流体力学基础知识

流体力学基础知识第1页，课件共57页，创作于2023年2月第2页，课件共57页，创作于2023年2月第一节流体的物理性质及流体力学的基本概念一、流体的概念及物理性质1.概念具有流动性的介质，如水、空气、蒸汽等。这些液体和气体统称流体。流体的基本特性就是流动性。第3页，课件共57页，创作于2023年2月流体的主要物理性质一、流体的密度、重度和相对密度1．密度（1）定义：单位体积的质量。（2）公式：2.比容

比容是单位质量所占的体积，与密度的关系为：其中ρ——㎏/m3；M——㎏；V——m3。第4页，课件共57页，创作于2023年2月3．重度（1）定义：单位体积的重量。（2）公式：其中——N/m3，g——N，V——m3第5页，课件共57页，创作于2023年2月4．相对密度相对密度是物体的密度与同样体积4℃蒸馏水的密度之比，流态的相对密度S表示为：ρW=1000㎏/m3（4℃）；γW=9800N/m3；VW=0.001m3/㎏。流体的密度、重度、比容均与流体的温度和压强有关。第6页，课件共57页，创作于2023年2月二、流体的压缩性和膨胀性1．压缩性：T不变时，P增大，V随之减小的性质。2．膨胀性：P不变，T升高时，V增大的性质。3．液体的压缩性和膨胀性均很小，气体则较明显，但通常均视流体为不可压缩、连续的理想流体。（连续介质、无粘性流体、不可压缩流体）第7页，课件共57页，创作于2023年2月体积压缩系数

其物理意义是：当温度不变时，每增加单位压力所产生的流体体积的相对变化率。体积压缩系数的倒数叫作流态体积弹性系数第8页，课件共57页，创作于2023年2月4.粘性

定义：指当流体微团发生相对运动时产生切向阻力的性质。

由于粘性的存在，流体在运动中必然要克服摩擦力做功，因此，粘性是流体中发生机械能量损失的根源。

（1）动力粘度动力粘度µ，也称绝对粘度，单位N·S/m2第9页，课件共57页，创作于2023年2月或Pa·S。（2）运动粘度

在研究流体流动时，常使用运动粘度ν，单位是m2/s。ν和µ的关系为：

不同流体µ、ν不同，温度较压力对其影响更大。温度升高时液体动力粘度降低，气体动力粘度增大。第10页，课件共57页，创作于2023年2月流体力学基本概念1.相对压强

以大气压强为零点起算的压强。它表示给出的压强比周围大气压大多少。2.绝对压强

以没有一点气体存在的绝对真空为零点起算的压强。或：从绝对零点起算的压强（一个容器中的气体完全抽空时，其压强为绝对零）。它是流体的全部压强。绝对压强ｐ’不能为负，它和相对ｐａ相比，可大，可小。因此，ｐ可正可负。当ｐ为正时，称正压（即表压）。当ｐ为负时，称负压，其绝对值为真空度（即真空表读数）。

ｐ’=ｐ+ｐａ第11页，课件共57页，创作于2023年2月4.图解绝对压力、相对压力和真空度的关系绝对压强基准0压强p大气压强pa相对压强基准0A绝对压强p’AA相对压强pABB真空度PBB绝对压强p’BpaA第12页，课件共57页，创作于2023年2月单位1.pa或N/m22.液柱高度mH2O;mmH2O。理想流体为简化所研究的问题,认定没有粘性的流体为理想流体。第13页，课件共57页，创作于2023年2月摩阻损失摩阻损失的形式1.产生摩阻损失的原因：流体流动时，由于克服了流动阻力，一部分机械能不可逆转地转化为热能散失而产生的损失。2.沿程损失ｈｆ：受固体边界阻滞而产生。3.局部损失ｈｊ：由于受到局部阻碍的影响，流态急剧变化，形成涡旋而产生损失。4.摩阻损失ｈｗ：第14页，课件共57页，创作于2023年2月流态1.层流：流层间互不掺混，流线平行。2.紊流：各质点间强烈掺混，运动轨迹极不规则。3.雷诺数：雷诺数是液流中惯性力与粘滞力之比。第15页，课件共57页，创作于2023年2月水力坡降i为水力坡度，即单位管段长度上的摩阻损失，m/m。l为管段长度，m。第16页，课件共57页，创作于2023年2月第二节流体静力学及方程流体不能受拉力、剪切力，但能承受较大的压力，便于流动。一、流体静压力及其特性1.流体静压力:由处于静止或相对静止的均质流体施加的力。Or：作用在整个物体表面积上的称为流体静压力，而作用在单位面积上的流体静压力称为流体静压强。第17页，课件共57页，创作于2023年2月一水箱，任取一截面，上部分作用其上的力为ΔＰ，面积为ΔＡ，则ΔＡ上的平均流体静压强当ΔＡ缩小→ａ点时，比值趋于某一极限值，称为ａ点的流体静压强：若Ｐ为常数，则第18页，课件共57页，创作于2023年2月2.流体静压强的特性流体静压力、静压强都是压力的一种量度，其区别在于：前者是作用在某一面积上的总压力，后者是作用在某一面积上的平均压力或某一点的压力。（1）其方向垂直于作用面并指向作用面；否则，就有一个平行于作用面的切向分力，使流体失去静止状态。（2）任意点各方向上的流体静压强相等；任意点的流体静压强的大小与作用面方向无关，只与该点的位置有关。第19页，课件共57页，创作于2023年2月3.流体静力学的基本方程静止状态时，只有重力产生作用:P-静水压P1-液面上压力-液体重度h-水深水平方向无重力前后左右各方向的水平力处于平衡状态，合力为0。该公式为普遍关系式。第20页，课件共57页，创作于2023年2月其中，ｐ０——液面压强；ｐ——液体内部某点的压强；——容重；ｈ——深度。它表示静止液体中，压强随深度按直线变化的规律。任一点的压强由p0和ｈ两部分组成。压强的大小与容器的形状无关。液面下任一点的压强第21页，课件共57页，创作于2023年2月规律：１.深度相同，压强相同。由于液面是水平面，所以这些压强相同的点组成的面是水平面，即：水平面是压强处处相同的面。所以，水平面是等压面。两种不相混杂的液体的分界面也是水平面，自由表面是水深为０的各点组成的等压面。2.液面压强ｐ０变化ｐ０，内部压强ｐ随之变化ｐ０。此即水静压强等值传递的帕斯卡定律。3.重度不同，产生的压强不同。同一容器装上不同的液体，底面压强各不相同。注意：该规律是同种液体处于静止、连续的条件下推出，所以，只适用于静止、同种、连续的液体。第22页，课件共57页，创作于2023年2月压力的计量单位应力单位用单位面积承受的力表示。国际常用1Pa=1N/m2大气压单位

国际规定1标准大气压为101325Pa。液柱高度单位

压力大小也可用某种液柱高度表示，如1标准大气压等于760mm汞柱。第23页，课件共57页，创作于2023年2月流体静压力的测量

测量压力的仪表根据测量原理的不同分为液柱式、机械式、电气式三种。

液柱式测压计是利用液柱高度与被测压力平衡原理制成的测压仪表。

常用的有测压管和U型管测压计

第24页，课件共57页，创作于2023年2月第三节流体动力学基础一、流体动力学基本概念1.动水压力流动液体中，垂直于液流方向所测得的压力。2.稳定流：流体流动时，流速、压力、密度等不随时间而变。非稳定流：流体流动时，流速、压力、密度等随时间而变化。3.流线：流体连续质点在某一瞬时的流动方向线。它是光滑曲线，不相交，它的疏密可反映流速大小。迹线：流体某一质点在连续时间内的流动轨迹。稳定流可用迹线代替流线。第25页，课件共57页，创作于2023年2月4.元流：通过微元面积上各点作流线所形成的微小流束。总流：无数元流的总和。5.过流断面：处处与流线垂直的横断面。流速：质点运动的速度。流量：单位时间内通过过流断面的流体体积。其中：流量和流速的关系式为：A—有效段面积。第26页，课件共57页，创作于2023年2月二、稳定流的连续方程

稳定流动时流入的流体质量必然等于流出流体质量即质量守恒方程（不可压缩流体）：常数第27页，课件共57页，创作于2023年2月三、稳定流能量方程即伯努利方程：各项的含义：等式左边表示为通过选定断面单位液流所具有的总机械能，又称总水头。第28页，课件共57页，创作于2023年2月其中：Z——比位能，又称位置水头，即以某基准面至所选横截面指定点的位置高度。——比压能，又称压力水头，及动压换算的高度。——比动能，又称流速水头，及液流从指定断面某点处的平均流速所产生的水柱高度。a是动能修正系数，v是流速。第29页，课件共57页，创作于2023年2月h——能量损失，又称损失水头，即液流从指定的一个断面流到另一个断面损失的平均水头。实际流体伯努利方程的使用条件说明1.液流必须是稳定流，即流量固定不变2.液流认为是均质的不可压缩的，即密度不变3.作用于流体上的质量力只有重力4.所取的两个断面必须是渐变流过流断面5.两个断面所用的压力标准必须一致，一般多用表压第30页，课件共57页，创作于2023年2月第四节流体的流动形态及

管流阻力

一、流体的流动形态及判断层流：流体流动时，如果质点没有横向脉动，不引起流体质点的混杂，而是层次分明，能够维持稳定的流束。紊流：流体流动时，如果质点具有横向脉动，引起流体质点的相互错杂交换。第31页，课件共57页，创作于2023年2月二、流态的判断准则1.流态存在临界状态，处于层流状态和紊流状态之间的状态是层流到紊流的过渡2.使用雷诺数判别液体流态，能反映出流速、管径和流体物理性质三方面对流态的影响。第32页，课件共57页，创作于2023年2月临界雷诺数：工程计算中用下临界雷诺数作为判别流动形态的标准。Re≤2000为层流。Re＞2000为紊流。第33页，课件共57页，创作于2023年2月管流阻力计算实际流体在管道中流动时，由于流动边界情况不同，产生阻力的原因也不同，通常将流动阻力分为沿程阻力和局部阻力两大类。1.沿程阻力的计算由于粘滞力作用，在等直径的直管内，流体之间产生的摩擦力成为沿程阻力或沿程摩阻。第34页，课件共57页，创作于2023年2月达西公式式中L——管路长度，m；

d——管内径，m；

V——平均流速，m／s；

g——重力加速度，m／；

——圆管层流的沿程阻力系数或水力摩阻系数，。

第35页，课件共57页，创作于2023年2月列宾宗公式水力光滑区：第36页，课件共57页，创作于2023年2月各流态区的A、m、

值的沿程摩阻的计算式见下表

第37页，课件共57页，创作于2023年2月管道纵断面图：在直角坐标上表示管道长度与沿线高程变化的图形称为管道纵断面图第38页，课件共57页，创作于2023年2月例题1圆管的直径d=0.02m，流速v=0.12m/s

，水温t=10

。试求20m管长上的沿程水头损失。(水在10℃时的运动粘滞系数1.3*10^-6

)解：流动的雷诺数为故为层流，求沿程阻力系数为第39页，课件共57页，创作于2023年2月沿程损失为第40页，课件共57页，创作于2023年2月例题2某站间输油管道内径为704mm，站间距为75km，输量为2200m3/h,所输油品粘度为3.0×10－5m2/s已知流态为紊流水力光滑区，其沿程摩阻是多少？（已知m＝0.25，β＝0.0246）解:应用列宾宗公式第41页，课件共57页，创作于2023年2月代入计算

可得沿程摩阻为:305.5m第42页，课件共57页，创作于2023年2月局部阻力计算产生局部水头损失的原因：（1）液流中流速的重新分布；（2）在旋涡中粘性力做功；（3）液体质点的混掺引起的动量变化。或第43页，课件共57页，创作于2023年2月管道的水力坡降就是单位长度管道的摩阻损失。第44页，课件共57页，创作于2023年2月翻越点第45页，课件共57页，创作于2023年2月液柱分离当管道受到减压波的作用，管内压力降至低于溶解气的饱和压力时，油品中的溶解气就会过饱和而逸出，在液体内形成许多小气泡。当压力进一步下降，低于液体的饱和蒸气压时，管内液体就会汽化，产生蒸汽。蒸汽与已形成的溶解气泡结合，形成较大的气团在管内上升。液体内气泡倾向于停留、聚集在管道高点或某些顶端的局部位置，形成较大的气泡区，而液体则在气泡的下面流过，这种情况称为液柱分离。第46页，课件共57页，创作于2023年2月第五节管路的水力计算管道的工作特性输油泵的工作特性泵站工作综合特性泵站-管道系统的工作特性油品交替时管道系统工作点的变化第47页，课件共57页，创作于2023年2月管道的工作特性管道的工作特性系指管径、管长一定的某管道，输送性质一定的某种油品时，管道压降H随流量Q变化的关系。其数学关系式为第48页，课件共57页，创作于2023年2月第49页，课件共57页，创作于2023年2月输油泵工作特性

固定转速离心泵的工作特性调速泵的工作特性第50页，课件共57页，创作于2023年2月泵站工作综合特性

泵站的工作特性指泵站的排量和扬程的相互关系。多台泵串联的泵站特性多台泵并联