第一章流体流动1课件

第一节流体静力学主要概念流体、压力、密度。重点

压力的不同计量标准；流体静力学基本方程式；流体静力学基本方程式的应用。1第一节流体静力学主要概念1流体流体：气体和液体统称为流体。不可压缩流体：体积不随压力和温度变化。可压缩流体：体积随压力和温度变化。一般把液体当作不可压缩流体；气体则属于可压缩流体。2流体流体：气体和液体统称为流体。2流体的压力定义：流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，习惯上称为流体的压力，单位是N/m2，简称Pa。静压力：静止流体内单位面积上所受到的力称为静压力。性质：静止流体内任何一点的压力在各个方向上都是相等的。3流体的压力定义：流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强，压力的计量标准：绝对压力、表压和真空度绝对压力:流体体系的真实压强。表压：压力上读取的压强值。真空度:表压的负值，即真空表上读取的压强值。4压力的计量标准：绝对压力、表压和真空度4（1）绝对压力和表压：表压＝绝对压力－大气压力5表压＝绝对压力－大气压力5（2）真空度：真空度＝大气压力－绝对压力6（2）真空度：真空度＝大气压力－绝对压力6例1－1用真空表测量某台离心泵进口的真空度为30kPa，出口用压力表测量的表压为170kPa。当地大气压力为101kPa，试求他们的绝对压力。7例1－1用真空表测量某台离心泵进口的真空度为30kPa流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量(1)对一定的流体，(2)对理想液体，混合液体的体积等于各组分的体积之和，即8流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量8

(3)对于一般低压气体，根据密度的定义和理想气体状态方程，有

(4)

对于低压混合气体，有9(3)对于一般低压气体，根据密度的定义和理想气体状例1－2

已知氮氢混合气体中N2与H2的体积比为1：3，试求氮氢混合气体在压力100kPa（绝对压力）和温度25℃时的密度。10例1－2已知氮氢混合气体中N2与H2的体积比为1：3，试1111例1－3已知苯和甲苯混合液中苯的质量分数为0.6。试求混合液在20℃下的密度。已知20℃下苯的密度为879kg/m3，甲苯的密度为867kg/m3。12例1－3已知苯和甲苯混合液中苯的质量分数为0.6。试求混1313流体静力学基本方程式静力学方程式：描述静止流体内部压力随高度变化的方程式。p=?(h)hp014流体静力学基本方程式静力学方程式：描述静止流体内部压力随高度静力学方程式的推导

如图，设液柱的横截面积为A，流体密度ρ，

p1和p2分别表示高度z1和z2处的压力，根据牛顿力学，在静止流体中，有z2z1Gp2p0p1令15静力学方程式的推导z2z1Gp2p0p1令15对于不可压缩流体（如液体），静止流体内部任一点的压力，有这就是流体静力学方程式，该式也适用于气体。p=?(h)hp016对于不可压缩流体（如液体），静止流体内部任一点的压力，有p推论

(1)在静止连续的同一液体内，同一水平面处的压力相等。

(2)静止液体上方的压力变化，将传至液体内的所有各点。

(3)可以用液柱高度来表示压力差或压力。17推论17静力学方程式的应用U形管压差计如图，U形压差计是一根内装

指示液的U形玻璃管。指示液的要求：

a：与被测流体不互溶；

b：密度大于被测流体；

C：汞、四氯化碳、水和液体石蜡等。18静力学方程式的应用U形管压差计18U形压差计的测压原理

如图，设指示液的密度为ρ0，流体密度ρ，由静力学基本方程，而则

19U形压差计的测压原理19即若被测流体为气体时，由于＞＞ρ，则由此可见，可以利用U形压差计指示液的液柱差来表示被测流体两点间的压力差。20即20倒U形管压差计

21倒U形管压差计21例1－4

如图1－5所示，常温水在管路中流过，为测定a、b两点的压力差，安装－U形压差计，指示液为汞。已知压差计读数R=100mmHg，试计算a、b两点的压力差。已知水和汞的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。22例1－4如图1－5所示，常温水在管路中流过，为测定a、2323斜管压差计如图24斜管压差计24微型压差计如图，由静力学方程式25微型压差计25液面测定如图，根据静力学方程式26液面测定26例1－5为了确定容器中石油产品的液面，采用如图所示的装置。压缩空气用调节阀1调节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡观察器内有气泡缓慢逸出即可。因此气体通过吹气管的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用U形压差计来测量。压差计读数R的大小，反映贮罐内液面的高度。指示液为汞。（1）分别由a管或由b管输送空气时，压差计读数分别为R1和R2，试推导R1、R2分别同z1、z2的关系。（2）当（z1－z2）＝1.5m，R1=0.15m，R2＝0.06m时，试求石油产品的密度ρ及z1。27例1－5为了确定容器中石油产品的液面，采用如图所示的28282929确定液封高度要求设备内压力不超过p1，液封的高度h为：30确定液封高度要求设备内压力不超过p1，液封的高度h为：30作业P611-8、1-1031作业P6131第二节管内流体流动的基本方程式主要概念

流量、流速、稳定流动、不稳定流动重点

连续性方程式伯努力方程式32第二节管内流体流动的基本方程式主要概念32流量

体积流量Vs

：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位为m3/s。质量流量ws

：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，单位为kg/s。显然流量与流速33流量流量与流速33流速平均流速：单位时间内流体流经管道单位截面积的体积，即所以质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面积的质量

34流速34管径的计算35管径的计算35例1－6以内径105mm的钢管输送压力为202.6kPa（绝对压力）、温度为120℃的空气，已知空气在标准状况（）下的体积流量为630m3/h，试求此空气在管内的流速和质量流速。36例1－6以内径105mm的钢管输送压力为202.6kPa3737流体的流动状态1.稳定流动（定态）：流动流体中任何一点的全部物理量都不随时间而变。2.不稳定流动（不定态）：流动流体中任何一点的部分或全部物理量都随时间而变。38流体的流动状态38连续性方程式对于连续稳定流动的流体，如同所示，从截面1－1进入的流体质量，等于从截面2－2流出的流体质量，即所以

——连续性方程式39连续性方程式对于连续稳定流动的流体，如同所示，从截面1－1进对于不可压缩流体，有对于圆形管道，有40对于不可压缩流体，有40例1－8如图所示的输水管路，管径d1=2.5cm；d2=10cm；d3=5cm。（1）当流量为4L/s时，各管段的平均流速为多少？（2）当流量分别增至8L/s、减至2L/s时，平均流速如何变化？41例1－8如图所示的输水管路，管径d1=2.5cm；d24242伯努力方程式伯努力方程式：管内流体流动的机械能衡算式。

如图，设流体的质量流量为qm，管截面积为A，在管内取微管段dx，段中流体质量dm

沿管x方向的受力为43伯努力方程式伯努力方程式：管内流体流动的机械能衡算式。43根据动量定理，即，对于不可压缩流体，对上式积分可得——理想流体的伯努力方程44根据动量定理，——理想流体的伯努力方程44其中，为单位质量流体所具有的位能；为单位质量流体所具有的静压能；为单位流体所具有的动能；单位均为J/kg。45其中，为单位质量流体所具有的位能；45对于不可压缩非黏性流体（理想流体），根据能量守恒定律，单位质量流体具有的机械能不变，即这就是伯努力方程的单位质量流体能量守恒方程式。46对于不可压缩非黏性流体（理想流体），根据能量守恒定律，单位质若将方程两边各项除以g，则得到伯努力方程的单位重量流体能量守恒方程式。在流体力学中，通常把称为位压头，称为静压头，称为动压头或速度压头。47若将方程两边各项除以g，则得到伯努力方程的单位重量流体实际流体机械能衡算式

（习惯上也称为柏努利方程）对实际流体进行机械能衡算时，要加上能量损失项，即称为压头损失。48实际流体机械能衡算式

（习惯上也称为柏努利方程）对实际流体进若有外加机械能，则

H称为外加压头。49若有外加机械能，则49例1－950例1－95051515252例1－10从高位槽向塔内加料，高位槽和塔内的压力均为大气压，如图1－16所示。要求料液在管内以0.5m/s的速度流动，试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？已知料液在管内的压头损失为1.2m液柱。53例1－10从高位槽向塔内加料，高位槽和塔内的压力均为大5454作业P611－151－1755作业P6155第三节管内流体流动现象基本概念

黏度、雷诺数重点掌握

牛顿黏度定律

流体流动类型与雷诺数的关系流体在圆管内的速度分布56第三节管内流体流动现象基本概念56牛顿黏性定律黏性：流体流动时产生的内摩擦力称为黏性。流体黏性越大，流动时产生的内摩擦力越大，其流动性越小。内摩擦力：流体内部相邻两流层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或黏滞力。57牛顿黏性定律黏性：流体流动时产生的内摩擦力称为黏性。流体黏性实验现象：板间液体运动，且形成上大下小的流速分布(速度差)。58实验现象：板间液体运动，且形成上大下小的流速分布(速度差)。牛顿黏度定律两流体层间单位面积上的内摩擦力或剪应力与垂直于流动方向的速度梯度成正比，即

μ——黏性系数或动力粘度，简称黏度，单位Pa·s

或P（泊）另，定义为运动黏度，单位。59牛顿黏度定律59牛顿型流体与非牛顿型流体

满足牛顿粘性定律的流体叫牛顿型流体，如空气、水等。不满足牛顿黏性定律的叫非牛顿型流体，如泥浆、高分子溶液等。60牛顿型流体与非牛顿型流体60流动类型与雷诺准数雷诺实验

实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。从有色液体的流动情况可以观察到管内水流的质点运动情况。61流动类型与雷诺准数雷诺实验61实验现象及流动类型流体质点只有轴向运动（层流或滞流）。流体质点除有轴向运外，还有径向运动。（过渡流）

流体质点除有轴向运动和径向运动外，还相互碰撞和混合。（湍流或紊流）62实验现象及流动类型62流体流动类型与雷诺准数雷诺准数的定义：其量纲为1。不同的管中，当Re相同，则流体的流动状态也相同，这称为流体流动的相似原理。63流体流动类型与雷诺准数不同的管中，当Re相同，则例1－12为研究某一操作过程的能量损失，在实验室制作一尺寸为生产设备1/10的实验设备，生产设备中操作流体为常压、80℃的空气，其流速为2.5m/s。今在实验设备中拟用常压和20℃的空气进行实验。问实验设备中空气速度应为若干。64例1－12为研究某一操作过程的能量损失，在实验室制作一6565例1－13

有一内径为25mm的水管，如管中流速为1.0m/s，水温为20℃。试求（1）管路中水的流动类型；（2）管路内水保持层流状态的最大流速。66例1－13有一内径为25mm的水管，如管中流速为1.06767例1－14某低速送风管路，内径d=200mm，风速u=3m/s，空气温度为40℃。求（1）风道内气体的流动类型；（2）该风道内空气保持层流的最大流速。已知40℃时空气的运动黏度为16.96×10-6m2/s68例1－14某低速送风管路，内径d=200mm，风速u=6969层流：抛物线分布，速度分别的形成流体在圆管内的速度分布70层流：抛物线分布，流体在圆管内的速度分布70理论分析(1)速