第1章 流体流动2-化工原理

§3流体动力学本节思考题1.流体的体积流量、质量流量、流速（平均流速）及质量流速的定义及相互关系。2.什么是连续性方程式，说明其物理意义及应用。3.掌握理想流体和实际流体的柏努利方程式，说明各项单位及物理意义。4.应用柏努利方程式时，应注意哪些问题？如何选取基准面和截面？5.应用柏努利方程式可以解决哪些问题？§3流体动力学一、概述1.流量(1)体积流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的体积，以V表示，单位：m3/s或m3/h。(2)质量流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的质量，以W表示，单位：kg/s或kg/h。体积流量与质量流量的关系：W=Vρ

2.流速(2)质量流速:单位时间内流体流过管路单位截面积的质量，以G表示，单位：kg/(m2·s)。(1)平均流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离，以u表示，单位：m/s。

工程上u=V/A3.管径的估算:选定流速u计算d圆整（规格化，取标准管径）

一般：液体：u=0.5～3m/s

气体：u=10～30m/s计算实际流速u实确定管径：4.稳定流动与不稳定流动1）稳定流动：若与流动有关的各参数只随位置变化，不随时间变化，为稳定流动，如图（打开进水管1）所示。

2）不稳定流动：若与流动有关的各参数不仅随位置变化，而且随时间变化，为不稳定流动，如图（关闭进水管1）所示。二、物料衡算——连续性方程1.稳定流动的物料平衡W1=W2

u1A1ρ1=u2A2ρ2

不可压缩流体由于ρ为常数，则有u1A1=u2A2

对内径为d的圆形管路，存在连续性方程⒉不稳定流动的物料平衡：设瞬时进入、输出物料质量流量分别为Wi、Wo，微分时间dτ内积累的物料量为dm，则有：说明：要注意可压缩性流体及不可压缩性流体的区别；无论可压缩与否，均可采用可压缩性流体的连续性方程，即原始方程：

W1=W2或：u1A1ρ1=u2A2ρ2

三、机械能衡算-柏努力方程式(1)位能：质量为m的流体距基准水平面高度为Z时的位能为mgZ。单位为J。(2)动能：质量为m，流速为u的流体所具有的动能为单位为J。1.流动的流体所具有的机械能比位能：单位质量的流体距基准水平面高度为Z时的位能，称为比位能。比位能大小为gZ。单位为J/kg。比动能：单位质量流速为u的流体所具有的动能称为比动能，比动能大小为单位为J/kg。三、机械能衡算-柏努力方程式(3)压力能(静压能)：静压能单位比静压能：单位质量的流体所具有的静压能称为～比静压能大小为PV/m=P/ρ,单位为J/kg。质量为m,体积为V,压力为P的流体具有的静压能为:三、机械能衡算-柏努力方程式

(4)外功：由流体输送设备(泵或压缩机等)向流体作功,流体便获得了相应的机械能，称为外功或有效功。单位质量(1kg)流体所获得的外加机械能，以We表示，单位为J/kg。

(5)能量损失:由于流体具有粘性，在流动时存在着内摩擦力，便会产生流动阻力，因而为克服流动阻力就必然会消耗一部分机械能。把克服流动阻力而消耗的机械能称为能量损失。对单位质量(1kg)流体在衡算范围内流动时的能量损失称为比能损失，以hf表示，单位为J/kg。在截面1-1´和截面2-2´之间对单位质量流体作机械能衡算为：三、机械能衡算-柏努力方程式输入的机械能为：输出的机械能为：2.机械能衡算-柏努力方程式输入的机械能=输出的机械能或对不可压缩的理想流体且无外功加入，上式变为：——柏努利方程式——柏努利方程式三、机械能衡算-柏努力方程式——柏努利方程式对不可压缩的真实流体且有外功输入，则3.柏努利方程式的分析与讨论(1)柏努利方程式的几种形式。其中3.柏努利方程式的分析与讨论(2)对于无外功加入的实际流体的流动管路，流体总是由总比能大的截面流向总比能小的截面。(3)流体的静止状态是其流动状态的一种特殊形式。系统无外功加入，we=0,∑hf=0，则(4)单位时间内输送机械对流体所作的有效功称为有效功率，以Ne表示，即Ne=weW=weVρ(5)对于气体，若两截面(p1-p2)/p1≤20%时，柏努利方程式仍适用，只是将其中的密度用平均密度代替。3.柏努利方程式的分析与讨论4.柏努利方程式的应用(3)管路计算(1)总比能和流向判断(2)计算流体输送机械的功率注意事项1．画出示意图2．选取截面要进行能量衡算3.选取基准水平面4.单位必须统一

1.某厂准备用离心泵将20℃的清水以40m3h-1的流量由敞口的储水池送到某吸收塔的塔顶。已知塔内的表压强为1kgfcm-2，塔顶水入口距水池水面的垂直距离为6m，吸入管和排出管的压头损失分别为1m和3m，管路内的动压头忽略不计。当地的大气压为10.33m水柱，水的密度为1000kgm-3。现仓库内存有三台离心泵，其型号和铭牌上标有的性能参数如下，从中选一台比较合适的以作上述送水之用。 型号流量（m3h-1）扬程（m）

3B57A50383B3345323B193820

例题例题§4流体在管内的流动阻力本节思考题1.流体的流动类型有哪几种？如何判断？2.雷诺准数（Re）的物理意义是什么？3.范宁公式(Fanning)。4.层流时摩擦系数计算式。5.掌握摩擦系数图（λ-Re，ε/d）查取摩擦系数的方法？6.何谓当量直径？如何计算？7.直管阻力、局部阻力的计算？§4流体在管内的流动阻力一、流体流动的型态二、边界层概念三、流体流经管路的阻力损失四、直管阻力损失五、局部阻力损失(a)层流(b)过渡流*(c)湍流两种稳定的流动状态：层流、湍流雷诺实验装置雷诺实验装置，可以验证雷诺的实验结果。雷诺实验装置另一种雷诺实验装置，也可以验证雷诺的实验结果。一、流体流动的型态雷诺实验1.雷诺实验及流体流型流体的流型层流(滞流)过渡流(不稳定流)湍流(紊流)影响因素：流速u、流体密度ρ、粘度μ、管径d2.流型的判别依据——雷诺数雷诺准数：流型判别：Re≤2000层流区2000＜Re＜4000过渡区Re≥4000湍流区3.雷诺数Re的物理意义：

流体粘性力：使流体保持有序的层流流动流体惯性力：使流体质点作无序的自由运动u↓，μ↑→粘性力主导→层流u↑，μ↓→惯性力主导→湍流二、边界层概念1.平壁边界层的形成定义：通常把从流速为0的壁面处至流速等于主体流速u0的99%处之间的区域称为边界层。边界层界限u0yu0xu02.边界层的发展：x较小→边界层厚度δ较小→u较小→层流边界层；x↑→δ↑→u↑→湍流↑→湍流边界层；