1、第一章 流體流動教學(xué)要求教學(xué)要求1-0 概述概述1-1 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程1-2 流體在管內(nèi)的流動流體在管內(nèi)的流動1-3 流體的流動現(xiàn)象流體的流動現(xiàn)象1-4 流體在管內(nèi)的流動阻力流體在管內(nèi)的流動阻力1-5 管路計算管路計算1-6 流量測量流量測量復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)教學(xué)要求重重 點：連續(xù)性方程及柏努利方程式的應(yīng)用。點：連續(xù)性方程及柏努利方程式的應(yīng)用。覆蓋內(nèi)容：流體的性質(zhì)密度、重度、比重、比容、粘度）；流覆蓋內(nèi)容：流體的性質(zhì)密度、重度、比重、比容、粘度）；流體的靜壓強、靜力學(xué)方程式及其應(yīng)用；流量、流速的各種表達方體的靜壓強、靜力學(xué)方程式及其應(yīng)用；流量、流速的各種表達方式及計算；定常流動與非

2、定常流動的概念；流動系統(tǒng)的物料衡算式及計算；定常流動與非定常流動的概念；流動系統(tǒng)的物料衡算與連續(xù)性方程；流動系統(tǒng)的能量衡算與機械能衡算式；牛頓型流與連續(xù)性方程；流動系統(tǒng)的能量衡算與機械能衡算式；牛頓型流體與非牛頓型流體的概念；流動類型及特點；邊界層的概念構(gòu)體與非牛頓型流體的概念；流動類型及特點；邊界層的概念構(gòu)成、發(fā)展與分離）；管內(nèi)流速分布；管路能耗的原因、計算及影成、發(fā)展與分離）；管內(nèi)流速分布；管路能耗的原因、計算及影響因素粗糙度的概念、摩擦系數(shù)、因次分析法）；管路計算的響因素粗糙度的概念、摩擦系數(shù)、因次分析法）；管路計算的方法；流量、流速的測量方法測速管、孔板流量計、文丘里流方法；流量、流速

3、的測量方法測速管、孔板流量計、文丘里流量計、轉(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)和原理）。量計、轉(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)和原理）。1-0 概述流體流體氣體、液體氣體、液體 特征：流動性、沒有固定的形狀、在外力作用下其內(nèi)部易發(fā)生特征：流動性、沒有固定的形狀、在外力作用下其內(nèi)部易發(fā)生相對運動。相對運動。分類：按凝聚狀態(tài)分類，按可壓縮性分分類：按凝聚狀態(tài)分類，按可壓縮性分連續(xù)性假設(shè)連續(xù)性假設(shè)連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型流體質(zhì)點或流體微團）流體質(zhì)點或流體微團）流體流體運動的描述方法運動的描述方法拉格朗日法拉格朗日法跟蹤指定質(zhì)點跟蹤指定質(zhì)點空間位置、運動狀況空間位置、運動狀況時間時間軌線軌線歐拉法歐拉法選擇截面選擇截面運動參數(shù)運動參數(shù)

4、時間時間流線流線1-0 概述流線與軌線流線與軌線軌線：同一流體質(zhì)點在不同時刻所占空間位置的連線。軌線：同一流體質(zhì)點在不同時刻所占空間位置的連線。流線：采用歐拉法觀察的結(jié)果，表述同一瞬時不同質(zhì)點的流線：采用歐拉法觀察的結(jié)果，表述同一瞬時不同質(zhì)點的速度方向。流線的屬性：速度方向。流線的屬性：1流線互不相交；流線互不相交；2在流動區(qū)在流動區(qū)域內(nèi)，通過任意封閉曲線各點引出的流線所圍成的空間稱域內(nèi)，通過任意封閉曲線各點引出的流線所圍成的空間稱為流管。為流管。目的目的流體輸送流體輸送壓強、流量與流速測定壓強、流量與流速測定提供適宜的強化設(shè)備的條件提供適宜的強化設(shè)備的條件1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程1

5、-1-1 1-1-1 流體的密度流體的密度vmvlim0定義：單位體積流體具有的質(zhì)量，定義：單位體積流體具有的質(zhì)量，kg/m3氣體密度是溫度和壓強的函數(shù)：氣體密度是溫度和壓強的函數(shù)：004 .22 TppMTRTpM氣體密度氣體密度混合氣體的密度：混合氣體的密度：RTMyPyniiiniiim11)(液體的密度：液體的密度：只與溫度有關(guān)，而與壓力無關(guān)。只與溫度有關(guān)，而與壓力無關(guān)。混合液體密度混合液體密度 混合前后體積不變混合前后體積不變njjwjmx111-1 流體靜力學(xué)基本方程1-1-2 1-1-2 流體的靜壓強定義：垂直作用在單位面積上的定義：垂直作用在單位面積上的力力,Pa=N/m2AP

6、pA0lim1atm=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg1atm=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg =1.0133bar=1.013 =1.0133bar=1.013105Pa105Pa常用單位及換算關(guān)系常用單位及換算關(guān)系1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.8070.9807bar=9.807105Pa105Pa流體靜壓強的特征：流體靜壓強的特征：1來自于各方向且指向該點，大小相等；來自于各方向且指向該點，大小相等；2是空間位置的函數(shù)

7、。是空間位置的函數(shù)。流體靜壓強的表示流體靜壓強的表示絕對壓強、表壓強、真空度絕對壓強、表壓強、真空度1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程1-1-3 1-1-3 流體靜力學(xué)基本方程式一、流體內(nèi)力的類型一、流體內(nèi)力的類型 體積力：體積力：場力離心力、場力離心力、重力等）重力等）分量：分量：X X、Y Y、Z Z表面力：與表面積成正表面力：與表面積成正比比法向和切向兩種。法向和切向兩種。二、歐拉平衡方程二、歐拉平衡方程1-1 流體靜力學(xué)基本方程 X方向受力00)(xpXXdxdydzdydzdxxpppdydz化簡： Y方向受力0ypY同理得： Z方向受力0ZpZ同理得：dzzpdyypdxxpdpz

8、yxfp),(0)(dzzpdyypdxxpZdzYdyXdx歐拉平衡方程歐拉平衡方程1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程三、流體靜力學(xué)基本方程三、流體靜力學(xué)基本方程重力場：重力場：X=0、Y=0，Z=-g。 1 2 Z1 Z2P1P1P2P2)(2112zzgppdpgdz C2211pgzpgz)(2112zzgpgp1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程四、討論四、討論等壓面：靜止的、連續(xù)的、同一液體的同一水平面上等壓面：靜止的、連續(xù)的、同一液體的同一水平面上壓力可傳遞壓力可傳遞巴斯噶定理、巴斯噶定理、 h=(p1-p2)/(g)化工設(shè)備中可壓縮流體內(nèi)各點壓強相等化工設(shè)備中可壓縮流體內(nèi)各點壓強

9、相等1-1-41-1-4流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用一、壓差或壓強測量一、壓差或壓強測量 液柱式壓差計液柱式壓差計1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程p U管壓差計管壓差計常用指示液有：汞、四氯化碳、水、油等。常用指示液有：汞、四氯化碳、水、油等。gRgZppRggZmppgmRppBABABaBa)()()(2121對水平管道，那么對水平管道，那么：gRppBA)(21若為氣體，對水平管道，那么若為氣體，對水平管道，那么：gRppA211-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程傾斜式液柱壓差計傾斜式液柱壓差計sin21gRpp微差壓差計微差壓差計 p1 R p2 R 0 傾傾斜斜式式壓壓差差計計俗稱俗稱

10、“水庫水庫”1-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程要求：要求： 密度相近分別為密度相近分別為1、2，那，那么：么：gRgzppgzRppdc2112111)(gRpp)(12211-1 1-1 流體靜力學(xué)基本方程二、液位的測量二、液位的測量三、液封高度的計算三、液封高度的計算1-2 1-2 流體在管內(nèi)的流動1-2-11-2-1流量與流速流量與流速一、流量一、流量定義定義 Vs(m3/s)Vs(m3/s)、Ws(kg/s)Ws(kg/s)或或Vh(m3/h)Vh(m3/h)、Wh(kg/h)Wh(kg/h)二、流速二、流速點流速點流速(ur)：流體質(zhì)點沿流動方向上流過的距離，：流體質(zhì)點沿流動方向上流

11、過的距離，m/s。平均流速平均流速(u)：同一截面上的流體質(zhì)點沿流動方向上流過的平：同一截面上的流體質(zhì)點沿流動方向上流過的平均距離均距離,m/s。質(zhì)量流速質(zhì)量流速(G)：單位時間內(nèi)流過單位截面積的流體質(zhì)量，：單位時間內(nèi)流過單位截面積的流體質(zhì)量，kg/m2.s。關(guān)系：關(guān)系：Ws=Vs1-2 流體在管內(nèi)的流動smusmusmkgGr/(2單位：點流速（體積流速），單位：平均流速質(zhì)量通量），單位：質(zhì)量流速流速AWsG uG uAGAWsAdAuAVsuAr三、管徑選擇三、管徑選擇總費用總費用=操作費用操作費用+設(shè)備費用設(shè)備費用1-2 流體在管內(nèi)的流動21)4(uVsd步驟：選流速步驟：選流速 計算管

12、徑計算管徑 園整園整 校核流速校核流速常用流體的適宜的經(jīng)濟流速范圍常用流體的適宜的經(jīng)濟流速范圍 流體類別 常用流速 范圍，m/s 流體類別 常用流速 范圍，m/s 水及一般液體 粘度較大的液體 低壓氣體 易燃、易爆的 低壓氣體 13 0.51 815 8 壓強較高的氣體 飽和水蒸汽： 8 大氣壓以下 3 大氣壓以下 過熱水蒸氣 1525 4060 2040 3050 1-2 流體在管內(nèi)的流動1-2-21-2-2定態(tài)流動與非定態(tài)流動0X一、非定態(tài)流動一、非定態(tài)流動0X以以X表示任一流動參數(shù)，則對非定態(tài)流動有：表示任一流動參數(shù)，則對非定態(tài)流動有：二、定態(tài)流動二、定態(tài)流動1-2 流體在管內(nèi)的流動二、

13、連續(xù)性方程二、連續(xù)性方程 1-2-31-2-3連續(xù)性方程一、管路系統(tǒng)一、管路系統(tǒng)復(fù)雜管路簡單管路簡單管路串聯(lián)管路分支管路管路系統(tǒng)常數(shù)當(dāng)iWsWsWs213212211AuAu對對圓圓管管222211dudu 1-2 流體在管內(nèi)的流動1-2-41-2-4能量衡算方程式一、流動系統(tǒng)的總能量衡算一、流動系統(tǒng)的總能量衡算 衡算范圍：衡算范圍：衡算基準(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：1kg流體；基準(zhǔn)面：流體；基準(zhǔn)面：0-0水平面水平面1-2 流體在管內(nèi)的流動內(nèi)能：內(nèi)能： U1、U2(J/kg).）：比容（流體：靜壓能對靜壓能kgmpmVpkgVpAVAp3111111111111機械能：位能重力勢能）、動能、靜壓能機械能：

14、位能重力勢能）、動能、靜壓能位能：位能：Z1g、Z2g(J/kg)靜壓能：靜壓能：p1、p1 ；單位：；單位：J/kg。kgJkgmmNp3211單位1-2 流體在管內(nèi)的流動能量交換能量交換熱：熱：Qe;單位：單位：J/kg。凈功外功）：凈功外功）：We，其單位：，其單位：J/kg。能量衡算方程式：能量衡算方程式：WeQeupvZgU221)(2222221121112121vpugZUWeQevpugZU二、柏努利方程二、柏努利方程熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律：21vvpdvQeU1-2 流體在管內(nèi)的流動Qe：Qehf，單位：，單位：J/kg。hfQeQe21vvpdvhfQeU2122p

15、phfWevdpuZg柏努利方程柏努利方程對不可壓縮流體，忽略流體因?qū)Σ豢蓧嚎s流體，忽略流體因溫度變化而引起的比容變化，溫度變化而引起的比容變化，即即不變則：不變則：hfpugZWepugZhfWepuZg222212112222或1-2 流體在管內(nèi)的流動2222121122pugZpugZ理想流體，且理想流體，且We=0三、柏努利方程式的討論三、柏努利方程式的討論理想流體的機械能守衡方程：動能、位能、靜壓能之間理想流體的機械能守衡方程：動能、位能、靜壓能之間可以相互轉(zhuǎn)化。可以相互轉(zhuǎn)化。Zg、u2/2、p/、We、hf：Ne=WsWe,Ne/N 。靜力學(xué)基本方程：靜力學(xué)基本方程：Z1g+p1/

16、= Z2g+p2/。可壓縮流體：（可壓縮流體：（p1-p2)/maxp1、p2EAEB，所以水將由容器，所以水將由容器C流出，流出，與泵聯(lián)合向容器與泵聯(lián)合向容器B供水，且由式供水，且由式2有有2CCACC-AC2CfulhEEd1-5 管路計算將已知數(shù)據(jù)代入上式，整理得將已知數(shù)據(jù)代入上式，整理得 2C20437.34392.646.40.7510.032Cu2C44.7333.34.075Cu對管壁，取對管壁，取=0.3mm/dc=0.3/30=0.01/dc=0.3/30=0.01CCC4C30.03 10003 101.0 10d uuReuCC0.0391.62m/su試差計算得：試差計

17、算得：故容器故容器C流入交匯點流入交匯點A的流量為：的流量為： 223CCC0.7850.031.624.12m h4dVu1-5 管路計算223CCC0.7850.031.624.12m h4dVu因此因此AB管路流量為：管路流量為： 3C154.1219.12m hVV要達到由泵向容器要達到由泵向容器C輸水輸水4.12m3/h，管路系統(tǒng)要求泵提供，管路系統(tǒng)要求泵提供的軸功率必須增加。由分支管路特點，在水池液面與容器的軸功率必須增加。由分支管路特點，在水池液面與容器C的的液面和管路液面和管路B出口處分別列柏努利方程有出口處分別列柏努利方程有 OCCO-AA-CffehhEEhOBBO-AA-

18、BffehhEEh（5）（6）A-CC-A44.7J kgffhh式5中， 1-5 管路計算COCO-AA-C437.3410024.1644.7406.2J kgffehhEEh2154.1236002.41m s0.7850.044BBBVud此條件下AB管段流速： BB432.41 0.04 10009.64 101.0 10d uRe所以又又/da=0.3/40=0.0075 由由/da和和Re值查圖得值查圖得B=0.035 22BBBA-BB202.410.0356.4172.31J kg20.042fulhd1-5 管路計算BOBO-AA-B119.62 100 24.16 72.

19、31 116.09J kgffehhEEh可見，要完成此輸送任務(wù)可見，要完成此輸送任務(wù)AC分支管路要求泵提供的能量分支管路要求泵提供的能量heC大于大于AB分支管路的分支管路的heB，泵的軸功率應(yīng)滿足，泵的軸功率應(yīng)滿足AC管路管路的要求，所以的要求，所以C406.2 15 10002819W2.89kW36000.6ewhNAB管路則通過減小該支管上截止閥的開啟度、增加管路管路則通過減小該支管上截止閥的開啟度、增加管路阻力，滿足流量分配要求。阻力，滿足流量分配要求。1-6 流量測量測量方法：測量方法：流量：mWVVss直接測量法來反映流量測量XXfVudAVsAs)(間接測量處理方法：處理方法

20、：理想流體理想流體修正修正實際流體實際流體基本方程：基本方程：0011220012112121uAuApuZpugZ1-6 流量測量一、測速管一、測速管 駐點駐點22rsupp駐點壓強：駐點壓強：測試原理測試原理puuppprrs222pCur2引入校正系數(shù)引入校正系數(shù)測速管測速管1-6 流量測量流量流量AudAuVsAr平均流速：平均流速：u優(yōu)點優(yōu)點: 阻力小，可測量大直徑管道中的氣體流速或流量。阻力小，可測量大直徑管道中的氣體流速或流量。缺陷缺陷:不能直接測得平均流速或流量；讀數(shù)小，常需配微不能直接測得平均流速或流量；讀數(shù)小，常需配微差壓差計；不適用于含顆粒的流體。差壓差計；不適用于含顆粒

21、的流體。安裝要求安裝要求:必須保證測量點處于均勻流段，即測量點上下必須保證測量點處于均勻流段，即測量點上下游最好各有游最好各有50 d 以上長的直管距離；必須保證管口截面嚴以上長的直管距離；必須保證管口截面嚴格垂直于流動方向；皮托管的直徑格垂直于流動方向；皮托管的直徑d0應(yīng)小于管徑應(yīng)小于管徑d的五十分的五十分之一，即之一，即d0 d /50。1-6 流量測量 0.9 0.8uum ax 0.7 0.6 0.5 102 103 104 105 106 107 Rem ax= um axd/ Re=ud/測umax平均速度流量1-6 流量測量二、孔板流量計二、孔板流量計流體通過孔板的流動狀況流體通

22、過孔板的流動狀況測試原理測試原理R1122d ,u 11d ,u 00d ,u 33)( 20101212120ZZgppCCuu442002110011duduAuAu12012Rggppzz41021)(1ddCCCgRCuo)(20gRCAVs)(200流量系數(shù)：流量系數(shù)：)(10AAfC流動阻力，取壓方式，1-6 流量測量d/D：0.20.8；最小孔徑：12.5mm；直孔部分的厚度：h=0.0050.02D；總厚度H：0.05D；錐面的斜角：=3045。 1-6 流量測量優(yōu)點：容易制造；當(dāng)流量有較大變化時，為了調(diào)整測量條件，優(yōu)點：容易制造；當(dāng)流量有較大變化時，為了調(diào)整測量條件，調(diào)換孔板

23、也很方便；可實現(xiàn)遠程測量。調(diào)換孔板也很方便；可實現(xiàn)遠程測量。特點：恒截面、變壓差、變流速特點：恒截面、變壓差、變流速差壓流量計差壓流量計安裝：上游應(yīng)大于安裝：上游應(yīng)大于50d1的直管段，下游直管段應(yīng)大于的直管段，下游直管段應(yīng)大于10d1;合理選用壓差計的指示液。合理選用壓差計的指示液。文丘里流量計文丘里流量計1-6 流量測量三、轉(zhuǎn)子流量計三、轉(zhuǎn)子流量計12fffppgVA力平衡力平衡構(gòu)造測試原理2)(1 ()(202101221uAAgZZpp流量系數(shù)：流量系數(shù)：CR=F(轉(zhuǎn)子形狀、流體阻力）轉(zhuǎn)子形狀、流體阻力）002100)(2)(2)(11AuVAgVCAgVAAuSfffRfff流體出口錐形硬玻璃管刻度轉(zhuǎn)子流體入口11220u標(biāo)定：標(biāo)定：測量液體：測量液體：20清水；測量氣體：清水；測量氣體：20 、100kPa的空氣。的空氣。1-6 流量測量轉(zhuǎn)子流量計的流量系數(shù)曲線轉(zhuǎn)子流量計的流量系數(shù)曲線1-6 流量測量ffVV 流量換算：流量換算：特點：恒壓差、變截面特點：恒壓差、變截面截面流量計截面流量計缺