一流体流动学习教案

1、会计学1一一 流体流体(lit)流动流动第一页，共126页。2022-6-302 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部假定流体是由无数内部(nib)(nib)紧密相连、彼此间没有紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。 质点间无间隙，是连续的质点间无间隙，是连续的工程意义：利用连续函数数学工具，从宏观研究流体工程意义：利用连续函数数学工具，从宏观研究流体对高度真空的气体不适用对高度真空

2、的气体不适用第2页/共126页第1页/共126页第二页，共126页。2022-6-303 流体流体(lit)(lit)的可压缩性的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化，如液体；前后化，如液体；前后(qinhu)P、T变化的变化的 大的常压气体大的常压气体 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。第3页/共126页第2页/共126页第三页，共126页。2022-6-304一、压力一、压力(yl) 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体

3、的静压强，习惯上又称为压力。静止流体中，从各方向上作用强，习惯上又称为压力。静止流体中，从各方向上作用于某一点于某一点(y din)(y din)的压力大小均相等的压力大小均相等 1.压力压力(yl)的单的单位位 SI制：制：N/m2或或Pa；ES制：制：kgf/m2标准大气压：标准大气压：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O工程大气压工程大气压1at = 1.0105Pa =736mmHg =10 m H2O第一节第一节 流体静力学流体静力学第4页/共126页第3页/共126页第四页，共126页。2022-6-3052. 压力压力(yl)的表示方的表示

4、方法法 绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准以绝对真空为基准(jzhn)(jzhn)测得的压测得的压力。力。 以压力表测量以压力表测量 表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准以大气压为基准(jzhn)(jzhn)测得的测得的压力。压力。 以真空表测量以真空表测量第5页/共126页第4页/共126页第五页，共126页。2022-6-306表表 压压 = 绝对绝对(judu)压力压力 大气压力大气压力真空度真空度 = 大气压力大气压力 绝对绝对(judu)压力压力绝 对 压绝 对 压力力 绝 对 压绝 对 压力力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 第6页/共126页第

5、5页/共126页第六页，共126页。2022-6-307 流体压力流体压力(yl)(yl)与作用面垂直，并指向该作用与作用面垂直，并指向该作用面；面； 任意界面两侧所受压力任意界面两侧所受压力(yl)(yl)，大小相等、方，大小相等、方向相反；向相反； 作用于任意点不同方向上的压力作用于任意点不同方向上的压力(yl)(yl)在数值在数值上均相同。上均相同。3.静压力静压力(yl)的特性的特性第7页/共126页第6页/共126页第七页，共126页。2022-6-308二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积（一）密度（一）密度 单位单位(dnwi)体积流体的质量。体积流体的质量。Vm kg/

6、m3 1.单组分密度单组分密度(md),(Tpf 液体液体 密度仅随温度变化（极高压力密度仅随温度变化（极高压力(yl)除外），其除外），其变变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。第8页/共126页第7页/共126页第八页，共126页。2022-6-309 气体气体 当压力当压力(yl)不太高、温度不太低时，可按理想不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算： RTpM 注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同下之值，若条件不同(b tn)，则需进行换算。，则需进行换算。标准状况：标准状况：T

7、=273.15K，P =101.325 kPa第9页/共126页第8页/共126页第九页，共126页。2022-6-30102.混合物的密度混合物的密度(md) 混合气体混合气体 各组分各组分(zfn)在混合前后质量不变，则有在混合前后质量不变，则有 nn2111m 气体混合物中各组分气体混合物中各组分(zfn)的体积分数。的体积分数。 n21, 或或RTpMmm mM混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量； nn2211myMyMyMMn21,yyy气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分数。分数。 第10页/共126页第9页/共126页第十页，共126

8、页。2022-6-3011 混合液体混合液体 假设假设(jish)各组分在混合前后体积不变，则有各组分在混合前后体积不变，则有 nmn12121www n12,w ww液体液体(yt)混合物中各组分的质量混合物中各组分的质量分数。分数。 （二）比体积（二）比体积单位质量单位质量(zhling)流体的体积。流体的体积。1Vvm m3/kg第11页/共126页第10页/共126页第十一页，共126页。2022-6-3012重力场中对液柱进行重力场中对液柱进行(jnxng)受力分受力分析：析：ApP11 （1）上端面）上端面(dunmin)所所受总压力受总压力 ApP22 （2）下端面）下端面(du

9、nmin)所所受总压力受总压力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力)(21zzgAG 设流体不可压缩，设流体不可压缩，.Const p0p2p1z1z2G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下三、三、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 第12页/共126页第11页/共126页第十二页，共126页。2022-6-3013液柱处于静止液柱处于静止(jngzh)(jngzh)时，上述三力的合力为时，上述三力的合力为零零: :0)(2112zzgAApAp )(2112zzgpp gzpgzp2211 静力学基本(jbn)方程 式压力压力(yl)形式形式能量形式能量形式第13页/共126

10、页第12页/共126页第十三页，共126页。2022-6-3014讨论讨论(toln)：（1）适用于重力场中静止、连续）适用于重力场中静止、连续(linx)的同种不可压缩性的同种不可压缩性流体；流体；（2）物理意义：）物理意义：zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kgJ/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能(winng)(winng)和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变保持不变 。第14页/共

11、126页第13页/共126页第十四页，共126页。2022-6-3015（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等面上各点的压力处处相等(xingdng)。压力相等。压力相等(xingdng)的面称为等压面。的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。 巴斯噶原理巴斯噶原理第15页/共126页第14页/共126页第十五页，共126页。2022-6-3016四、静力学基本四、静力学基本(jbn)(jbn

12、)方程的方程的应用应用 （一）（一） 压力压力(yl)测测量量 1. U形管液柱压差形管液柱压差(y ch)计计 设指示液的密度为设指示液的密度为 ，被测流体的密度为被测流体的密度为 。 0A与与A面面 为等压面，即为等压面，即AApp)(1ARmgpp gRgmpp02A 而而p1p2mRAA第16页/共126页第15页/共126页第十六页，共126页。2022-6-3017所以所以(suy)gRgmpRmgp021)( 整理整理(zhngl)得得gRpp)(021 若被测流体是气体，若被测流体是气体， ，则有，则有0 021 Rgpp第17页/共126页第16页/共126页第十七页，共12

13、6页。2022-6-3018讨论讨论(toln)： U U形管压差计可测系统内两点的压力形管压差计可测系统内两点的压力(yl)(yl)差，当将差，当将U U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；测得流体的表压或真空度； 指示液的选取：指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差应根据被测流体的种类及压差(y ch)(y ch)的大小选择指示的大小选择指示液。液。 第18页/共126页第

14、17页/共126页第十八页，共126页。2022-6-30192. 倒倒U形管压差形管压差(y ch)计计 RgRgpp)(021 指示剂密度指示剂密度(md)小于被测流体密小于被测流体密度度(md)，如空气作为指示剂如空气作为指示剂 第19页/共126页第18页/共126页第十九页，共126页。2022-6-30203. 斜管压差斜管压差(y ch)计计 适用适用(shyng)于压差较小的情况。于压差较小的情况。 sinRR 值越小，读数放大值越小，读数放大(fngd)(fngd)倍数越倍数越大。大。 第20页/共126页第19页/共126页第二十页，共126页。2022-6-3021 密度

15、接近密度接近(jijn)(jijn)但不互溶的两种但不互溶的两种指示指示 液液A A和和C C ；)(CA 4. 微差压差微差压差(y ch)计计 扩大扩大(kud)(kud)室内径与室内径与U U管内径管内径之比应大于之比应大于10 10 。)(CA21 Rgpp第21页/共126页第20页/共126页第二十一页，共126页。2022-6-3022（ 二 ）（ 二 ） 液 位 测 量液 位 测 量(cling) 1.1.近距离液位测量近距离液位测量(cling)(cling)装置装置 压差压差(y ch)(y ch)计读数计读数R R反映反映出容器出容器内的液面高度。内的液面高度。 Rh 0

16、 液面越高，液面越高，h越小，压差计读数越小，压差计读数R越小；当液面达越小；当液面达到最高时，到最高时，h为零，为零，R亦为零。亦为零。第22页/共126页第21页/共126页第二十二页，共126页。2022-6-30232.2.远距离液位测量远距离液位测量(cling)(cling)装置装置 BApp 管道管道(gundo)(gundo)中中充满氮气，其密度充满氮气，其密度较小，近似认为较小，近似认为 ghpp aAgRpp0aB Rh 0而而所以所以(suy) (suy) AB第23页/共126页第22页/共126页第二十三页，共126页。2022-6-3024（三）（三） 液封高度液封

17、高度(god)的计算的计算 液封作用：液封作用： 确保设备安全：当设备内确保设备安全：当设备内压力压力(yl)(yl)超过规定值时，超过规定值时，气体从液封管排出；气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。gph 液封高度液封高度(god)：第24页/共126页第23页/共126页第二十四页，共126页。2022-6-3025 1. 体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体单位时间内流经管道任意截面的流体(lit)体积。体积。 qVm3/s或或m3/h2.质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体单位时间内流经管道任意截面的流体(lit)质量。质量。 qmk

18、g/s或或kg/h。 Vmqq 二 者 关 系二 者 关 系(gun x)：（一）流量（一）流量一、一、流量与流速流量与流速第25页/共126页第24页/共126页第二十五页，共126页。2022-6-3026（二）流速（二）流速(li s)2.2.质量流速质量流速 单位时间单位时间(shjin)(shjin)内流经管道单位截面积的流体质内流经管道单位截面积的流体质量。量。1.1.流速流速 （平均流速）（平均流速）2.2.单位时间内流体单位时间内流体(lit)(lit)质点在流动方向上所流经的距质点在流动方向上所流经的距离。离。 AquV kg/（m2s）流量与流速的关系：流量与流速的关系：

19、m/smVqqwuAA mVqquAwA第26页/共126页第25页/共126页第二十六页，共126页。2022-6-30274Vqdu 对于对于(duy)(duy)圆形圆形管道：管道：流量流量qVqV一般一般(ybn)(ybn)由生产任务决定。由生产任务决定。流速流速(li s)选择：选择：3. 管径的估算管径的估算 d 设备费用设备费用 u 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均均衡衡考考虑虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费第27页/共126页第26页/共126页第二十七页，共126页。2022-6-3028 二、稳态流动(lidng)与非稳态流动(li

20、dng)稳态流动：各截面稳态流动：各截面(jimin)(jimin)上的温度、压力、流速等物理上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；量仅随位置变化，而不随时间变化； 非稳态流动：流体在各截面上的有关非稳态流动：流体在各截面上的有关(yugun)(yugun)物理物理量既随位置变化，也随时间变化。量既随位置变化，也随时间变化。),(,zyxfupT ),(, zyxfupT 第28页/共126页第27页/共126页第二十八页，共126页。2022-6-3029三、三、连续性方程式连续性方程式 对于对于(duy)(duy)稳态流动系稳态流动系统，在管路中流体没有增加和统，在管路

21、中流体没有增加和漏失的情况下：漏失的情况下： 21mmqq 222111AuAu 推广推广(tugung)(tugung)至任至任意截面意截面 常数常数 uAAuAuqm 222111连续性方程式连续性方程式11 2 2第29页/共126页第28页/共126页第二十九页，共126页。2022-6-3030常常数数 uAAuAuqV2211不 可 压 缩 性 流 体不 可 压 缩 性 流 体(lit)(lit)，.Const 圆形管道圆形管道(gundo) (gundo) ：2121221 ddAAuu 即不可压缩流体在管路中任意截面的流速即不可压缩流体在管路中任意截面的流速(li (li s)

22、s)与管内径的平方成反比与管内径的平方成反比 。第30页/共126页第29页/共126页第三十页，共126页。2022-6-3031四、伯四、伯努利方程式努利方程式（一）伯努利方程式（一）伯努利方程式dxpA(p+dp)A gdmdz在在x方向方向(fngxing)上对微元段受力分析：上对微元段受力分析：pA（1）两端面所受压力）两端面所受压力(yl)分别分别为为及及Adpp)( （2）重力）重力(zhngl)的分量的分量zAgxAgmgdsindsind 故合力为故合力为zAgpAzAgApppAddd)d( 第31页/共126页第30页/共126页第三十一页，共126页。2022-6-30

23、32动量动量(dngling)变化率变化率uAuuqddm zAgpAuAuddd 0ddd uupzg 动量动量(dngling)原理原理伯努利方程式伯努利方程式 不 可 压 缩 性 流 体不 可 压 缩 性 流 体(lit)(lit)，.Const （1）Const.212 puzg第32页/共126页第31页/共126页第三十二页，共126页。2022-6-3033（二）伯努利方程式的物理（二）伯努利方程式的物理(wl)意义意义zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kg ；221u单位质量流体所具有

24、的动能，单位质量流体所具有的动能，J/kg。各项意义各项意义(yy)：第33页/共126页第32页/共126页第三十三页，共126页。2022-6-303421Const.2pzugg 将将(1)(1)式各项同除重力式各项同除重力(zhngl)(zhngl)加速度加速度g :g :（2）式 中 各 项 单 位式 中 各 项 单 位(dnwi)为为mNJN/kgJ/kg z 位压头位压头gu22动压头动压头gp 静压头静压头总压头总压头第34页/共126页第33页/共126页第三十四页，共126页。2022-6-3035 式（式（1）为以单位质量流体为基准的机械能衡算式）为以单位质量流体为基准的

25、机械能衡算式(sunsh)，式（，式（2）为以重量流体为基准的机械能衡算）为以重量流体为基准的机械能衡算式式(sunsh)，表明理想流体在流动过程中任意截面上，表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三种能量形式可以相互转总机械能、总压头为常数，三种能量形式可以相互转换。换。第35页/共126页第34页/共126页第三十五页，共126页。2022-6-3036gu221gu222gp1gp2Hz2210第36页/共126页第35页/共126页第三十六页，共126页。2022-6-3037五、实际流体五、实际流体(lit)的机械能衡算式的机械能衡算式Wp2,u2, 2p1,u1

26、, 1221100z2z1（一）实际（一）实际(shj)流体机械能衡算式流体机械能衡算式第37页/共126页第36页/共126页第三十七页，共126页。2022-6-3038（2）外加功（外加压头）外加功（外加压头） 1kg流体从流体输送机械流体从流体输送机械(jxi)所获得的能量为所获得的能量为W (J/kg)。（1）能量损失）能量损失(snsh)（压头损失（压头损失(snsh)）设设1kg流体流体(lit)损失的能量为损失的能量为hf（J/kg）。）。 221211221122fppz guWz guh 221211221122fppzuHzuHgggg （3）（4）或或伯努利方程式伯努利

27、方程式 第38页/共126页第37页/共126页第三十八页，共126页。2022-6-3039WHg ffhHg 其 中其 中( q zhng)He外加压头或有效外加压头或有效(yuxio)压头，压头，m;hf压头压头(y tu)损失，损失，m。（二）伯努利方程的讨论（二）伯努利方程的讨论 （1 1）若流体处于静止，）若流体处于静止，u=0，hf=0，W=0，则柏努利方则柏努利方程变为程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律 。 2211pgzpgz 第39页/共126页第38页/共126页第三十九页，共1

28、26页。2022-6-3040 W、hf 在两截面在两截面(jimin)间单位质量流间单位质量流体获得或消耗的能量。体获得或消耗的能量。（2）zg、 、 某某截面上单位质量流体所截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能 ； p221u有效有效(yuxio)(yuxio)功功率率 ：emPq W 轴功率轴功率 ： ePP 第40页/共126页第39页/共126页第四十页，共126页。2022-6-3041（3）伯努利方程）伯努利方程(fngchng)式适用于不可压缩性式适用于不可压缩性流体。流体。 对于可压缩性流体，当对于可压缩性流体，当 时，仍可时，仍可用该方程用该

29、方程(fngchng)计算，但式中的密度计算，但式中的密度应以两应以两截面的平均密度截面的平均密度m代替。代替。%20121 ppp第41页/共126页第40页/共126页第四十一页，共126页。2022-6-3042（三）伯努利方程（三）伯努利方程(fngchng)(fngchng)的应的应用用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备输送设备(shbi)的功率；的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用伯努利方程与连续性方程，可以利用伯努利方程与连续性方程，可以(ky)确定：确定：第42页/共126页第41页/共126页第四十二页，共12

30、6页。2022-6-3043（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游动方向，定出上、下游(xiyu)截面，明确流动系统的截面，明确流动系统的衡算范围衡算范围 ；（2）位能基准面的选取）位能基准面的选取 必须与地面平行；必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是若截面不是(b shi)水平面，而是垂直于地面，则基准水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。面应选过管中心线的水平面。 第43页/共126页第42页/共126页第四十三页，共126页。2022-6-

31、3044（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示）各物理量的单位应保持一致，压力表示(biosh)方法也应一致，即同为绝压或同为表压。方法也应一致，即同为绝压或同为表压。 （3）截面的选取）截面的选取 与流体的流动方向相垂直与流体的流动方向相垂直(chuzh)； 两截面间流体应是定态连续流动；两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。 第44页/共126页第43页/共126页第四十四页，共126页。2022-6-3045 2 2 气气 体体 洗洗 涤涤 塔塔 5m 泵泵 气气 体体 3 3 1m 1m 4 4 贮贮 槽槽 废废 水水 池池

32、1 1 0.2m 如图所示，已知管道尺寸为如图所示，已知管道尺寸为1144 mm，流，流量为量为85 m3/h，水在管路中（喷头前）流动的总，水在管路中（喷头前）流动的总阻力损失为阻力损失为10 J/kg ，喷头前压力，喷头前压力(yl)较塔内压较塔内压力力(yl)高高100 kPa，水从塔中流入下水道的阻力，水从塔中流入下水道的阻力损失为损失为12 J/kg。求泵供给的外加功率。求泵供给的外加功率。 解：解： 按照控制按照控制(kngzh)体选体选取原则，应取面取原则，应取面1-1至面至面2-2，而不能取面而不能取面1-1至面至面3-3或面或面1-1至面至面4-4。mmd10642114 由

33、已知条件可知管内径由已知条件可知管内径第45页/共126页第44页/共126页第四十五页，共126页。2022-6-3046212222121122 fewpugzwpugz 在面在面1-1和面和面(h min)2-2间有间有 2 2 气体气体 洗涤塔洗涤塔 5m 泵泵 气体气体 3 3 1m 1m 4 4 贮槽贮槽 废水池废水池 1 1 0.2m 422dVu sm68. 24106. 03600852 z2=7 mp2=？wf1-2=10 J kg-122226.8210268. 281. 97ppwe 22226.8210268. 281. 97ppwe 第46页/共126页第45页/共

34、126页第四十六页，共126页。2022-6-3047 2 2 气体气体 洗涤塔洗涤塔 5m 泵泵 气体气体 3 3 1m 1m 4 4 贮槽贮槽 废水池废水池 1 1 0.2m p3可通过可通过(tnggu)面面3-3与与4-4间的机械能衡算求得：间的机械能衡算求得： 434244323322 fwpugzpugz z3=1.2 m，wf3-4=12 J kg-1 23. 081. 92 . 1123 pJ kg-1 22226.8210268. 281. 97ppwe 由已知条件由已知条件(tiojin)可知：可知： 33210100 pp2 .100 J kg-1 5 .182 J kg

35、-1 第47页/共126页第46页/共126页第四十七页，共126页。2022-6-3048故泵的外加故泵的外加(wiji)功率为：功率为：36005 .182851000 eseswVwm =4310 W 或或4.31 kW 返回(fnhu)目录第48页/共126页第47页/共126页第四十八页，共126页。2022-6-3049（一）（一） 牛顿粘性牛顿粘性(zhn xn)定律定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N； 剪应力，剪应力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s； 比例系数，称为流体的粘度，比例系数，称为流体的粘度，Pas 。 y

36、udd 一、流体一、流体(lit)的粘度的粘度 第三节第三节 管内流体流动管内流体流动(lidng)现象现象第49页/共126页第48页/共126页第四十九页，共126页。2022-6-3050（二）流体的粘度（二）流体的粘度(zhn d) （动力粘度（动力粘度(zhn d)） 1. 1.粘度的物理粘度的物理(wl)(wl)意义意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。产生单位速度梯度所需的剪应力。),(Tpf 液体液体 :)(Tf T 气体气体 : 一般一般)(Tf T 超高压超高压),(Tpf p 粘度的物理本质：分子间的引力粘

37、度的物理本质：分子间的引力(ynl)和分子的运动与碰撞。和分子的运动与碰撞。第50页/共126页第49页/共126页第五十页，共126页。2022-6-30512. 粘度粘度(zhn d)的单位的单位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)物理物理(wl)制：制：cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP10-3 Pas3.运动运动(yndng)粘度粘度 粘度粘度与密度与密度之比。之比。 m2/s第51页/共126页第50页/共126页第五十一页，共126页。2022-6-3052（ 三 ） 剪 应 力 与 动 量（ 三 ） 剪 应 力 与 动 量(dngling)通量通量 分子动量传递是由于分

38、子动量传递是由于(yuy)流体层之间速度不同，流体层之间速度不同，动量由速度大处向速度小处传递。动量由速度大处向速度小处传递。 AdmuddduAmAmaAF)( smsmkgmsmkgmN2222/ 动量通量：单位时间动量通量：单位时间(shjin)、通过单位面积传递的动量。、通过单位面积传递的动量。剪应力动量通量剪应力动量通量第52页/共126页第51页/共126页第五十二页，共126页。2022-6-3053dyuddyuddyud)()(. msmmkgyu 3 动量动量(dngling)浓浓度梯度度梯度sm /2 运动粘度运动粘度(zhn d)或动量扩或动量扩散系数散系数动量动量(d

39、ngling)通量动量通量动量(dngling)扩扩散系数散系数动量动量(dngling)浓度梯度浓度梯度第53页/共126页第52页/共126页第五十三页，共126页。2022-6-3054牛顿牛顿(ni dn)(ni dn)型流体：剪应力与速度梯度的关系型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿符合牛顿(ni dn)(ni dn) 粘性定律的流体；粘性定律的流体；非牛顿非牛顿(ni dn)(ni dn)型流体：不符合牛顿型流体：不符合牛顿(ni dn)(ni dn)粘性定律的流体。粘性定律的流体。 （四）牛顿（四）牛顿(ni dn)型流体与非牛顿型流体与非牛顿(ni dn)型流体型流体 nyu

40、ddyuadd第54页/共126页第53页/共126页第五十四页，共126页。2022-6-30551、与时间、与时间(shjin)无关的粘性流体无关的粘性流体 假塑性假塑性(Pseudoplastic)(Pseudoplastic)流体流体(lit)(lit)：涨塑性涨塑性(dilatant)(dilatant)流体流体(lit)(lit) ： 宾汉塑性宾汉塑性(Binghamplastic)(Binghamplastic)流体流体(lit)(lit) ： 2、与时间、与时间(shjin)有关的粘性有关的粘性流体流体 触变性触变性(thixotropic)(thixotropic)流体流体

41、：abcda-a-宾汉塑性流体宾汉塑性流体 b-b-涨塑性流体涨塑性流体c-c-牛顿流体牛顿流体d-d-假塑性流体假塑性流体dyud.粘弹性粘弹性(Rhexopectic)(Rhexopectic)流体：流体：第55页/共126页第54页/共126页第五十五页，共126页。2022-6-3056二、流体流动二、流体流动(lidng)(lidng)类型与类型与雷诺数雷诺数 （ 一 ） 雷 诺 实 验（ 一 ） 雷 诺 实 验(shyn)第56页/共126页第55页/共126页第五十六页，共126页。2022-6-3057 层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管

42、轴平行(pngxng)的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；之间互不混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时向上都随时(sush)变化，质点互相碰撞和混合。变化，质点互相碰撞和混合。（二）流型判据（二）流型判据(pn j)雷雷诺准数诺准数 udRe 无因次数群无因次数群第57页/共126页第56页/共126页第五十七页，共126页。2022-6-30581.判断流型判断流型2.Re2000时，

43、流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；3.Re4000时，一般出现湍流时，一般出现湍流(tunli)，此区称为湍流，此区称为湍流(tunli)区；区；4.2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流时，流动可能是层流，也可能是湍流(tunli)，该区称为不稳定的过渡区。，该区称为不稳定的过渡区。2.物理物理(wl)意义意义 Re反映反映(fnyng)了流体流动中惯性力与粘性力的了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。对比关系，标志着流体流动的湍动程度。 第58页/共126页第57页/共126页第五十八页，共126页。2022-6-30

44、59三、三、 流体在圆管内的速度流体在圆管内的速度(sd)(sd)分分布布（一）层流（一）层流(cn li)(cn li)时的时的速度分布速度分布 第59页/共126页第58页/共126页第五十九页，共126页。2022-6-3060由压力由压力(yl)(yl)差产生的推差产生的推力力 221)(rpp 流体流体(lit)(lit)层间内摩擦层间内摩擦力力 dd(2 )ddrruuFArlrr 212d()(2 )drupprrlr 12d()d2rupprrl 管壁处管壁处rR时，时，0，可得速度分布方程，可得速度分布方程 .u22()4rpuRrl 第60页/共126页第59页/共126页

45、第六十页，共126页。2022-6-3061管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即r0时，时， umax .u221max4)(Rlppu 2max1rruuR管截面管截面(jimin)(jimin)上的平均速上的平均速度度 : :V0max2212RrurdrquuAR 即层流即层流(cn li)(cn li)流动时的平均速度为管中心最大流动时的平均速度为管中心最大速度的速度的1/21/2。 即流体在圆形直管内层流流动即流体在圆形直管内层流流动(lidng)时，其速度呈抛物时，其速度呈抛物线分布。线分布。第61页/共126页第60页/共126页第六十一页，共126页。2022-6-3062

46、（二）湍流（二）湍流(tunli)(tunli)时的速度分布时的速度分布 剪应力剪应力 ：yuedd)( e为湍流粘度，与流体的流动为湍流粘度，与流体的流动(lidng)状况有关。状况有关。 max1nrruuR 湍流速度分布湍流速度分布(fnb)的经验的经验式：式：第62页/共126页第61页/共126页第六十二页，共126页。2022-6-3063101102 . 371,102 . 3101 . 161,101 . 110466554 nRenRenRen与与Re有关有关(yugun)，取值如，取值如下：下： 1/7次方定律次方定律71 n当当 时，流体的平均速度时，流体的平均速度 :V

47、max0.82quuA 第63页/共126页第62页/共126页第六十三页，共126页。2022-6-3064湍流流动时沿径向湍流流动时沿径向(jn xin)分为三层：分为三层： 湍流主体、湍流主体、 过渡层、过渡层、 层流内层层流内层第64页/共126页第63页/共126页第六十四页，共126页。2022-6-3065直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而 产生的阻力；产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速 大小大小(dxio)(dxio)及方向的改变而引起的阻力。及方向的

48、改变而引起的阻力。 一、直管阻力一、直管阻力(zl)（一）阻力的表现形式（一）阻力的表现形式 第65页/共126页第64页/共126页第六十五页，共126页。2022-6-3066流体在水平流体在水平(shupng)等径直管中作定态等径直管中作定态流动。流动。22121122f1122ppz guz guh 第66页/共126页第65页/共126页第六十六页，共126页。2022-6-306721uu 21zz 12fpph 若管道若管道(gundo)(gundo)为倾斜为倾斜管，则管，则 12f12()()pphz gz g 流体的流动阻力流体的流动阻力(zl)(zl)表现为静压能的减少；表

49、现为静压能的减少； 水平安装时，流动阻力水平安装时，流动阻力(zl)(zl)恰好等于两截面恰好等于两截面的静压能之差。的静压能之差。 第67页/共126页第66页/共126页第六十七页，共126页。2022-6-3068（二）直管阻力（二）直管阻力(zl)的通的通式式 由于压力由于压力(yl)(yl)差而产生的推动力：差而产生的推动力： 4221dpp 流体流体(lit)(lit)的摩擦力：的摩擦力：dlAF dldpp4)(221 f4lhd 2f282l uhu d 令令 28u 定态流动时定态流动时第68页/共126页第67页/共126页第六十八页，共126页。2022-6-3069直管

50、阻力通式直管阻力通式(tngsh)（范宁（范宁Fanning公式）公式） 其它其它(qt)形式：形式：摩擦系数（摩擦因数）摩擦系数（摩擦因数） 则则 2f2l uhd J/kg压头损失压头损失2f2l uHdg m压力损失压力损失22fudlp Pa 该公式层流与湍流均适用；该公式层流与湍流均适用； 注意注意 与与 的区别。的区别。p fp 第69页/共126页第68页/共126页第六十九页，共126页。2022-6-3070（三）层流（三）层流(cn li)时的摩擦时的摩擦系数系数 max21uu 221max4)(Rlppu 速度速度(sd)分分布方程布方程2dR 22132)(dlupp

51、 2f32dlup 又又哈根-泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程(fngchng) 第70页/共126页第69页/共126页第七十页，共126页。2022-6-3071f232 luhd 能量能量(nngling)损失损失 层流时阻力层流时阻力(zl)(zl)与速度的一次方成正与速度的一次方成正比比 。22f232646422lululuhdd u dRe d Re64 变形变形( b i n xng)：比较得比较得第71页/共126页第70页/共126页第七十一页，共126页。2022-6-30721.管壁管壁(un b)粗糙度对摩擦系数的影粗糙度对摩擦系数的影响响 光滑光滑(

52、gung hu)(gung hu)管：玻璃管、铜管、铅管及塑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。粗糙管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管内径的比值。：绝对粗糙度与管内径的比值。d 层流流动时：层流流动时： 流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，无关，只与只与Re有关。有关。d（四）湍流（四）湍流(tunli)时的摩擦系数时的摩擦系数第72页/共126页第71页/共126页第七十二页，共126页。2022-6-3073 湍流湍流(tu

53、nli)流动时：流动时： 水力光滑管水力光滑管 只与只与Re有关，与有关，与 无关无关d 完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管 只与只与 有关，与有关，与Re无关无关d d 第73页/共126页第72页/共126页第七十三页，共126页。2022-6-3074（四）湍流（四）湍流(tunli)时的摩擦系数时的摩擦系数2. 量纲分析法量纲分析法 目的：（目的：（1）减少实验）减少实验(shyn)工作量；工作量； （2）结果具有普遍性，便于推广。）结果具有普遍性，便于推广。基础基础(jch)(jch)：量纲一致性：量纲一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等， 而

54、且每一项都应具有相同的量纲。而且每一项都应具有相同的量纲。第74页/共126页第73页/共126页第七十四页，共126页。2022-6-3075基本定理：白金汉（基本定理：白金汉（BuckinghamBuckingham）定理定理 设影响某一物理现象的独立变量数为设影响某一物理现象的独立变量数为n n个，个，这些这些(zhxi)(zhxi)变量的基本因次数为变量的基本因次数为m m个，则该物个，则该物理现象可用理现象可用N N（n nm m）个独立的无量纲数群表）个独立的无量纲数群表示。示。 湍流时压力损失的影响因素：湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：）流体性质：，（2）流动的几何尺寸

55、：）流动的几何尺寸：d，l，（管壁（管壁(un b)粗糙度）粗糙度）（3）流动条件：）流动条件：u第75页/共126页第74页/共126页第七十五页，共126页。2022-6-3076 ,fldufp 物理变量物理变量(binling) n(binling) n 7 7基本量纲基本量纲 m m3 3无量纲数群无量纲数群 N Nn nm m4 4 ddludup ,2f无量无量(wling)纲化处理纲化处理式中：式中：2fupEu 欧拉（欧拉（Euler）准数准数即该过程即该过程(guchng)可用可用4个无量纲数群表个无量纲数群表示。示。第76页/共126页第75页/共126页第七十六页，共1

56、26页。2022-6-3077d 相对粗糙度相对粗糙度dl管道的几何尺寸管道的几何尺寸 udRe 雷诺数雷诺数根据实验根据实验(shyn)(shyn)可知，流体流动阻力与管长成正比，可知，流体流动阻力与管长成正比，即即 dRedlup ,2ff ff f2,plhReudd 或或),(dRe 2f2l uhd 第77页/共126页第76页/共126页第七十七页，共126页。2022-6-3078莫狄（莫狄（Moody）摩擦）摩擦(mc)因因数图：数图：第78页/共126页第77页/共126页第七十八页，共126页。2022-6-3079（1）层流区（）层流区（Re 2000） 与与 无关，与无

57、关，与ReRe为直线关系，即为直线关系，即 , ,即即 与与u的一次方成正比。的一次方成正比。d Re64 fhu fh（2 2）过渡）过渡(gud)(gud)区（区（2000Re4000) 2000Re4000) 将湍流时的曲线将湍流时的曲线(qxin)(qxin)延伸查取延伸查取值值 。（3 3）湍流区（）湍流区（Re4000Re4000以及以及(yj)(yj)虚线以下的区域）虚线以下的区域） ),(dRef 第79页/共126页第78页/共126页第七十九页，共126页。2022-6-3080（4 4）完全湍流区）完全湍流区 （虚线以上（虚线以上(yshng)(yshng)的区域）的区域

58、） 与与Re无关，只与无关，只与 有关有关 。d 该区又称为该区又称为(chn wi)阻力平方阻力平方区。区。2fhu d 一定时，一定时，经验经验(jngyn)(jngyn)公式公式 ：柏拉修斯（柏拉修斯（BlasiusBlasius）式：式：25. 03164. 0Re适用光滑管，适用光滑管，Re2.5103105第80页/共126页第79页/共126页第八十页，共126页。2022-6-3081Red51. 27 . 3/lg21考莱布鲁克（考莱布鲁克（ColebrookColebrook）式：式：Red9 . 67 . 3/lg2111. 1哈兰德（哈兰德（HaalandHaaland

59、）式：式：适用范围适用范围 Re4103108， /d = 510-210-6第81页/共126页第80页/共126页第八十一页，共126页。2022-6-3082（五）（五） 非圆形管内非圆形管内(un ni)的流动的流动阻力阻力 当量当量(dngling)(dngling)直径：直径： Ad44e润湿周边润湿周边流通截面积流通截面积 套管套管(to un)(to un)环隙，内管的外径为环隙，内管的外径为d1d1，外管的，外管的内径为内径为d2 :d2 : 12122122e44ddddddd 边长分别为边长分别为a、b的矩形管的矩形管 :baabbaabd 2)(24e第82页/共126

60、页第81页/共126页第八十二页，共126页。2022-6-3083说明：说明：（1）Re与与hf中的直径中的直径(zhjng)用用de计算；计算；（2）层流时：）层流时：ReC 正方形正方形 C57套管套管(to un)环隙环隙 C96 （3）流速用实际）流速用实际(shj)流通面积计算流通面积计算 。2e785. 0dquV 第83页/共126页第82页/共126页第八十三页，共126页。2022-6-3084二、局部二、局部(jb)阻力阻力 （一）阻力（一）阻力(zl)(zl)系数系数法法 将局部阻力表示为动能将局部阻力表示为动能(dngnng)(dngnng)的某一倍数。的某一倍数。