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1、1,第一章 流体流动流体：液体和气体重要性：流体的输送压强、流速、流量的测量选择适宜的流动条件某些后续章节的理论基础,2,第一节 流体静力学基本方程式1-1-1 流体的密度,3,(1)纯物质的密度 液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。气体：密度随温度、压力改变。,4,低压下可按照理想气体状态方程计算,5,气体混合物，混合前后质量不变,液体混合物，混合前后体积不变,组分的质量分数,组分的体积分数,(2)混合物的密度,6,1-1-2 流体的静压强,1 atm=1.033 kgf/cm2=760 mmHg=10.33 mH2O=1.0133 bar=1.013105 Pa,表压强
2、=绝对压强大气压强真空度=大气压强绝对压强,7,1-1-3 流体静力学基本方程式,研究Z轴方向上的力：下底面的力上底面的力重力为,8,1,2,结论：静止连续同一流体，同一水平面上各点压强相等P0改变时，液体内部各点压强也随之改变压强差的大小可用液柱高度表示,9,静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体,A，A等压,B，B不等压,10,U管压差计,动画03,1-1-4 流体静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量1、U管压差计,11,根据流体静力学基本方程式可得,于是,12,上式化简，得,若,若U管的一端与被测流体连接，另一端与大气相通，此时读数反映的是被测流体的表压强,则,
3、13,2、倾斜液柱压差计,倾斜液柱压差计,微差压差计,3、微差压差计,14,4、压力表测量,15,二、液位的测量,16,三、液封高度的计算 容器内为正压,17,容器内为负压,18,第二节 流体在管内的流动1-2-1流量与流速体积流量：Vs m3/s质量流量：ws kg/s 关系：ws=Vs 流速：u m/s“各点流速”vs“平均流速”流速与流量关系：,流量,19,1-2-2 定态流动与非定态流动 流体的一些物理量参数（如流速、压强、密度等）仅与位置有关，与时间无关，称为定态流动；反之，称为非定态流动。1-2-3 连续性方程式,20,由物料平衡：,21,伯努利方程式的推导1-换热器 2-泵,基准
4、面,稳态流动系统,流体从截面1-1流入,从截面2-2流出,泵,换热器,1-2-4 能量衡算方程式一、流动系统的总能量衡算,22,衡算基准：1kg流体考察进出系统的能量：J/kg1、内能：U U1 U22、位能：mgZ gZ gZ1 gZ2 3、动能：mu2/2 u2/2 u12/2 u22/2 4、静压能：p11 p225、热 Qe 功We由总的能量守恒：,机械能,23,二、流动系统的机械能衡算式与柏努利方程1、流动系统的机械能衡算式,24,2、柏努利方程,不可压缩流体,25,讨论：1、柏努利方程表示各种机械能相互转化,“奥林匹克”号和“豪克”号海难,注意,26,2、3、可压缩流体仍能适用4、
5、u=0，则变成流体静力学方程式,27,位压头,动压头,静压头,有效压头,压头损失,总压头,5、形式可以多样,冲压头,28,1-2-5 柏努利方程的应用一、确定管道中流体流量,20oC的空气在直径80 mm的水平管中流过，管路中接一文丘里管，文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20mm的喉颈处接一细管，其下部插入水槽中。空气流过文丘里管的能量损失不计。当U管压差计的读数R=25 mm，h=0.5 m时，求此时空气流量？（当地大气压101.33103 Pa）,29,解：先选取基准面和截面,30,31,二、确定设备间的相对位置,H,如图输水系统，水箱内水面维持恒定，输水管直径为603mm，输水
6、量为18.3 m3/h，水流经全部管道（不包括排出口）的能量损失可按 计算，求1、水箱中水面必须高出排出口的高度H2、若输水量增加5%，管路的直径及其布置不变，管路能量损失仍按上述公式计算，则水箱内的水面将上升多少米？,32,解：基准面：截面2-2的中心线 截面：水箱水面为上游截面 1-1，出口内侧为下游截面 2-2,33,所以水面要升高8.58-7.79=0.79米,34,三、确定输送设备的有效功率,用泵将贮液池中常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，输水管直径为763mm，排水管出口喷头连接处的压强为6.15104Pa，（表压），送水量为34.5m3/h，水流经全部管道（不包括喷头
7、）的能量损失为160J/kg，求泵的有效功率,35,解：,36,四、确定管路中流体的压强五、解题要点1、作图，确定衡算范围2、截面的选取3、基准水平面的选取4、截面上的压强5、单位,37,6、注意截面处不允许有急变流动，但所选取的两截面间允许有急变流动,38,第三节 流体的流动现象1-3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律,39,内摩擦应力/剪应力,40,二、牛顿流体和非牛顿流体与时间无关的粘性流体与时间有关的粘性流体,41,牛顿型流体与非牛顿型流体的流变图,O,a-牛顿型流体；b-假塑性流体；c-胀塑性流体；,非牛顿型流体的流动特性,d-宾汉塑性流体。,剪切速率,42,与时间无关的
8、黏性流体,假塑性流体(pseudo plastic fluid),n为流动特性指数，n 1。K 称为稠度系数。,大多数非牛顿型流体属于此种类型，如聚合物溶液或熔融体、油脂、淀粉溶液等。,O,切稀,43,这类流体在流动时，表观黏度随剪切速率的增大而增大。某些湿沙，含有硅酸钾、阿拉伯树胶等的水溶液均属于胀塑性流体。,胀塑性流体(dilatant fluid),n 1时称为胀塑性流体,O,与时间无关的黏性流体,切稠,44,某些液体，如润滑脂、牙膏、纸浆、污泥、泥浆等属于宾汉塑性流体,宾汉塑性流体(bingham plastic fluid),O,其中0为屈服应力，Pa;为刚性系数，Pas。,与时间无
9、关的黏性流体,45,与时间有关的黏性流体,1.触变性流体（thixotropic fluid）2.流凝性流体（rheopectic fluid）,46,1-3-3 流动类型与雷诺准数一、雷诺实验：,雷诺实验装置1-小瓶 2-细管 3-水箱 4-水平玻璃管 5-阀门 6-溢流装置,47,48,流线,49,流动类型：滞流（层流）湍流（紊流）过渡流,动画,50,雷诺准数的提出：,Re2000时为滞流，Re4000时为湍流工程上：Re3000时为湍流,51,二、流体在管内的速度分布,滞流,湍流,滞流内层,52,湍流时u与umax的关系,53,第四节 流体在管内的流动阻力,直管阻力hf局部阻力hf 一、
10、直管阻力,影响摩擦系数的因素：管壁粗糙度 雷诺数,54,绝对粗糙度,壁面凸出部分的平均高度，以表示。,相对粗糙度,绝对粗糙度与管径的比值，即/d。,55,滞流时的摩擦系数：与管壁粗糙度无关 湍流时的摩擦系数：复杂 因次分析法,56,完全湍流区,过渡区,湍流区,层流区,57,流体在非圆形直管内的流动阻力,在湍流情况下，实验表明，对非圆形截面的通道，可以找到一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替。,式中 流道的润湿周边长度，m；A流道的截面积，m2。,当量直径,水力半径,圆形管：,58,二、局部阻力1、阻力系数法 突然扩大与突然缩小,59,进口与出口：c=0.5 e=1 结合p28进行验证 管件与
11、阀门：查手册2、当量长度法三、管路系统的总阻力损失,60,共线图,61,第五节 管路计算三种情况:1、管径、管长、管件、阀门位置、流体输送量 能量损失2、管径、管长、管件、阀门位置、允许能量损失流体输送量3、管长、管件、阀门当量长度、流体输送量、允许能量损失管径第2和3两种情况：流速或管径未知Re不能计算不能判断流型不能确定摩擦系数常用方法:试差法,62,常用方法:试差法,假设一个,计算流速,计算,计算,比较,63,并联管路分支管路,复杂管路,64,对于支管1，有,对于支管2，有,并联管路：在A、B 两截面之间列伯努利方程。,65,所以，并联管路中流动应满足：,尽管各支管的长度、直径相差悬殊，
12、但单位质量的流体流经两支管的能量损失必然相等，即,主管中的流率等于各支管流率之和，即,66,分支管路：以分支点C处为上游截面，分别对支管A和支管B列伯努利方程，得,67,所以，分支管路中流动应满足:,对于分支管路，单位质量流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等，即,主管中的流率等于各支管流率之和，即,68,并联管路与分支管路的计算内容有:已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管的流量；已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置，要求选择合适的管径；在已知的输送条件下，计算输送设备应提供的功率。,69,第六节 流量测量一、测速管（皮托管Pitot）,测速管又称毕托(Pitot)管。测速
13、管测定的流速是管道截面上某一点的局部值，称为点速度。,动画,70,1-静压管2-冲压管,测静压能,测动能和静压能之和,71,求出某一点的流速 平均流速注意：测速管的外管直径不大于管道内径的1/50,72,计算用图,73,二、孔板流量计,缩脉,孔板,74,75,C1：对能量损失的校正,C2：对角接取压的校正,76,应用不可压缩流体的连续性方程,孔板小孔截面积,管道截面积,令,77,则上式变为,体积流率为,质量流率,Co称为流量系数或孔流系数，其值与Re、面积比Ao/A1以及取压法有关，需由实验测定,78,79,三、文丘里流量计,80,四、转子流量计,动画,81,转子所受压力差=转子所受重力转子所受浮力,82,校正液体：,气体：,83,转子流量计特点：读数方便、能量损失小、测量范围宽、可用于腐蚀性流体的测量不能经受高温高压、必须垂直孔板、文丘里流量计与转子流量计区别:孔板、文丘里流量计为差压流量计转子流量计为截面流量计,
