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1、我们身边的科普知识,油品码头公司能源管理部油品码头公司技术一科,伯努利效应与流量计原理,顺序播放,前 言,奇妙的船吸现象,伯努利其人,伯努利效应及定律,伯努利效应的应用,伯努利方程式,文氏锥管流量计及原理,结 语,请选择,“科学有点儿像你呼吸的空气它无处不在”德怀特戴维艾森豪威尔 美国第34任总统,Dwight David Eisenhower（18901969）,一句朴实而又充满哲理的话，向我们道出了科学与生活的关系科学无处不在，它主宰着我们的生活、工作、学习的方方面面。没有人能够摆脱科学而生活，也无法想象没有科学的世界将是怎样一个面目。,前言,回目录,本科普知识推广是针对港内蒸汽流量计的原
2、理而制作的。同时希望广大技术人员积极推荐科普知识素材和理论支持，并恳请对我们工作中出现的理论等问题提出批评和指导。,既然我们每天都被科学包围着，那么我们又对它们了解多少呢。港口的各种作业设备、各种作业现象实际都蕴含着很多的科学知识，但据了解我们很多人却对其了解的很少。因此公司相关部门将开展一个闲暇时间的科普知识推广活动，用此形式向广大的科普爱好者和技术人员教授科普知识。,回目录,1912年9月20日,隶属于英国白星航运公司奥林匹克号邮轮当时世界上最大的轮船之一 离开南安普敦的海洋码头，开往纽约。,奥林匹克号(R.M.S.Olympic)（19111934）是白星公司奥林匹克级邮轮中的首舰，也是
3、泰坦尼克号的姐妹舰。长269.68米，宽28.19米，载客2764人。,一、奇妙的船吸现象,回目录,在怀特岛东北海域，与皇家海军的“霍克号”巡洋舰相遇。由于航速相近，所以久久遥遥相望，远洋轮上的旅客还不时向军舰挥手致意。,一、奇妙的船吸现象,回目录,100米,当霍克号接近这艘当时世界上最大远洋轮的100米处时，忽然霍克号向左拐过去，好像奥林匹克号是一块巨大的磁铁一样，几乎笔直地向大船冲来。7350吨的霍克号和45000吨级的奥林匹克号撞到一起，“霍克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上。这次撞击非常剧烈，以致“霍克”号把“奥林匹克”号的船舷撞了一个大洞。,霍克号也在高速航行，两艘船很快靠拢到一
4、起高速并行。,一、奇妙的船吸现象,回目录,究竟是什么原因造成了这次意外的船祸？在当时，谁也说不上来，据说在海事法庭审理这件奇案的时候，“奥林匹克”号的船长被判做过失的一方，因为法院的判决书说他没有发出任何命令给横着开来的“霍克”号让路。可见，法院在当时一点也没有看出任何异常的事情来：没有别的，只是船长调度失当。,这便是著名的“船吸现象”。,奥林匹克号上的1300名乘客被送回了岸上。在南安普敦 草草修补之后，返回贝尔法斯特进行大修。,一、奇妙的船吸现象,回目录,那么快速行进的两艘船，为什么会被无形的力量推到一起呢？船吸现象的原理是什么？难道真的是船长调度失误？当然不是如果要了解这个原因，就不得不
5、提到一个人,丹尼尔伯努利,一、奇妙的船吸现象,回目录,二、伯努利其人,瑞士的伯努利家族3代人中产生了8位科学家，出类拔萃的至少有3位；而在他们一代又一代的众多子孙中，至少有一半相继成为杰出人物。伯努利家族的后裔有不少于120位被人们系统地追溯过，他们在数学、科学、技术、工程乃至法律、管理、文学、艺术等方面享有名望，有的甚至声名显赫。最不可思议的是这个家族中有两代人，他们中的大多数数学家，并非有意选择数学为职业，然而却忘情地沉溺于数学之中，有人调侃他们就像酒鬼碰到了烈酒。,回目录,1716年16岁时他获艺术硕士学位；1721年又获医学博士学位。1724年，他在威尼斯旅途中发表数学练习，引起学术界
6、关注。1725年，25岁的丹尼尔受聘为圣彼得堡的数学教授。在伯努利家族中，丹尼尔是涉及科学领域较多的人。他出版了经典著作流体动力学；研究弹性弦的横向振动问题；提出声音在空气中的传播规律。他的论著还涉及天文学、地球引力、湖汐、磁学，振动理论、船体航行的稳定和生理学等。他一生获得过多项荣誉称号。,丹尼尔 伯努利(公元17001782年)出生于荷兰的格罗宁根,二、伯努利其人,回目录,丹尼尔伯努利伯努利开辟并命名了流体动力学这一学科，区分了流体静力学与动力学的不同概念。1738年，他发表了十年寒窗写成的流体动力学一书。他用流体的压强、密度和流速等作为描写流体运动的基本概念，引入了“势函数”“势能”（“
7、位势提高”）来代替单纯用“活力讨论，从而表述了关于理想流体稳定流动的伯努利方程，这实质上是机械能守恒定律的另一形式。,二、伯努利其人,被称为“流体力学之父”的丹尼尔伯努利发现著名的伯努利定律。,由此向我们解开船吸现象的真实面纱。,回目录,1726年，丹尼尔伯努利通过无数次实验，发现了“边界层表面效应”：流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献，这一发现被称为“伯努利效应”。,在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小。,这就是丹尼尔伯努利1738年发现的著名的“伯努利定律”,三、伯努利效应及定律,回目录,伯努利效应适用于包
8、括气体在内的一切流体,是流体作稳定流动时的基本现象之一，反映出流体的压强与流速的关系：流体的流速越大，压强越小流体的流速越小，压强越大,三、伯努利效应及定律,这两句简单而易懂的话就为我们揭示出,船吸现象的原因,回目录,三、伯努利效应及定律,船吸现象的原因,水流在广阔范围内流动时，可以近似看成为以直线互不干涉地平行流动,但当水流遇到物体（如轮船）阻碍时，水流就会发生扰动而绕开船体流动。如下图所示，流体线越密则表示水流速度越快。,而如果此时出现两条距离十分近且平行运行的船只时，就会在两船之间形成一个速度十分快的水流通道，其速度远远超出船体外侧的水流速度。,流速很快,流速慢,流速慢,根据我们刚刚学到
9、的伯努利效应：流体的流速越大，压强越小；反之就越大。,压强大,压强大,压强小,当外侧压强远大于内部压强时，最终外侧压力将两船推到了一起，导致了碰撞、“船吸”。而且船舶的速度越快，后果越严重。,回目录,由于“豪克”号较小，在同样大小压力的作用下，它向两船中间靠拢时速度要快的多，因此，造成了“豪克”号撞击“奥林匹克”号的事故。鉴于这类海难事故不断发生，而且轮船和军舰越造越大，一旦发生撞船事故，它们的危害性也越大。因此，世界海事组织对这种情况下航海规则都作了严格的规定，它们包括两船同向行驶时，彼此必须保持多大的间隔，在通过狭窄地段时，小船与大船彼此应作怎样的规避，等等。,三、伯努利效应及定律,回目录
10、,四、伯努利效应的应用,伯努利效应在自然界和人类发明中被广泛地应用，除了刚才我们提到的“船吸效应”之外，还有很多就发生在我们的身边。这些应用有的为我们提供保护、有的为我们提供方便，也有的会给我们带来危险。,下面就让我们看看一些常见的例子，看看这些情况是否是我们经常遇见过却一直没有在意它的存在的？,回目录,飞机与气球不同，不是依靠浮力上天的，它的平均密度远远大于大气的密度。飞机必须在跑道上运动到具有足够大的速度之后，依靠跟空气有相对运动速度的特殊形状的机翼所受到的升力才能上天。如果飞机在降落之前用尽了燃料，由于空气阻力又使得速度减小了，没有足够的升力，飞机会掉下来。,四、伯努利效应的应用,飞机上
11、天,机翼受到迎面的空气流,机翼迎角上表面气流流速快，压强低,流速快,压力低,机翼迎角下表面气流流速慢，压强高,流速慢,压力高,两个表面的压强差产生向上升力,回目录,四、伯努利效应的应用,风卷屋顶,八月秋高风怒号卷我屋上三重茅,茅屋为秋风所破歌,杜甫（唐）,当刮风时，屋面上的空气流动得很快，等于风速,大风,屋面下的空气几乎是不流动的,风越刮越大，则屋面上下的压力差也越来越大最终掀起屋顶的茅草。,根据伯努利原理，这时屋面下空气的压力大于屋面上的气压,回目录,四、伯努利效应的应用,如果你经常观看足球比赛的话，一定见过罚前场直接任意球这时候，通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”，挡住进球路线
12、进攻方的主罚队员，起脚一记劲射，球绕过了“人墙”，眼看要偏离球门飞出，却又沿弧线拐过弯来直入球门，让守门员措手不及，眼睁睁地看着球进了大门这就是颇为神奇的“香蕉球”,香蕉球的奥秘,罚“香蕉球”的时候，运动员并不是拔脚踢中足球的中心，而是稍稍偏向一侧，同时用脚背摩擦足球，使球在空气中前进的同时还不断地旋转。由于空气与球之间的摩擦，球周围的空气又会被带着一起旋转。,这时，空气迎着球向后流动，外侧空气流逆向流动速度低，内测空气同向流动速度高。由于足球两侧空气的流动速度不一样，它们对足球所产生的压强也不一样。,足球在空气压力的作用下，被迫向空气流速大的一侧转弯了。,气流速低，压力大,气流速高，压力小,
13、回目录,四、伯努利效应的应用,其他应用,除上述的一些应用外，还有那些我们习以为常的现象存在伯努利效应呢？,人喝水时，当你把杯子举到口边时，你的嘴会习惯地去“吸”杯中的水。这时，嘴附近的空气就向嘴里跑，并且越靠近嘴的空气流动的越快，对水面的压强也就越小。于是对于杯里的水面来说，近嘴部分受到空气的压强小，较远部分则大，在不等的压强作用下，近嘴部分的水面就稍微高了一点起来，超过杯沿流到口内。为什么到水流湍急的江河里去游泳是很危险的事？有人计算了一下，当江心的水流以每秒1米的速度前进时，差不多有30公斤的力在吸引着人的身体，就是水性很好的游泳能手也望而生畏，不敢随便游近呐！在火车飞速而来时，决不可站在
14、离路轨很近的地方，因为疾驶而过的火车对站在它旁边的人有一股很大的吸引力。有人测定过，在火车以每小时50公里的速度前进时，竟有8公斤左右的力从身后把人推向火车。你瞧，这有多危险啊！,回目录,五、伯努利方程式,我们现在明白了，“船吸”现象、飞机升空等都是伯努利效应的影响，伯努利效应产生的力量是巨大的，能够托起沉重的飞机。那么，这个压力到底有多大，一个高深的流体力学公式“伯努利方程”就可以去计算它。,1738年，著名的瑞士科学家丹尼尔伯努利提出了著名的运动流体机械能守恒方程，即伯努利方程,对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为,p+g z+(1/2)v2=C,P流体的压强 流体的密度v流体的速度 z
15、 相对零点的高度 g重力加速度,回目录,五、伯努利方程式,要弄懂伯努利方程就不得不提出能量守恒定律来。学过物理的人都知道物质守恒定律，同样，能量也是遵循着守恒定律。,能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。能量守恒定律,能量守恒定律如今被人们普遍认同，但是并没有严格证明。能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体。小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。,回目录,五、伯努利方程式,能量守恒定律内容(1)自然界中不同的能量形式与不同的运动形式
16、相对应：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动具有电能等等。(2)不同形式的能量之间可以相互转化：“摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等”。(3)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。,在流体力学中最普遍存在的能量就是,压力能,重力势能,动能,p,g z,+,+,=C,=衡量,流体在流动过程中，其压力能、重力势能和动能的总和保持不变（即等于衡量），这就是伯努利方程的完整表达，遵守能量守恒定律。,+,+,回目录,伯努利方程的经典应用,五、伯努利方程式,如下图，一段流体在一不规则的管路中流动，先后经过离地面h
17、1高、管径面积为A1的1#管路和地面h2高、管径面积为A2的2#管路。,此段流体在先后经过这两处管段时，受到的压力和速度分别为P1、P2，v1、v2。,1#管路,2#管路,回目录,五、伯努利方程式,根据伯努利效应和能量守恒定律得知,1#管路处的能量,2#管路处的能量,=,=,p1,g h1,+,p2,gh2,+,+,+,=,=,伯努利方程的经典应用,回目录,六、文氏椎管流量计及原理,工业上计量蒸汽使用量的流量计有很多种，例如孔板式、文丘里式、涡街式、靶式等等，他们的工作原理都有各自的不同。我公司对蒸汽使用的计量方法目前广泛采用的是文氏锥管流量计，同时又由于文氏锥管流量计的基本原理恰是上面提到的
18、伯努利效应，因此是我们着重来介绍这种流量计。,回目录,六、文氏椎管流量计及原理,文氏锥管流量计是新型差压式流量计。基本测量原理以能量守恒定律-柏努利方程和流动连续性方程为基础的流量测量方法。文氏锥管流量计广泛用于石油、炼化、化工、天然气、冶金、电力、制药、造纸等领域中，适合各种液体、气体、天然气及蒸汽质量流量的监测和计量。,回目录,六、文氏椎管流量计及原理,文氏锥管流量计包括,节流装置,积算显示装置,压力传感装置,文氏锥管节流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体,过程压力通过隔离膜片、灌充液传至合测量膜片。中心膜片是一个张紧的弹性元件，压力差产生变形位移，其压成正比。这种位移转变板上形成的
19、差动电容，由电子线路把差动电容换成输出信号。,该测量管段是预先精密加工好的，在尖圆锥体的两端产生差压，高压室是测量上游流体收缩前管壁处的静压力，负压室是测量锥体朝向下游端面处的负压力。,和相应的取压口。,与差压变送器配套使用，可测量蒸汽的流量并进行积算，配上压力变送器和温度变送器，能对被测蒸汽的密度因压力、温度的变化而引起的测量误差自动进行修正。显示温度、压力、差压、瞬时流量和累计总量：具有小信号切除功能：,回目录,六、文氏椎管流量计及原理,下面我们就根据流量计测量流量的顺序来简要揭示其原理。,首先，当流体在管道内流经文氏锥管流量计管道中心内的嵌圆锥体后，流体被迫分开流动以绕过圆锥体。,流体线
20、稀疏，流速慢，动能低,流体线紧密，流速快，动能高,流体,圆锥体,此刻，流体在经过锥体前后，其流动状态发生了改变，能量状态发生了变化：流速加快，动能增加。,比B点的压力P2要高，这样就产生了压力差P。,根据我们对伯努利方程式的了解，我们可知，此时A点的压力P1,如果我们此时分别在A、B点上设置取压点，就可以将压力差引导出来。,P1,P,P2,B,A,回目录,P,电信号,椎管的取压口,与电容式压差变送器相连,椎管内圆锥体两侧形成的压力差P由取压口和连接管理传递给压差变送器,压差变送器内的弹性元件感知压力，形成差动电容，由电子线路把差动电容换成电信号,六、文氏椎管流量计及原理,电信号由线路输出给积算
21、仪进行累加运算,这就是蒸汽流量计完整的运行过程。,由于计算蒸汽的流量需要蒸汽压力及温度等参数，因此再利用压力变送器和温度变送器提供压力、温度信号就组成了完整的系统,回目录,简要计算过程,六、文氏椎管流量计及原理,假设两个取压点（口）分别是椎体前后水平位置一致的1点和2点，两点的感知压力分别为P1、P2，蒸汽流速分别为v1、v2，我们用伯努利方程来计算,=,p1,g h1,+,p2,gh2,+,+,+,根据伯努利效应我们知道,1点各能量和=2点各能量和,由于1点和2点是同一水平位置的取压点，因此两点势能相等，可抵消,调整剩余项,-,-,最终我们可以得到一个简单、清晰的公式,回目录,=,p1,-,
22、p2,-,（,）,六、文氏椎管流量计及原理,即取压口间产生的压差P，可由压差变送器测量传递给积算仪，已知量。,蒸汽密度，密度表事先输入进积算仪，可根据压力和温度变送器输入的值来自动调整，已知量。,未知量，根据二元二次方程，只要将两个速度变换成一个速度即可求解，根据水流连续性方程即可办到,质量守恒定律在连续介质流动中的表达式，恒定总流各水力要素不随时间变化，入流断面1与出流断面2的面积以及两断面间的体积保持不变。连续性方程为：Q1Q2常量,水流连续性方程,A1 v1 t=A2 v2 t,v1=,A2,A1,v2,代入公式,（A1、A2:1点和2点的截面积）,回目录,P,=,-,（,）,A2,A1
23、,六、文氏椎管流量计及原理,=,2,A1,P,(A1-A2),V2,已知 质量流量Q=密度 截面积A 流速v,=,2,A1,P,(A1-A2),Q,A2,=,2,A1,A2 P,(A1-A2),Q,A2 P,回目录,此公式即为积算仪中的流量公式,=,2,A1,A2 P,(A1-A2),Q,A2 P,六、文氏椎管流量计及原理,如果我们将公式中已知的、固定的参数与未知的、需测量的参数分离开，将得到一个更为清晰简单的公式,=,2,A1,A2,(A1-A2),Q,P,锥管截面积特性，固定、已知量。,未知、测量量，P由压差变送器提供，由压力、温度变送器调整变化,Q,=,K,P,回目录,结语,文氏锥管流量计是一个较为复杂的系统，包含了物理、电子等多个学科的知识，但是如果我们了解了它的基础原理，也就揭开了她的神秘面纱，当我们发现流量计出现问题时，我们就可以凭借我们了解的基本知识来排除简单故障或者知道应该找哪个部门来排除故障了。,同时，伯努利效应和方程可以应用于很多领域，可以指导我们解决一些生活中、工作中的一些小问题，方便我们的生活，排除身边的危险。,不知道我们的讲解是否让您耳目一新，是否给您提供了新的知识，是否为您工作生活中的难题提供了解决之道。希望本次的介绍可以为您未来的工作添加动力。,回目录,
