流体力学基础教程PPT学习教案

1、会计学1流体力学基础教程流体力学基础教程第1页/共89页第2页/共89页SBF FF FF Fk kj ji iF Fzyxggg第3页/共89页任一面所受到的应力均可分解为一个法向应力（垂直于作用面，记为ii）和两个切向应力（又称为剪应力，平行于作用面，记为ij，ij），例如图中与z轴垂直的面上受到的应力为zz（法向）、zx和zy（切向），它们的矢量和为：k kj ji iz zzzzyzx第4页/共89页k kj ji ix xxzxyxxk kj ji iy yyzyyyx z xx yx xy yy M xz yz zx zy zz o y x 图 1-2 任一点所受到的应力 第5页/

2、共89页第6页/共89页第7页/共89页当地大气压绝压表压绝压当地大气压真空度第8页/共89页)(2112zzgpp2112zzgpgp静力学基本方程常数 pgz第9页/共89页第10页/共89页 pa R A 1 . 图 1-5 单管压力计 gRppa1gRpppa11第11页/共89页 pa A 1 h R 2 3 0 图 1-6 U形压力计 ghpp2132pp gRppa03ghgRppa01第12页/共89页gRppa01第13页/共89页 2 1 z2 流向 z1 R 3 3 0 图 1-7 U形压差计 311pRzgp3022pgRgzp第14页/共89页gR021gRgzpgz

3、p02211Rgg021zgpg第15页/共89页p1pap1pa表压真空度第16页/共89页第17页/共89页p1p2z2RAAz1gzzgRpp)()(12021第18页/共89页 p1 p2 z1 1 z1 R 2 图 1-8 双液柱压差计 gRpp1221第19页/共89页 p1 R p2 R 0 图 1-9 倾斜式压差计 第20页/共89页第21页/共89页第22页/共89页AvdAAAVu1uG第23页/共89页第24页/共89页 y v x v=0 图 1-10 平板间粘性流体分层运动及速度分布 yvyxdd第25页/共89页 msmmNdd2yv第26页/共89页 宾汉塑性流体

4、 涨塑性流体 牛顿流体 假塑性流体 dv/dy 图 1-11 剪应力与速度梯度关系 第27页/共89页 有色液体 (a)层流 水 (b)湍流 图 1-12 雷诺实验装置 图 1-13 两种流动类型 第28页/共89页duReduRem(m/s)(kg/m3) Ns/m2 第29页/共89页duudu2Re第30页/共89页t t ddztzytyxtxttddddddddtDDzvyvxvttzyxDD第31页/共89页21mm 2211AuAu 1 控制体 2 1 2 图 1-14 管道或容器内的流动 222211dudu222111AuAu第32页/共89页 m1 m m2 图 1-15

5、分支管路 21mmm1 11222mu Au AuA常数第33页/共89页 -16 图1 第34页/共89页 z dz (x,y,z) dx dy y x 图 1-18 微元系统 zyxgzvvyvvxvvtvzyxgzvvyvvxvvtvzyxgzvvyvvxvvtvzzyzxzzzyxzyyyxyyzyxzxyxxxxzyxzzzzyyyyxxxxdivDtDBMFv v第35页/共89页v vF Fv v2DD ptBM第36页/共89页 y x r o z 流向 图 1-20 圆管内的稳定层流流动 2214RrRLv vmax 图 1-21 管内层流时的速度分布 第37页/共89页 R

6、2 1=0 o R1 图 1-22 环隙内流体的周向流动 rRRrRRRRv112122122第38页/共89页 Q 2 换热器 2 z2 1 泵 z1 1 We 图 1-23 管路系统 随时间的变化率控制体内总能量的能量速率输出控制体的能量速率输入控制体00第39页/共89页221u第40页/共89页静压能= pVAVpAFllAV1kg的流体所具有的静压能为 pmpV(J/kg)（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。 eq第41页/共89页假设 流体不可压缩， 则 流动系统无热交换，则 流体温度不变， 则 21 0eq21UUfhpugzWpugz22221211212

7、1第42页/共89页fehgpguzhgpguz2222121122第43页/共89页将(1)式各项同乘以 :feWpugzWpugz222212112121 式中各项单位为PamJmkgkgJ33feppugzWpugz222212112121fp压力损失第44页/共89页2222121122pugzpugz2211pgzpgz第45页/共89页fwEtEt21第46页/共89页%20121 ppp第47页/共89页第48页/共89页第49页/共89页第50页/共89页蝶阀第51页/共89页第52页/共89页 p2 w p1 w h 流动方向 l 图 1-29 圆形等径直管内流动 ghpzz

8、gppwf2121sin222glRRlpRwdlwwf422422udludlfwf直管阻力通式（范宁Fanning公式） 第53页/共89页Re64/Redu第54页/共89页目的：（1）减少实验工作量； （2）结果具有普遍性，便于推广。基础：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等， 而且每一项都应具有相同的因次。第55页/共89页基本定理：白金汉（Buckinghan）定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本量纲数为m个，则该物理现象可用N(nm)个独立的无因次数群表示。将此量纲为一的量称为准数。 湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：，（2）流动的几何尺

9、寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u第56页/共89页物理变量 n 7基本因次 m3无因次数群 Nnm4 2,fwduludd无因次化处理式中：2fwEuu欧拉（Euler）准数即该过程可用4个无因次数群表示。,uldfwf第57页/共89页d相对粗糙度dl管道的几何尺寸udRe雷诺数根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即 2Re,fwlkudd2Re,ffwlhudd或)(Re,d第58页/共89页第59页/共89页（1）层流区（Re 2000） 与 无关，与Re为直线关系，即： ,即 与u的一次方成正比。dRe64uWffW（2）过渡区（2000Re4000) 将湍流时的曲线延

10、伸查取值 。（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域） )(Re,dffhfh根据Re值计算时分为下列四个区域第60页/共89页（4）完全湍流区 （虚线以上的区域） 与Re无关，只与 有关 。d该区又称为阻力平方区。经验公式 ：（1）柏拉修斯（Blasius）式：25. 0Re3164. 0适用光滑管Re5103105（2）考莱布鲁克（Colebrook）式Re7 .182log274. 11d2uWfd一定时，fh第61页/共89页水力半径润湿周边流通截面积44ed 套管环隙，内管的外径为d，外管的内径为D :dDdDdDde4422 边长分别为a、b的矩形管 :baabbaabde2)

11、(24第62页/共89页注意：（1）Re与hf中的直径用de计算；（2）层流时计算：ReC正方形 C57套管环隙 C96 （3）流速用实际流通面积计算 。2785. 0esdVu 第63页/共89页22udlwefle之值由实验确定. 第64页/共89页此法近似认为局部摩擦损失是平均动能的某一个倍数，即 22uwf式中，是局部阻力系数，由实验测定。 第65页/共89页2222udlludlwef显然，采用当量长度法便于将直管摩擦损失与局部摩擦损失合起来计算。 (2)在管路系统中，直管摩擦损失与局部摩擦损失之和等于 总摩擦损失，对等径管，则(3)长距离输送时以直管摩擦损失为主，短程输送时则以局部

12、摩擦损失为主。 (1)以上两种方法均为近似估算方法，而且两种计算方法 所得结果不会完全一致。但从工程角度看，两种方法均可。 第66页/共89页 2 2 0 1 1 1 0 1 2 2 a. 突然扩大 b. 突然缩小 图 1-33 突然扩大与突然缩小 第67页/共89页突然扩大时摩擦损失的计算式为： 2121221uAAwf故局部阻力系数 2211AA式中 A1、A2小管、大管的横截面积； u1小管中的平均流速。 第68页/共89页突然缩小时的摩擦损失计算式为： 故局部阻力系数 式中 A1、A2小管、大管的横截面积； u1小管中的平均流速。 215 . 02121uAAwf2115 . 0AA第

13、69页/共89页 pa 1 1 pB z 2 2 B 图 1-34 第70页/共89页第71页/共89页一、特点 （1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。 (2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。321hhhhffffV1,d1V3,d3V2,d2321VVV 不可压缩流体321mmm第72页/共89页二、管路计算基本方程：连续性方程udVs24柏努利方程2)(22222222111udlugzpugzp 物性、一定时，需给定独立的9个参数，方可求解其它3个未知量。dud,阻力()计算第73页/共89页（1）设计型计算 先选择适宜流速确定经济管径d

14、设计要求：规定输液量Vs与输送距离l，确定经济管径d，计算出供液点提供的位能z1(或静压能p1)。 给定条件： （1）供液与需液点的距离，即管长l； （2）管道材料与管件的配置，即及 ； （3）需液点的位置z2及压力p2。计算方法：由输液量Vs 设计要求：规定输液量Vs与输送距离l，供液点提供的位能z1(或静压能p1)，确定经济管径d。试差法第74页/共89页（2）操作型计算 已知：管子d、l，管件和阀门 ，供液点z1、p1，所需液点的z2、p2，输送机械He； 求：流体的流速u及供液量VS。 已知：管子d、 l、管件和阀门 、流量Vs等； 求：供液点的位置z1 ； 或供液点的压力p1； 或输

15、送机械有效功He 。第75页/共89页 试差法计算流速的步骤：（1）根据柏努利方程列出试差等式；（2）试差：查假设duRe符合？可初设阻力平方区之值注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需 试差，可直接解析求解。第76页/共89页复杂管路指有分支的管路，包括并联管路（见图1-39a）、分支（或汇合）管路（见图1-39b）。 d1 V1 d V d2V2 A B d3V3 (a)并联管路 (b)分支管路（若所有流向反向，则为汇合管路） 图 1-39 复杂管路 E V3 V V2 V4 A B D F V1 C 第77页/共89页321VVVVffffwwww321第78页/共89页ffffw

16、www321222233332222221111udludludl24dVu将 代入得： 24dVu335322521151321:ldldldVVV上式即并联管路的流量分配公式，具有如下特点：支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小； 反之 流量越大。第79页/共89页这类管路的特点是：（1）总管流量等于各支管流量之和，对如图1-39(b)所示的不可压缩流体，则有 43221,VVVVVV即 431VVVV（2）对单位质量流体而言，无论分支（或汇合）管路多么复杂，均可在分支点（或汇合点）处将其分为若干个简单管路，对每一段简单管路，仍然满足单位质量流体的机械能衡算方程，以ABC段为例，有： C

17、fACCfBBfACAwEtwwEtEt第80页/共89页 p3=5.0104Pa 3 p4=7.0104Pa 设4 备 37m p1=5.0104Pa 设 一 1 1 30m 备 2 二 5m 图 1-40 第81页/共89页 1 1 pA pB 1 k1 2 A 2 k2 B 2 3 k3 图 1-41 第82页/共89页 1 3 2 4图1 - 43 简单的管网第83页/共89页第84页/共89页对于图1-44所示的管道内均质、可压缩流体的稳定流动，任取一微元段，在该微元管段中，流体可视为不可压缩，上述机械能衡算方程仍然成立。 p1 p2 y u1 u2 z 1 2 dl l 图 1-44 可压缩流体在管道内的定常流动 02ln0212221lppldGpGdd-可压缩