簡介：第一章流體力學基礎(chǔ),11概述12流體靜力學及其應(yīng)用13流體流動的基本方程14管路計算15流速、流量測量,11概述,1連續(xù)介質(zhì)模型流體是由分子或原子所組成，分子或原子無時無刻不在作無規(guī)則的熱運動。假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點（或微團）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點由大量分子構(gòu)成的微團，其尺寸遠小于設(shè)備尺寸、遠大于分子自由程。,11概述,2流體的壓縮性流體體積隨壓力變化而改變的性質(zhì)稱為壓縮性。實際流體都是可壓縮的。液體的壓縮性很小，在大多數(shù)場合下都視為不可壓縮，而氣體壓縮性比液體大得多，一般應(yīng)視為可壓縮，但如果壓力變化很小，溫度變化也很小，則可近似認為氣體也是不可壓縮的。,11概述,3作用在流體上的力作用在流體上的所有外力?F可以分為兩類質(zhì)量力和表面力，分別用FB、FS表示，于是質(zhì)量力質(zhì)量力又稱體積力，是指作用在所考察對象的每一個質(zhì)點上的力，屬于非接觸性的力，例如重力、離心力等。,,,11概述,3作用在流體上的力表面力表面力是指作用在所考察對象表面上的力。,,,,,任一面所受到的應(yīng)力均可分解為一個法向應(yīng)力（垂直于作用面，記為?II）和兩個切向應(yīng)力（又稱為剪應(yīng)力，平行于作用面，記為?IJ，I?J），例如圖中與Z軸垂直的面上受到的應(yīng)力為?ZZ（法向）、?ZX和?ZY（切向），它們的矢量和為,,11概述,3作用在流體上的力類似地，與X軸、Y軸相垂直的面（參見圖12）上受到的應(yīng)力分別為,,,,,,12流體靜力學及其應(yīng)用,121靜止流體所受的力122流體靜力學基本方程123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,121靜止流體所受的力,靜止流體所受的外力有質(zhì)量力和壓應(yīng)力兩種,流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強，習慣上又稱為壓力。（1）壓力單位在國際單位制（SI制）中，壓力的單位為N/M2，稱為帕斯卡（PA），帕斯卡與其它壓力單位之間的換算關(guān)系為1ATM（標準大氣壓）1033AT（工程大氣壓）1013?105PA760MMHG1033MH2O,121靜止流體所受的力,（2）壓力的兩種表征方法絕對壓力以絕對真空為基準測得的壓力。表壓或真空度以大氣壓為基準測得的壓力。,,,122流體靜力學基本方程,,對連續(xù)、均質(zhì)且不可壓縮流體，?常數(shù)，對于靜止流體中任意兩點1和2，則有兩邊同除以?G,靜力學基本方程,,122流體靜力學基本方程,討論（1）適用于重力場中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流體；（2）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面；（3）壓力具有傳遞性液面上方壓力變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。即壓力可傳遞，這就是巴斯噶定理；（4）若記，?稱為廣義壓力，代表單位體積靜止流體的總勢能（即靜壓能P與位能?GZ之和），靜止流體中各處的總勢能均相等。因此，位置越高的流體，其位能越大，而靜壓能則越小。,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,1．壓力計（1）單管壓力計或表壓式中PA為當?shù)卮髿鈮?。單管壓力計只能用來測量高于大氣壓的液體壓力，不能測氣體壓力。,,,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,1．壓力計（2）U形壓力計設(shè)U形管中指示液液面高度差為R，指示液密度為?0，被測流體密度為?，則由靜力學方程可得將以上三式合并得,,,,,,,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,若容器A內(nèi)為氣體，則?GH項很小可忽略，于是顯然，U形壓力計既可用來測量氣體壓力，又可用來測量液體壓力，而且被測流體的壓力比大氣壓大或小均可。,,,,,,,,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,2．壓差計（1）U形壓差計設(shè)U形管中指示液液面高度差為R，指示液密度為?0，被測流體密度為?，則由靜力學方程可得,,,,,,,,,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,根據(jù)而3、3?面為等壓面及廣義壓力的定義兩邊同除以?G得式中為靜壓頭與位頭之和，又稱為廣義壓力頭。U形壓差計的讀數(shù)R的大小反映了被測兩點間廣義壓力頭之差。,,,,,,,,,,,,,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,討論（1）U形壓差計可測系統(tǒng)內(nèi)兩點的壓力差，當將U形管一端與被測點連接、另一端與大氣相通時，也可測得流體的表壓或真空度；,表壓,真空度,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,討論（2）指示液的選取指示液與被測流體不互溶，不發(fā)生化學反應(yīng)；其密度要大于被測流體密度。應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,思考若U形壓差計安裝在傾斜管路中，此時讀數(shù)R反映了什么,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,2．壓差計（2）雙液柱壓差計又稱微差壓差計適用于壓差較小的場合。密度接近但不互溶的兩種指示液1和2，?1略小于?2；擴大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。,,,,,,,,,,123靜力學原理在壓力和壓力差測量上的應(yīng)用,例11當被測壓差較小時，為使壓差計讀數(shù)較大，以減小測量中人為因素造成的相對誤差，也常采用傾斜式壓差計，其結(jié)構(gòu)如圖19所示。試求若被測流體壓力P11014?105PA（絕壓），P2端通大氣，大氣壓為1013?105PA，管的傾斜角?10?，指示液為酒精溶液，其密度?0810KG/M3，則讀數(shù)R?為多少CM若將右管垂直放置，讀數(shù)又為多少CM,13流體流動的基本方程,131基本概念132質(zhì)量衡算方程連續(xù)性方程133運動方程134總能量衡算和機械能衡算方程,131基本概念,1．穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動流體流動時，若任一點處的流速、壓力、密度等與流動有關(guān)的流動參數(shù)都不隨時間而變化，就稱這種流動為穩(wěn)定流動。反之，只要有一個流動參數(shù)隨時間而變化，就屬于不穩(wěn)定流動。,131基本概念,2．流速和流量流速（平均流速）單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離。質(zhì)量流速單位時間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。,,,131基本概念,2．流速和流量體積流量單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積，VM3/S或M3/H。質(zhì)量流量單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量，MKG/S或KG/H。,,,131基本概念,3．粘性及牛頓粘性定律當流體流動時，流體內(nèi)部存在著內(nèi)摩擦力，這種內(nèi)摩擦力會阻礙流體的流動，流體的這種特性稱為粘性。產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的根本原因是流體的粘性。牛頓粘性定律服從此定律的流體稱為牛頓型流體。,,131基本概念,3．粘性及牛頓粘性定律粘度的單位PA?S在CGS制中，?的常用單位有DYN?S/CM2即泊（P），以及厘泊（CP），三者之間的換算關(guān)系如下1PA?S10P1000CP,,,131基本概念,4非牛頓型流體凡是剪應(yīng)力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓型流體。非牛頓型流體的剪應(yīng)力與速度梯度成曲線關(guān)系，或者成不過原點的直線關(guān)系，如圖111所示。,131基本概念,5流動類型和雷諾數(shù),131基本概念,5流動類型和雷諾數(shù)實驗研究發(fā)現(xiàn)，圓管內(nèi)流型由層流向湍流的轉(zhuǎn)變不僅與流速U有關(guān)，而且還與流體的密度?、粘度?以及流動管道的直徑D有關(guān)。將這些變量組合成一個數(shù)群DU?/?，根據(jù)該數(shù)群數(shù)值的大小可以判斷流動類型。這個數(shù)群稱為雷諾準數(shù)，用符號RE表示，即其因次為M0KG0S0,,,131基本概念,當RE≤2000時為層流；當RE4000時，圓管內(nèi)已形成湍流；當RE在2000?4000范圍內(nèi)，流動處于一種過渡狀態(tài)。若將雷諾數(shù)形式變?yōu)?U2與慣性力成正比，?U/D與粘性力成正比，由此可見，雷諾準數(shù)的物理意義是慣性力與粘性力之比。,,131基本概念,6幾種時間導數(shù)（1）偏導數(shù)又稱局部導數(shù)，表示在某一固定空間點上的流動參數(shù)，如密度、壓力、速度、溫度、組分濃度等隨時間的變化率。（2）全導數(shù)（3）隨體導數(shù)又稱物質(zhì)導數(shù)、拉格朗日導數(shù),,,,,,132質(zhì)量衡算方程連續(xù)性方程,對于定態(tài)流動系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下即對均質(zhì)、不可壓縮流體，?1?2常數(shù)有對圓管，A?D2/4，D為直徑，于是,,,,132質(zhì)量衡算方程連續(xù)性方程,如果管道有分支，則穩(wěn)定流動時總管中的質(zhì)量流量應(yīng)為各支管質(zhì)量流量之和，故管內(nèi)連續(xù)性方程為推廣至任意截面,,132質(zhì)量衡算方程連續(xù)性方程,例12一車間要求將20?C水以32KG/S的流量送入某設(shè)備中，若選取平均流速為11M/S，試計算所需管子的尺寸。若在原水管上再接出一根?159?45的支管，如圖116所示，以便將水流量的一半改送至另一車間，求當總水流量不變時，此支管內(nèi)水流速度。,,,,,,,,,,,133運動方程,1運動方程動量定理可以表述為微元系統(tǒng)內(nèi)流體的動量隨時間的變化率等于作用在該微元系統(tǒng)上所有外力之和。寫成矢量式為這就是以應(yīng)力形式表示的粘性流體的微分動量衡算方程，亦稱為運動方程。,,,133運動方程,2奈維斯托克斯方程（NS方程）上式是不可壓縮粘性流體的NS方程，等式左邊?DV/DT項代表慣性力項，右邊??2V項代表粘性力項。,,133運動方程,3NS方程的應(yīng)用1圓管內(nèi)的穩(wěn)定層流不可壓縮流體在圓管內(nèi)穩(wěn)定層流時的速度分布方程為可見，速度分布為拋物線，如圖121所示。,,133運動方程,3NS方程的應(yīng)用2環(huán)隙內(nèi)流體的周向運動如圖122所示，兩同心套筒內(nèi)充滿不可壓縮流體，內(nèi)筒靜止，外筒以恒定角速度?旋轉(zhuǎn)，則套筒環(huán)隙間的流體將在圓環(huán)內(nèi)作穩(wěn)定周向流動。設(shè)外管內(nèi)徑為R2，內(nèi)管外徑為R1。速度分布方程為,,,134總能量衡算和機械能衡算方程,1總能量衡算方程衡算范圍11′、22′截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間衡算基準1KG流體基準面00′水平面,,134總能量衡算和機械能衡算方程,（1）內(nèi)能貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。1KG流體具有的內(nèi)能為U（J/KG）。（2）位能流體受重力作用在不同高度所具有的能量。1KG的流體所具有的位能為ZG（J/KG）。（3）動能1KG的流體所具有的動能為J/KG,134總能量衡算和機械能衡算方程,（4）靜壓能,靜壓能,（5）熱設(shè)換熱器向1KG流體提供的熱量為J/KG。,134總能量衡算和機械能衡算方程,2機械能衡算方程（1）以單位質(zhì)量流體為基準并且實際流體流動時有能量損失。設(shè)1KG流體損失的能量為ΣHF（J/KG），有式中各項單位為J/KG。,假設(shè)流體不可壓縮，則流動系統(tǒng)無熱交換，則流體溫度不變，則,134總能量衡算和機械能衡算方程,2機械能衡算方程2以單位重量流體為基準將1式各項同除重力加速度G,且令WE/GHE，WF/GHF，則可得到以單位重量流體為基準的機械能衡算方程Z稱為位頭，U2/2G稱為動壓頭（速度頭），P/?G稱為靜壓頭（壓力頭），HE稱為外加壓頭，HF稱為壓頭損失。上式中各項均具有高度的量綱。,,134總能量衡算和機械能衡算方程,2機械能衡算方程（3）以單位體積流體為基準,,將1式各項同乘以,式中各項單位為,壓力損失,134總能量衡算和機械能衡算方程,關(guān)于機械能衡算方程的討論（1）理想流體的柏努利方程無粘性的即沒有粘性摩擦損失的流體稱為理想流體。（2）若流體靜止，則U0，WE0，WF0，于是機械能衡算方程變?yōu)?,,134總能量衡算和機械能衡算方程,關(guān)于機械能衡算方程的討論（3）若流動系統(tǒng)無外加軸功，即WE0，則機械能衡算方程變?yōu)橛捎赪F0，故ET1ET2。這表明，在無外加功的情況下，流體將自動從高（機械能）能位流向低（機械能）能位，據(jù)此可以判定流體的流向。,,,,134總能量衡算和機械能衡算方程,關(guān)于機械能衡算方程的討論（4）柏努利方程式適用于不可壓縮性流體。對于可壓縮性流體，當時，仍可用該方程計算，但式中的密度Ρ應(yīng)以兩截面的平均密度ΡM代替。,,,,134總能量衡算和機械能衡算方程關(guān)于機械能衡算方程的討論,4）使用機械能衡算方程時，應(yīng)注意以下幾點A．作圖為了有助于正確解題，在計算前可先根據(jù)題意畫出流程示意圖。B．控制面的選取控制面之間的流體必須是連續(xù)不斷的，有流體進出的那些控制面（流通截面）應(yīng)與流動方向相垂直。所選的控制面已知條件應(yīng)最多，并包含要求的未知數(shù)在內(nèi)。通常選取系統(tǒng)進出口處截面作為流通截面。C．基準水平面的選取由于等號兩邊都有位能，故基準水平面可以任意選取而不影響計算結(jié)果，但為了計算方便，一般可將基準面定在某一流通截面的中心上，這樣，該流通截面的位能就為零。D．壓力由于等號兩邊都有壓力項，故可用絕壓或表壓，但等號兩邊必須統(tǒng)一。,●,134總能量衡算和機械能衡算方程,3摩擦損失WF的計算工程上的管路輸送系統(tǒng)主要由兩種部件組成一是等徑直管，二是彎頭、三通、閥門等等各種管件和閥件,134總能量衡算和機械能衡算方程,134總能量衡算和機械能衡算方程,蝶閥,134總能量衡算和機械能衡算方程,3摩擦損失WF的計算直管阻力流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。,134總能量衡算和機械能衡算方程,（1）直管摩擦損失計算通式對圓形等徑直管內(nèi)的流動，如圖129所示，根據(jù)機械能衡算方程可知長度L管段內(nèi)的摩擦損失為又范寧因子F的定義式F2?W/?U2,摩擦因數(shù)?4F,,,,,直管阻力通式（范寧FANNING公式）,134總能量衡算和機械能衡算方程,（1）直管摩擦損失計算通式1．層流時的?前面已經(jīng)推出,圓管內(nèi)層流時（RE≤2000）摩擦因數(shù)?為其中由此可見，層流時摩擦因數(shù)只是雷諾數(shù)RE的函數(shù)。2．湍流時的?湍流?的計算主要依靠實驗方法或用半理論半經(jīng)驗的方法建立經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。工程上常采用下面的因次分析法。,,,,,,134總能量衡算和機械能衡算方程,因次分析法,目的（1）減少實驗工作量；（2）結(jié)果具有普遍性，便于推廣。,基礎(chǔ)因次一致性即每一個物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，而且每一項都應(yīng)具有相同的因次。,134總能量衡算和機械能衡算方程,因次分析法,基本定理白金漢（BUCKINGHAN）Π定理設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨立變量數(shù)為N個，這些變量的基本量綱數(shù)為M個，則該物理現(xiàn)象可用N＝N－M個獨立的無因次數(shù)群表示。將此量綱為一的量稱為準數(shù)。,湍流時壓力損失的影響因素（1）流體性質(zhì)?，?（2）流動的幾何尺寸D，L，?（管壁粗糙度）（3）流動條件U,134總能量衡算和機械能衡算方程因次分析法,物理變量N＝7基本因次M＝3無因次數(shù)群N＝N－M＝4,無因次化處理,式中,歐拉（EULER）準數(shù),即該過程可用4個無因次數(shù)群表示。,●,,134總能量衡算和機械能衡算方程因次分析法,●,,相對粗糙度,管道的幾何尺寸,雷諾數(shù),根據(jù)實驗可知，流體流動阻力與管長成正比，即,或,134總能量衡算和機械能衡算方程,莫狄（MOODY）摩擦因數(shù)圖,134總能量衡算和機械能衡算方程,（1）層流區(qū)（RE≤2000）Λ與無關(guān)，與RE為直線關(guān)系，即,即與U的一次方成正比。,（2）過渡區(qū)（2000RE臨界時，,3測量范圍,一般C00607,孔板流量計的測量范圍受U形壓差計量程決定。,三、安裝及優(yōu)缺點,（1）安裝在穩(wěn)定流段，上游L10D，下游L5D；（2）結(jié)構(gòu)簡單，制造與安裝方便；（3）能量損失較大。,153文丘里（VENTURI）流量計,屬差壓式流量計；能量損失小，造價高。,一、結(jié)構(gòu)與特點,CV流量系數(shù)（098～099）A0喉管處截面積,二、流量方程式,154轉(zhuǎn)子流量計,一、結(jié)構(gòu)與原理,從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。,二、流量方程,轉(zhuǎn)子受力平衡,在11′和00′截面間列柏努利方程,,,,,,,,,,,0′,1′,1,0,由連續(xù)性方程,CR轉(zhuǎn)子流量系數(shù),體積流量,,（1）特點恒壓差、恒流速、變截面截面式流量計。,討論,（2）刻度換算,標定流體20℃水（?＝1000KG/M3）20℃、1013KPA下空氣（?＝12KG/M3）,CR相同,同刻度時,1標定流體2被測流體,對氣體轉(zhuǎn)子流量計,三、安裝及優(yōu)缺點,（1）永遠垂直安裝，且下進、上出，安裝支路，以便于檢修。（2）讀數(shù)方便，流動阻力很小，測量范圍寬，測量精度較高；（3）玻璃管不能經(jīng)受高溫和高壓，在安裝使用過程中玻璃容易破碎。,
下載積分： 4 賞幣
上傳時間：2024-01-06
頁數(shù)： 105
大?。?2.78(MB)
子文件數(shù)：
