流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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(dòng)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(dòng)性。第3頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體的主要物理性質(zhì)一、流體的密度、重度和相對(duì)密度1．密度（1）定義：?jiǎn)挝惑w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4頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．重度（1）定義：?jiǎn)挝惑w積的重量。（2）公式：其中——N/m3，g——N，V——m3第5頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．相對(duì)密度相對(duì)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(duì)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(qiáng)有關(guān)。第6頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、流體的壓縮性和膨脹性1．壓縮性：T不變時(shí)，P增大，V隨之減小的性質(zhì)。2．膨脹性：P不變，T升高時(shí)，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(wú)粘性流體、不可壓縮流體）第7頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月體積壓縮系數(shù)

其物理意義是：當(dāng)溫度不變時(shí)，每增加單位壓力所產(chǎn)生的流體體積的相對(duì)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8頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.粘性

定義：指當(dāng)流體微團(tuán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)。

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

（1）動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度μ，也稱絕對(duì)粘度，單位N·S/m2第9頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月或Pa·S。（2）運(yùn)動(dòng)粘度

在研究流體流動(dòng)時(shí)，常使用運(yùn)動(dòng)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(duì)其影響更大。溫度升高時(shí)液體動(dòng)力粘度降低，氣體動(dòng)力粘度增大。第10頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)基本概念1.相對(duì)壓強(qiáng)

以大氣壓強(qiáng)為零點(diǎn)起算的壓強(qiáng)。它表示給出的壓強(qiáng)比周圍大氣壓大多少。2.絕對(duì)壓強(qiáng)

以沒(méi)有一點(diǎn)氣體存在的絕對(duì)真空為零點(diǎn)起算的壓強(qiáng)?；颍簭慕^對(duì)零點(diǎn)起算的壓強(qiáng)（一個(gè)容器中的氣體完全抽空時(shí)，其壓強(qiáng)為絕對(duì)零）。它是流體的全部壓強(qiáng)。絕對(duì)壓強(qiáng)ｐ’不能為負(fù)，它和相對(duì)ｐａ相比，可大，可小。因此，ｐ可正可負(fù)。當(dāng)ｐ為正時(shí)，稱正壓（即表壓）。當(dāng)ｐ為負(fù)時(shí)，稱負(fù)壓，其絕對(duì)值為真空度（即真空表讀數(shù)）。

ｐ’=ｐ+ｐａ第11頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.圖解絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度的關(guān)系絕對(duì)壓強(qiáng)基準(zhǔn)0壓強(qiáng)p大氣壓強(qiáng)pa相對(duì)壓強(qiáng)基準(zhǔn)0A絕對(duì)壓強(qiáng)p’AA相對(duì)壓強(qiáng)pABB真空度PBB絕對(duì)壓強(qiáng)p’BpaA第12頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單位1.pa或N/m22.液柱高度mH2O;mmH2O。理想流體為簡(jiǎn)化所研究的問(wèn)題,認(rèn)定沒(méi)有粘性的流體為理想流體。第13頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)時(shí)，由于克服了流動(dòng)阻力，一部分機(jī)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14頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流態(tài)1.層流：流層間互不摻混，流線平行。2.紊流：各質(zhì)點(diǎn)間強(qiáng)烈摻混，運(yùn)動(dòng)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15頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水力坡降i為水力坡度，即單位管段長(zhǎng)度上的摩阻損失，m/m。l為管段長(zhǎng)度，m。第16頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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(dòng)。一、流體靜壓力及其特性1.流體靜壓力:由處于靜止或相對(duì)靜止的均質(zhì)流體施加的力。Or：作用在整個(gè)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(qiáng)。第17頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一水箱，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(qiáng)當(dāng)ΔＡ縮小→ａ點(diǎn)時(shí)，比值趨于某一極限值，稱為ａ點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)：若Ｐ為常數(shù)，則第18頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.流體靜壓強(qiáng)的特性流體靜壓力、靜壓強(qiáng)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(diǎn)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(gè)平行于作用面的切向分力，使流體失去靜止?fàn)顟B(tài)。（2）任意點(diǎn)各方向上的流體靜壓強(qiáng)相等；任意點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)的大小與作用面方向無(wú)關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。第19頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.流體靜力學(xué)的基本方程靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(wú)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20頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其中，ｐ０——液面壓強(qiáng)；ｐ——液體內(nèi)部某點(diǎn)的壓強(qiáng)；——容重；ｈ——深度。它表示靜止液體中，壓強(qiáng)隨深度按直線變化的規(guī)律。任一點(diǎn)的壓強(qiáng)由p0和ｈ兩部分組成。壓強(qiáng)的大小與容器的形狀無(wú)關(guān)。液面下任一點(diǎn)的壓強(qiáng)第21頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)律：１.深度相同，壓強(qiáng)相同。由于液面是水平面，所以這些壓強(qiáng)相同的點(diǎn)組成的面是水平面，即：水平面是壓強(qiáng)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(diǎn)組成的等壓面。2.液面壓強(qiáng)ｐ０變化ｐ０，內(nèi)部壓強(qiáng)ｐ隨之變化ｐ０。此即水靜壓強(qiáng)等值傳遞的帕斯卡定律。3.重度不同，產(chǎn)生的壓強(qiáng)不同。同一容器裝上不同的液體，底面壓強(qiáng)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22頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓力的計(jì)量單位應(yīng)力單位用單位面積承受的力表示。國(guó)際常用1Pa=1N/m2大氣壓?jiǎn)挝?/p>

國(guó)際規(guī)定1標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓等于760mm汞柱。第23頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體靜壓力的測(cè)量

測(cè)量壓力的儀表根據(jù)測(cè)量原理的不同分為液柱式、機(jī)械式、電氣式三種。

液柱式測(cè)壓計(jì)是利用液柱高度與被測(cè)壓力平衡原理制成的測(cè)壓儀表。

常用的有測(cè)壓管和U型管測(cè)壓計(jì)

第24頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、流體動(dòng)力學(xué)基本概念1.動(dòng)水壓力流動(dòng)液體中，垂直于液流方向所測(cè)得的壓力。2.穩(wěn)定流：流體流動(dòng)時(shí)，流速、壓力、密度等不隨時(shí)間而變。非穩(wěn)定流：流體流動(dòng)時(shí)，流速、壓力、密度等隨時(shí)間而變化。3.流線：流體連續(xù)質(zhì)點(diǎn)在某一瞬時(shí)的流動(dòng)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(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的流動(dòng)軌跡。穩(wěn)定流可用跡線代替流線。第25頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.元流：通過(guò)微元面積上各點(diǎn)作流線所形成的微小流束?？偭鳎簾o(wú)數(shù)元流的總和。5.過(guò)流斷面：處處與流線垂直的橫斷面。流速：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度。流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)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26頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)定流的連續(xù)方程

穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)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27頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、穩(wěn)定流能量方程即伯努利方程：各項(xiàng)的含義：等式左邊表示為通過(guò)選定斷面單位液流所具有的總機(jī)械能，又稱總水頭。第28頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其中：Z——比位能，又稱位置水頭，即以某基準(zhǔn)面至所選橫截面指定點(diǎn)的位置高度?！葔耗?，又稱壓力水頭，及動(dòng)壓換算的高度?！葎?dòng)能，又稱流速水頭，及液流從指定斷面某點(diǎn)處的平均流速所產(chǎn)生的水柱高度。a是動(dòng)能修正系數(shù)，v是流速。第29頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月h——能量損失，又稱損失水頭，即液流從指定的一個(gè)斷面流到另一個(gè)斷面損失的平均水頭。實(shí)際流體伯努利方程的使用條件說(shuō)明1.液流必須是穩(wěn)定流，即流量固定不變2.液流認(rèn)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(gè)斷面必須是漸變流過(guò)流斷面5.兩個(gè)斷面所用的壓力標(biāo)準(zhǔn)必須一致，一般多用表壓第30頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)流體的流動(dòng)形態(tài)及

管流阻力

一、流體的流動(dòng)形態(tài)及判斷層流：流體流動(dòng)時(shí)，如果質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有橫向脈動(dòng)，不引起流體質(zhì)點(diǎn)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(dòng)時(shí)，如果質(zhì)點(diǎn)具有橫向脈動(dòng)，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相互錯(cuò)雜交換。第31頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、流態(tài)的判斷準(zhǔn)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(guò)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(duì)流態(tài)的影響。第32頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月臨界雷諾數(shù)：工程計(jì)算中用下臨界雷諾數(shù)作為判別流動(dòng)形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。Re≤2000為層流。Re＞2000為紊流。第33頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管流阻力計(jì)算實(shí)際流體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)邊界情況不同，產(chǎn)生阻力的原因也不同，通常將流動(dòng)阻力分為沿程阻力和局部阻力兩大類。1.沿程阻力的計(jì)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34頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月達(dá)西公式式中L——管路長(zhǎng)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35頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月列賓宗公式水力光滑區(qū)：第36頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各流態(tài)區(qū)的A、m、

值的沿程摩阻的計(jì)算式見(jiàn)下表

第37頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管道縱斷面圖：在直角坐標(biāo)上表示管道長(zhǎng)度與沿線高程變化的圖形稱為管道縱斷面圖第38頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題1圓管的直徑d=0.02m，流速v=0.12m/s

，水溫t=10

。試求20m管長(zhǎng)上的沿程水頭損失。(水在10℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)1.3*10^-6

)解：流動(dòng)的雷諾數(shù)為故為層流，求沿程阻力系數(shù)為第39頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沿程損失為第40頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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41頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代入計(jì)算

可得沿程摩阻為:305.5m第42頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月局部阻力計(jì)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(diǎn)的混摻引起的動(dòng)量變化?；虻?3頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管道的水力坡降就是單位長(zhǎng)度管道的摩阻損失。第44頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月翻越點(diǎn)第45頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液柱分離當(dāng)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(shí)，油品中的溶解氣就會(huì)過(guò)飽和而逸出，在液體內(nèi)形成許多小氣泡。當(dāng)壓力進(jìn)一步下降，低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，管內(nèi)液體就會(huì)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(tuán)在管內(nèi)上升。液體內(nèi)氣泡傾向于停留、聚集在管道高點(diǎn)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(guò)，這種情況稱為液柱分離。第46頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)管路的水力計(jì)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(shí)管道系統(tǒng)工作點(diǎn)的變化第47頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管道的工作特性管道的工作特性系指管徑、管長(zhǎng)一定的某管道，輸送性質(zhì)一定的某種油品時(shí)，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48頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第49頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輸油泵工作特性

固定轉(zhuǎn)速離心泵的工作特性調(diào)速泵的工作特性第50頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泵站工作綜合特性

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