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文檔簡介

2024/7/412024/7/422024/7/43②連續(xù)介質(zhì)假定

假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)(或微團(tuán))所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點(diǎn):由大量分子構(gòu)成的微團(tuán),其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。工程意義:利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具,從宏觀研究流體。

2024/7/44③流體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化,如液體;可壓縮性流體:流體的體積隨壓力發(fā)生變化,如氣體。2024/7/45一、壓力流體垂直作用于單位面積上的力,稱為流體的靜壓強(qiáng),習(xí)慣上又稱為壓力。

1.壓力的單位

SI制:N/m2或Pa;標(biāo)準(zhǔn)大氣壓:1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O第一節(jié)流體靜力學(xué)2024/7/462.

壓力的表示方法

絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測得的壓力。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓力。2024/7/47表壓=絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力

絕對(duì)壓力

絕對(duì)真空

表壓

真空度

大氣壓

2024/7/48流體壓力與作用面垂直,并指向該作用面;任意界面兩側(cè)所受壓力,大小相等、方向相反;作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。3.靜壓力的特性2024/7/49二、流體的密度與比體積(一)密度單位體積流體的質(zhì)量。kg/m3

1.單組分密度液體密度僅隨溫度變化(極高壓力除外),其變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。2024/7/410氣體當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí),可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算:

注意:手冊(cè)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,則需進(jìn)行換算。2024/7/4112.混合物的密度混合氣體各組分在混合前后質(zhì)量不變,則有

——?dú)怏w混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。

或——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量;

——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾(體積)分?jǐn)?shù)。

2024/7/412混合液體假設(shè)各組分在混合前后體積不變,則有

——液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(二)比體積單位質(zhì)量流體的體積。m3/kg2024/7/413重力場中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析:(1)上端面所受總壓力(2)下端面所受總壓力(3)液柱的重力設(shè)流體不可壓縮,p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下三、流體靜力學(xué)基本方程式

2024/7/414液柱處于靜止時(shí),上述三力的合力為零:——靜力學(xué)基本方程式壓力形式能量形式2024/7/415討論:(1)適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體;(2)物理意義:——單位質(zhì)量流體所具有的位能,J/kg;——單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能,J/kg。在同一靜止流體中,處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同,但二者可以轉(zhuǎn)換,其總和保持不變。2024/7/416(3)在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi),處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。(4)壓力具有傳遞性:液面上方壓力變化時(shí),液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。

2024/7/417四、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用(一)壓力測量

1.U形管液柱壓差計(jì)

設(shè)指示液的密度為,被測流體的密度為。

A與A′面為等壓面,即而p1p2mRAA’2024/7/418所以整理得若被測流體是氣體,,則有2024/7/419討論:①U形管壓差計(jì)可測系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差,當(dāng)將U形管一端與被測點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí),也可測得流體的表壓或真空度;

②指示液的選?。褐甘疽号c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。應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。

2024/7/4202.倒U形管壓差計(jì)

指示劑密度小于被測流體密度,如空氣作為指示劑

2024/7/4213.斜管壓差計(jì)

適用于壓差較小的情況。

值越小,讀數(shù)放大倍數(shù)越大。

2024/7/422密度接近但不互溶的兩種指示液A和C;4.微差壓差計(jì)

擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。2024/7/423(二)液位測量

1.近距離液位測量裝置

壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。

液面越高,h越小,壓差計(jì)讀數(shù)R越小;當(dāng)液面達(dá)到最高時(shí),h為零,R亦為零。2024/7/4242.遠(yuǎn)距離液位測量裝置

管道中充滿氮?dú)猓涿芏容^小,近似認(rèn)為

而所以

AB2024/7/425(三)

液封高度的計(jì)算

液封作用:確保設(shè)備安全:當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí),氣體從液封管排出;防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。液封高度:2024/7/426第二節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)的基本方程1.體積流量

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。

qV——m3/s或m3/h2.質(zhì)量流量單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。

qm——kg/s或kg/h。

二者關(guān)系:(一)流量一、流量與流速2024/7/427(二)流速2.質(zhì)量流速

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。流速(平均流速)單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。

kg/(m2·s)流量與流速的關(guān)系:

m/s2024/7/428對(duì)于圓形管道:流量qV一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇:3.管徑的估算

↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓流動(dòng)阻力↑→動(dòng)力消耗↑

→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)2024/7/429

二、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng):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(shí)間變化;

非穩(wěn)態(tài)流動(dòng):流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化,也隨時(shí)間變化。2024/7/430三、連續(xù)性方程式對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng),在管路中流體沒有增加和漏失的情況下:

推廣至任意截面

——連續(xù)性方程式11

2

22024/7/431不可壓縮性流體,圓形管道:即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。2024/7/432四、伯努利方程式(一)伯努利方程式dxpA(p+dp)A

gdmdz在x方向上對(duì)微元段受力分析:(1)兩端面所受壓力分別為及(2)重力的分量故合力為2024/7/433動(dòng)量變化率動(dòng)量原理——伯努利方程式

不可壓縮性流體,(1)2024/7/434(二)伯努利方程式的物理意義——單位質(zhì)量流體所具有的位能,J/kg;——單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能,J/kg;——單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能,J/kg。各項(xiàng)意義:2024/7/435將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g:(2)式中各項(xiàng)單位為z——位壓頭——?jiǎng)訅侯^——靜壓頭總壓頭2024/7/436式(1)為以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式,式(2)為以重量流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算式,表明理想流體在流動(dòng)過程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù),三種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換。2024/7/437Hz22102024/7/438五、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式(一)實(shí)際流體機(jī)械能衡算式2024/7/439(2)外加功(外加壓頭)1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為W

(J/kg)。(1)能量損失(壓頭損失)設(shè)1kg流體損失的能量為Σhf(J/kg)。(3)(4)或——伯努利方程式

2024/7/440其中He——外加壓頭或有效壓頭,m;Σhf——壓頭損失,m。(二)伯努利方程的討論

(1)若流體處于靜止,u=0,Σhf=0,W=0,則柏努利方程變?yōu)檎f明柏努利方程即表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律。2024/7/441W、Σhf——在兩截面間單位質(zhì)量流體獲得或消耗的能量。(2)zg、、——某截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能和靜壓能;有效功率:軸功率:2024/7/442(3)伯努利方程式適用于不可壓縮性流體。對(duì)于可壓縮性流體,當(dāng)時(shí),仍可用該方程計(jì)算,但式中的密度ρ應(yīng)以兩截面的平均密度ρm代替。2024/7/443(三)伯努利方程的應(yīng)用

管內(nèi)流體的流量;輸送設(shè)備的功率;管路中流體的壓力;容器間的相對(duì)位置等。利用伯努利方程與連續(xù)性方程,可以確定:2024/7/444(1)根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖,標(biāo)明流體的流動(dòng)方向,定出上、下游截面,明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍;(2)位能基準(zhǔn)面的選取必須與地面平行;宜于選取兩截面中位置較低的截面;若截面不是水平面,而是垂直于地面,則基準(zhǔn)面應(yīng)選過管中心線的水平面。

2024/7/445(4)各物理量的單位應(yīng)保持一致,壓力表示方法也應(yīng)一致,即同為絕壓或同為表壓。

(3)截面的選取與流體的流動(dòng)方向相垂直;兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng);截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。

2024/7/446(一)牛頓粘性定律

或Fuu+dudy式中:F——內(nèi)摩擦力,N;

τ——剪應(yīng)力,Pa;

——法向速度梯度,1/s;μ——比例系數(shù),稱為流體的粘度,Pa·s。

一、流體的粘度

第三節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象2024/7/447(二)流體的粘度

(動(dòng)力粘度)1.粘度的物理意義

流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。液體:T↑→

↓氣體:一般T↑→

↑超高壓p↑→

↑粘度的物理本質(zhì):分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。2024/7/4482.粘度的單位SI制:Pa·s或kg/(m·s)物理制:cP(厘泊)換算關(guān)系1cP=10-3Pa·s3.運(yùn)動(dòng)粘度粘度μ與密度ρ之比。m2/s2024/7/449(三)剪應(yīng)力與動(dòng)量通量分子動(dòng)量傳遞是由于流體層之間速度不同,動(dòng)量由速度大處向速度小處傳遞。動(dòng)量通量:單位時(shí)間、通過單位面積傳遞的動(dòng)量。剪應(yīng)力=動(dòng)量通量2024/7/450——?jiǎng)恿繚舛忍荻取\(yùn)動(dòng)粘度或動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)動(dòng)量通量=-動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)

動(dòng)量濃度梯度2024/7/451牛頓型流體:剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓粘性定律的流體;非牛頓型流體:不符合牛頓粘性定律的流體。

(四)牛頓型流體與非牛頓型流體2024/7/452二、流體流動(dòng)類型與雷諾數(shù)

(一)雷諾實(shí)驗(yàn)2024/7/453層流(或滯流):流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng),質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng),質(zhì)點(diǎn)之間互不混合;湍流(或紊流):流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外,還有徑向脈動(dòng),各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化,質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。(二)流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

無因次數(shù)群2024/7/454判斷流型Re≤2000時(shí),流動(dòng)為層流,此區(qū)稱為層流區(qū);Re≥4000時(shí),一般出現(xiàn)湍流,此區(qū)稱為湍流區(qū);2000<

Re<4000

時(shí),流動(dòng)可能是層流,也可能是湍流,該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。2.物理意義

Re反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的對(duì)比關(guān)系,標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。

2024/7/455三、

流體在圓管內(nèi)的速度分布(一)層流時(shí)的速度分布

2024/7/456由壓力差產(chǎn)生的推力

流體層間內(nèi)摩擦力

管壁處r=R時(shí),=0,可得速度分布方程

2024/7/457管中心流速為最大,即r=0時(shí),=umax

管截面上的平均速度:即層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2。

即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí),其速度呈拋物線分布。2024/7/458(二)湍流時(shí)的速度分布

剪應(yīng)力:e為湍流粘度,與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。

湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式:2024/7/459n與Re有關(guān),取值如下:

1/7次方定律當(dāng)時(shí),流體的平均速度:2024/7/460湍流流動(dòng)時(shí):2024/7/461湍流流動(dòng)時(shí)沿徑向分為三層:湍流主體過渡層層流內(nèi)層2024/7/462第四節(jié)

管內(nèi)流體流動(dòng)的摩擦阻力損失直管阻力:流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(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大小及方向的改變而引起的阻力。

一、直管阻力(一)阻力的表現(xiàn)形式

2024/7/463流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。2024/7/464若管道為傾斜管,則

流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少;水平安裝時(shí),流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。

2024/7/465(二)直管阻力的通式

由于壓力差而產(chǎn)生的推動(dòng)力:流體的摩擦力:令

定態(tài)流動(dòng)時(shí)2024/7/466——直管阻力通式(范寧Fanning公式)

其它形式:——摩擦系數(shù)(摩擦因數(shù))

J/kg壓頭損失m壓力損失Pa該公式層流與湍流均適用;注意與的區(qū)別。2024/7/467(三)層流時(shí)的摩擦系數(shù)

速度分布方程又——哈根-泊謖葉

(Hagen-Poiseuille)方程

2024/7/468能量損失層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比。變形:比較得2024/7/469(四)湍流時(shí)的摩擦系數(shù)1.量綱分析法

目的:(1)減少實(shí)驗(yàn)工作量;(2)結(jié)果具有普遍性,便于推廣?;A(chǔ):量綱一致性即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等,而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的量綱。2024/7/470基本定理:白金漢(Buckingham)π定理設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè),這些變量的基本因次數(shù)為m個(gè),則該物理現(xiàn)象可用N=(n-m)個(gè)獨(dú)立的無量綱數(shù)群表示。

湍流時(shí)壓力損失的影響因素:(1)流體性質(zhì):

(2)流動(dòng)的幾何尺寸:d,l,

(管壁粗糙度)(3)流動(dòng)條件:u2024/7/471物理變量n=7基本量綱m=3無量綱數(shù)群N=n-m=4無量綱化處理式中:——?dú)W拉(Euler)準(zhǔn)數(shù)即該過程可用4個(gè)無量綱數(shù)群表示。2024/7/472——相對(duì)粗糙度——管道的幾何尺寸——雷諾數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知,流體流動(dòng)阻力與管長成正比,即

或2024/7/473莫狄(Moody)摩擦因數(shù)圖:2024/7/474(1)層流區(qū)(Re≤2000)

λ與無關(guān),與Re為直線關(guān)系,即,即與u的一次方成正比。(2)過渡區(qū)(2000<Re<4000)將湍流時(shí)的曲線延伸查取λ值。(3)湍流區(qū)(Re≥4000以及虛線以下的區(qū)域)

2024/7/475(4)完全湍流區(qū)

(虛線以上的區(qū)域)

λ與Re無關(guān),只與有關(guān)。該區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。一定時(shí),經(jīng)驗(yàn)公式:柏拉修斯(Blasius)式:適用光滑管,Re=2.5×103~1052024/7/4762.管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響光滑管:玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等;粗糙管:鋼管、鑄鐵管等。絕對(duì)粗糙度:管道壁面凸出部分的平均高度。相對(duì)粗糙度:絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑的比值。層流流動(dòng)時(shí):流速較慢,與管壁無碰撞,阻力與

無關(guān),只與Re有關(guān)。2024/7/477湍流流動(dòng)時(shí):水力光滑管

只與Re有關(guān),與無關(guān)完全湍流粗糙管

只與有關(guān),與Re無關(guān)2024/7/478(五)非圓形管內(nèi)的流動(dòng)阻力

當(dāng)量直徑:

套管環(huán)隙,內(nèi)管的外徑為d1,外管的內(nèi)徑為d2:邊長分別為a、b的矩形管:2024/7/479說明:(1)Re與hf中的直徑用de計(jì)算;(2)層流時(shí):正方形

C=57套管環(huán)隙C=96(3)流速用實(shí)際流通面積計(jì)算。2024/7/480二、局部阻力(一)阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。

ζ——局部阻力系數(shù)

J/kgJ/N=m2024/7/4811.突然擴(kuò)大2024/7/4822.突然縮小2024/7/4833.管進(jìn)口及出口進(jìn)口:流體自容器進(jìn)入管內(nèi)。

ζ進(jìn)口=0.5進(jìn)口阻力系數(shù)出口:流體自管子進(jìn)入容器或從管子排放到管外空間。

ζ出口=1出口阻力系數(shù)4.管件與閥門2024/7/4842024/7/4852024/7/486蝶閥2024/7/4872024/7/4882024/7/489(二)當(dāng)量長度法將流體流過管件或閥門的局部阻力,折合成直徑相同、長度為le的直管所產(chǎn)生的阻力。le——

管件或閥門的當(dāng)量長度,m。2024/7/490三、流體在管路中的總阻力減少流動(dòng)阻力的途徑:管路盡可能短,盡量走直線,少拐彎;盡量不安裝不必要的管件和閥門等;管徑適當(dāng)大些。2024/7/491第五節(jié)

管路計(jì)算

一、簡單管路

(一)特點(diǎn)

(1)流體通過各管段的質(zhì)量流量不變,對(duì)于不可壓縮流體,則體積流量也不變。

(2)整個(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失之和。qV1,d1qV3,d3qV2,d2不可壓縮流體2024/7/492(二)管路計(jì)算(1)摩擦損失計(jì)算

已知:流量qV

、管長l,管件和閥門,管徑d,粗糙度

求:∑hf2024/7/493已知:管子d、、l,管件和閥門,供液點(diǎn)z1.p1,

需液點(diǎn)的z2.p2,輸送機(jī)械W;求:流體的流速u及供液量qV。

(2)流量計(jì)算

湍流區(qū):2024/7/494試差法計(jì)算流速的步驟:(1)根據(jù)柏努利方程列出試差等式;(2)試差:符合?可初設(shè)阻力平方區(qū)之值注意:若已知流動(dòng)處于阻力平方區(qū)或?qū)恿?,則無需試差,可直接解析求解。2024/7/495已知:流量qV,管子、l,管件和閥門,供液點(diǎn)z1.p1,需液點(diǎn)的z2.p2,輸送機(jī)械W等;求:管徑d。

(3)管徑計(jì)算

用試差法解決。2024/7/496(三)阻力對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響pApBpaF11

22

AB

閥門F開度減小時(shí):(1)閥關(guān)小,閥門局部阻力系數(shù)

hf,A-B

↑→流速u↓→即流量↓;

2024/7/497(2)在1-A之間,由于流速u↓→

hf,1-A

→pA↑

;

(3)在B-2之間,由于流速u↓→hf,B-2

→pB↓。

結(jié)論:(1)當(dāng)閥門關(guān)小時(shí),其局部阻力增大,將使管路中流量下降;(2)下游阻力的增大使上游壓力上升;(3)上游阻力的增大使下游壓力下降??梢?,管路中任一處的變化,必將帶來總體的變化,因此必須將管路系統(tǒng)當(dāng)作整體考慮。2024/7/498二、復(fù)雜管路(一)并聯(lián)管路

AqVqV1qV2qV3B1.特點(diǎn):(1)主管中的流量為并聯(lián)的各支路流量之和;2024/7/499(2)并聯(lián)管路中各支路的能量損失均相等。

不可壓縮流體注意:計(jì)算并聯(lián)管路阻力時(shí),僅取其中一支路即可,不能重復(fù)計(jì)算。2024/7/41002.流量分配而支管越長、管徑越小、阻力系數(shù)越大——流量越?。环粗髁吭酱?。2024/7/4101COAB分支管路COAB匯合管路(二)分支管路與匯合管路

2024/7/4102特點(diǎn):(1)主管中的流量為各支路流量之和;不可壓縮性流體(2)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。

2024/7/4103第六節(jié)流量的測定一、測速管(皮托管)(一)結(jié)構(gòu)(二)原理內(nèi)管A處外管B處2024/7/4104點(diǎn)速度:即討論:(1)皮托管測量流體的點(diǎn)速度,可測速度分布曲線;2024/7/4105(三)安裝(1)測量點(diǎn)位于均勻流段,上、下游各有50d直管距離;(2)皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動(dòng)方向;(3)皮托管外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50,即d0<d/50。(2)流量的求?。河伤俣确植?/p>

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