)）。

ｐ’=ｐ+ｐａ第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.圖解絕對壓力、相對壓力和真空度的關(guān)系絕對壓強基準0壓強p大氣壓強pa相對壓強基準0A絕對壓強p’AA相對壓強pABB真空度PBB絕對壓強p’BpaA第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日單位1.pa或N/m22.液柱高度mH2O;mmH2O。理想流體為簡化所研究的問題,認定沒有粘性的流體為理想流體。第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日摩阻損失摩阻損失的形式1.產(chǎn)生摩阻損失的原因：流體流動時，由于克服了流動阻力，一部分機械能不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)化為熱能散失而產(chǎn)生的損失。2.沿程損失ｈｆ：受固體邊界阻滯而產(chǎn)生。3.局部損失ｈｊ：由于受到局部阻礙的影響，流態(tài)急劇變化，形成渦旋而產(chǎn)生損失。4.摩阻損失ｈｗ：第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日流態(tài)1.層流：流層間互不摻混，流線平行。2.紊流：各質(zhì)點間強烈摻混，運動軌跡極不規(guī)則。3.雷諾數(shù)：雷諾數(shù)是液流中慣性力與粘滯力之比。第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日水力坡降i為水力坡度，即單位管段長度上的摩阻損失，m/m。l為管段長度，m。第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)流體靜力學(xué)及方程流體不能受拉力、剪切力，但能承受較大的壓力，便于流動。一、流體靜壓力及其特性1.流體靜壓力:由處于靜止或相對靜止的均質(zhì)流體施加的力。Or：作用在整個物體表面積上的稱為流體靜壓力，而作用在單位面積上的流體靜壓力稱為流體靜壓強。第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日一水箱，任取一截面，上部分作用其上的力為ΔＰ，面積為ΔＡ，則ΔＡ上的平均流體靜壓強當ΔＡ縮小→ａ點時，比值趨于某一極限值，稱為ａ點的流體靜壓強：若Ｐ為常數(shù)，則第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.流體靜壓強的特性流體靜壓力、靜壓強都是壓力的一種量度，其區(qū)別在于：前者是作用在某一面積上的總壓力，后者是作用在某一面積上的平均壓力或某一點的壓力。（1）其方向垂直于作用面并指向作用面；否則，就有一個平行于作用面的切向分力，使流體失去靜止狀態(tài)。（2）任意點各方向上的流體靜壓強相等；任意點的流體靜壓強的大小與作用面方向無關(guān)，只與該點的位置有關(guān)。第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.流體靜力學(xué)的基本方程靜止狀態(tài)時，只有重力產(chǎn)生作用:P-靜水壓P1-液面上壓力-液體重度h-水深水平方向無重力前后左右各方向的水平力處于平衡狀態(tài)，合力為0。該公式為普遍關(guān)系式。第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日其中，ｐ０——液面壓強；ｐ——液體內(nèi)部某點的壓強；——容重；ｈ——深度。它表示靜止液體中，壓強隨深度按直線變化的規(guī)律。任一點的壓強由p0和ｈ兩部分組成。壓強的大小與容器的形狀無關(guān)。液面下任一點的壓強第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日規(guī)律：１.深度相同，壓強相同。由于液面是水平面，所以這些壓強相同的點組成的面是水平面，即：水平面是壓強處處相同的面。所以，水平面是等壓面。兩種不相混雜的液體的分界面也是水平面，自由表面是水深為０的各點組成的等壓面。2.液面壓強ｐ０變化ｐ０，內(nèi)部壓強ｐ隨之變化ｐ０。此即水靜壓強等值傳遞的帕斯卡定律。3.重度不同，產(chǎn)生的壓強不同。同一容器裝上不同的液體，底面壓強各不相同。注意：該規(guī)律是同種液體處于靜止、連續(xù)的條件下推出，所以，只適用于靜止、同種、連續(xù)的液體。第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓力的計量單位應(yīng)力單位用單位面積承受的力表示。國際常用1Pa=1N/m2大氣壓單位

國際規(guī)定1標準大氣壓為101325Pa。液柱高度單位

壓力大小也可用某種液柱高度表示，如1標準大氣壓等于760mm汞柱。第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日流體靜壓力的測量

測量壓力的儀表根據(jù)測量原理的不同分為液柱式、機械式、電氣式三種。

液柱式測壓計是利用液柱高度與被測壓力平衡原理制成的測壓儀表。

常用的有測壓管和U型管測壓計

第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)流體動力學(xué)基礎(chǔ)一、流體動力學(xué)基本概念1.動水壓力流動液體中，垂直于液流方向所測得的壓力。2.穩(wěn)定流：流體流動時，流速、壓力、密度等不隨時間而變。非穩(wěn)定流：流體流動時，流速、壓力、密度等隨時間而變化。3.流線：流體連續(xù)質(zhì)點在某一瞬時的流動方向線。它是光滑曲線，不相交，它的疏密可反映流速大小。跡線：流體某一質(zhì)點在連續(xù)時間內(nèi)的流動軌跡。穩(wěn)定流可用跡線代替流線。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.元流：通過微元面積上各點作流線所形成的微小流束?？偭鳎簾o數(shù)元流的總和。5.過流斷面：處處與流線垂直的橫斷面。流速：質(zhì)點運動的速度。流量：單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體體積。其中：流量和流速的關(guān)系式為：A—有效段面積。第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、穩(wěn)定流的連續(xù)方程

穩(wěn)定流動時流入的流體質(zhì)量必然等于流出流體質(zhì)量即質(zhì)量守恒方程（不可壓縮流體）：常數(shù)第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、穩(wěn)定流能量方程即伯努利方程：各項的含義：等式左邊表示為通過選定斷面單位液流所具有的總機械能，又稱總水頭。第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日其中：Z——比位能，又稱位置水頭，即以某基準面至所選橫截面指定點的位置高度。——比壓能，又稱壓力水頭，及動壓換算的高度。——比動能，又稱流速水頭，及液流從指定斷面某點處的平均流速所產(chǎn)生的水柱高度。a是動能修正系數(shù)，v是流速。第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日h——能量損失，又稱損失水頭，即液流從指定的一個斷面流到另一個斷面損失的平均水頭。實際流體伯努利方程的使用條件說明1.液流必須是穩(wěn)定流，即流量固定不變2.液流認為是均質(zhì)的不可壓縮的，即密度不變3.作用于流體上的質(zhì)量力只有重力4.所取的兩個斷面必須是漸變流過流斷面5.兩個斷面所用的壓力標準必須一致，一般多用表壓第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)流體的流動形態(tài)及

管流阻力

一、流體的流動形態(tài)及判斷層流：流體流動時，如果質(zhì)點沒有橫向脈動，不引起流體質(zhì)點的混雜，而是層次分明，能夠維持穩(wěn)定的流束。紊流：流體流動時，如果質(zhì)點具有橫向脈動，引起流體質(zhì)點的相互錯雜交換。第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、流態(tài)的判斷準則1.流態(tài)存在臨界狀態(tài)，處于層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)之間的狀態(tài)是層流到紊流的過渡2.使用雷諾數(shù)判別液體流態(tài)，能反映出流速、管徑和流體物理性質(zhì)三方面對流態(tài)的影響。第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日臨界雷諾數(shù)：工程計算中用下臨界雷諾數(shù)作為判別流動形態(tài)的標準。Re≤2000為層流。Re＞2000為紊流。第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日管流阻力計算實際流體在管道中流動時，由于流動邊界情況不同，產(chǎn)生阻力的原因也不同，通常將流動阻力分為沿程阻力和局部阻力兩大類。1.沿程阻力的計算由于粘滯力作用，在等直徑的直管內(nèi)，流體之間產(chǎn)生的摩擦力成為沿程阻力或沿程摩阻。第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日達西公式式中L——管路長度，m；

d——管內(nèi)徑，m；

V——平均流速，m／s；

g——重力加速度，m／；

——圓管層流的沿程阻力系數(shù)或水力摩阻系數(shù)，。

第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日列賓宗公式水力光滑區(qū)：第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日各流態(tài)區(qū)的A、m、

值的沿程摩阻的計算式見下表

第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日管道縱斷面圖：在直角坐標上表示管道長度與沿線高程變化的圖形稱為管道縱斷面圖第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日例題1圓管的直徑d=0.02m，流速v=0.12m/s

，水溫t=10

。試求20m管長上的沿程水頭損失。(水在10℃時的運動粘滯系數(shù)1.3*10^-6

)解：流動的雷諾數(shù)為故為層流，求沿程阻力系數(shù)為第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日沿程損失為第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日例題2某站間輸油管道內(nèi)徑為704mm，站間距為75km，輸量為2200m3/h,所輸油品粘度為3.0×10－5m2/s已知流態(tài)為紊流水力光滑區(qū)，其沿程摩阻是多少？（已知m＝0.25，β＝0.0246）解:應(yīng)用列賓宗公式第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日代入計算

可得沿程摩阻為:305.5m第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日局部阻力計算產(chǎn)生局部水頭損失的原因：（1）液流中流速的重新分布；（2）在旋渦中粘性力做功；（3）液體質(zhì)點的混摻引起的動量變化?；虻谒氖?，共五十七頁，2022年，8月28日管道的水力坡降就是單位長度管道的摩阻損失。第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日翻越點第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日液柱分離當管道受到減壓波的作用，管內(nèi)壓力降至低于溶解氣的飽和壓力時，油品中的溶解氣就會過飽和而逸出，在液體內(nèi)形成許多小氣泡。當壓力進一步下降，低于液體的飽和蒸氣壓時，管內(nèi)液體就會汽化，產(chǎn)生蒸汽。蒸汽與已形成的溶解氣泡結(jié)合，形成較大的氣團在管內(nèi)上升。液體內(nèi)氣泡傾向于停留、聚集在管道高點或某些頂端的局部位置，形成較大的氣泡區(qū)，而液體則在氣泡的下面流過，這種情況稱為液柱分離。第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)管路的水力計算管道的工作特性輸油泵的工作特性泵站工作綜合特性泵站-管道系統(tǒng)的工作特性油品交替時管道系統(tǒng)工作點的變化第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日管道的工作特性管道的工作特性系指管徑、管長一定的某管道，輸送性質(zhì)一定的某種油品時，管道壓降H隨流量Q變化的關(guān)系。其數(shù)學(xué)關(guān)系式為第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日輸油泵工作特性

固定轉(zhuǎn)速離心泵的工作特性調(diào)速泵的工作特性第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日泵站工作綜合特性

泵站的工作特性指泵站的排量和揚程的相互關(guān)系。多臺泵串聯(lián)的泵站特性多臺泵并聯(lián)的泵站