第一章流體(liútǐ)流動精品資料目的(mùdì)和要求1、熟練掌握流體(liútǐ)靜力學基本方程式，連續性方程式和柏努利方程式及其應用。2、正確理解流體的流動類型和流動阻力的概念。4、了解測速管，文丘里流量計，孔板流量計和轉子流量計的工作原理和基本計算。3、掌握流體流動阻力的計算，簡單管路的設計型計算和輸送能力的核算。2精品資料（1）靜力學基本方程的應用（2）連續性方程、柏努力方程的物理意義、適用條件、應用柏努力方程解題的要點和注意事項。（3）管路(ɡuǎnlù)系統總能量損失方程（包括數據的獲得）本章重點(zhòngdiǎn)掌握的內容3精品資料（1）邊界層的基本概念（邊界層的形成(xíngchéng)和發展，邊界層分離）（2）牛頓型流體和非牛頓型流體本章應掌握(zhǎngwò)的內容（1）兩種流型（層流和湍流）的本質區別，處理兩種流型的工程方法（解析法和實驗研究方法）（2）流量測量（3）管路計算本章一般了解的內容4精品資料（2）應用柏努力方程、靜力學方程解題要繪圖，正確選取衡算范圍(fànwéi)。解題步驟要規范。本章(běnzhānɡ)學習應注意的問題（1）流體力學是傳熱和傳質的基礎，它們之間又存在著密切的聯系和相似性，從開始學習流體流動就要學扎實，打好基礎。5精品資料液態或氣態下的物料(wùliào)稱為流體流體(liútǐ)的特征：易流動，抗剪和抗張的能力很??；連續介質模型流體微團—流體質點無固定形狀，隨容器的形狀而變化；在外力的作用下其內部發生相對運動。6精品資料氣體與液體(yètǐ)的區別：①密度(mìdù)：氣體變化；液體變化不明顯。②壓縮性：氣體可壓縮，<20%可看成不可壓縮。液體不可壓縮。7精品資料流體流動規律是本門課程的重要基礎(jīchǔ)，主要原因是：2、流體的流動對傳熱、傳質以及反應過程有著重要(zhòngyào)的影響。過程進行的好壞，動力的消耗及設備的投資都與流體的流動狀況密切相關。1、各種流體輸送問題，管路的設計，輸送機械的選擇以及所需功率的計算,需要研究流體的流動規律。強化削弱化工過程8精品資料第一節流體(liútǐ)靜止的基本方程精品資料§1-1流體(liútǐ)的性質密度(mìdù)kg/m3

恒密度流體和變密度流體氣體氣體混合物液體混合物ψ—體積分率a—質量分率以1m3混合物為基準以1kg混合物為基準比容：υ比重：d10精品資料§1-2流體(liútǐ)的壓強定義(dìngyì)：特性：①垂直作用于器壁②在同一流體的相同水平面上各方向的壓強相同單位：Pa；atm；某流體柱高度；bar(巴)；kgf／cm2等基本關系：1atm=101325Pa=101.3kPa=0.1013MPa=1.033Kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg1bar=105Papppppp11精品資料計算(jìsuàn)基準表壓強(yāqiáng)=絕對壓強(yāqiáng)-大氣壓強(yāqiáng)真空度=大氣壓強(yāqiáng)-絕對壓強(yāqiáng)壓力大小的兩種表征方法PA,絕PA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕絕對零壓線大氣壓線絕壓/表壓/真空度的關系12精品資料若已知某地(mǒudì)的大氣壓力為750mmHg，而設備A內壓力為1000mmHg，則PA表=mmHg=Pa。若設備B的真空度為300mmHg，則PB（絕）=mmHg。25033330.594503377513精品資料ρgAdzp1pp2dzz2zAz1§1-2流體靜力平衡(pínghéng)流體靜壓力(yālì)特點：同一水平面上各點的流體靜壓力相等但：不同高低位置，p卻不一樣？力的平衡p+dp14精品資料1、在靜止的、連續的同一液體內，處于同一水平(shuǐpíng)面上各點的壓強都相等——等壓面2、當液面上方的壓強po有改變(gǎibiàn)時，液體內部各點的壓強p也發生同樣大小的改變(gǎibiàn)——巴斯葛原理3、壓強差的大小可以用一定的高度的液體柱表示。如——mH2O,——mmHg流體靜力學基本方程式的討論15精品資料本題附圖所示的開口容器內盛有油和水。油層(yóucéng)高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg／m3，水層高度h2=0.6m、密度ρ=1000kg／m3。(1)判斷下列兩關系是否成立，即pA=pA’pB=pB’(2)計算水在玻璃管內的高度解：(1)判斷題給兩關系式是否(shìfǒu)成立由等壓面的知識可知：pA=pA’的關系成立pB=pB’的關系不能成立(2)計算玻璃管內水的高度h因pA=pA’pA=pa+ρ1gh1+ρ2gh2pA’=pa+ρ2gh于是pa+ρ1gh1+ρ2gh2=pa+ρ2gh800×0.7+1000×0.6=1000h解得h=1.16m【補例1】16精品資料§1-4流體靜力學基本(jīběn)方程式的應用一、壓強(yāqiáng)與壓強(yāqiáng)差的測量1、U管壓差計指示液：汞、四氯化碳、水、液體石蠟等由靜力學方程可得：當時。B為氣體

不互溶17精品資料U管壓差(yāchà)計18精品資料p其它(qítā)U管壓差計單臂U管壓差(yāchà)計倒置U管壓差計串聯U管壓差計19精品資料2、微差壓差(yāchà)計水庫維持等高不互溶目的：放大(fàngdà)讀數RR20精品資料傾斜(qīngxié)U型管壓差計放大(fàngdà)讀數R液位的測量21精品資料目的：（1）恒定設備內的壓力(yālì)，防止超壓；（2）防止氣體外泄；水封液封高度(gāodù)計算：設備液封煤氣柜22精品資料為測量腐性液體貯槽中的存液量，采用圖示的裝置。測量時通入壓縮空氣，控制調節閥使空氣緩慢地鼓泡通過觀察瓶。今測得U形壓差計讀數為R＝130mm，通氣管距貯槽底面h=20cm，貯槽直徑(zhíjìng)為2m，液體密度為980kg／m3，試求貯槽內液體的儲存量為多少噸?【補例2】[遠距離液位測定(cèdìng)]23精品資料解：（1）管道內空氣緩慢鼓泡，u≈0，用靜力學原理(yuánlǐ)求解。（2）空氣(kōngqì)的ρ很小，忽略空氣(kōngqì)柱的影響。24精品資料容器內裝有密度ρ1=700kg/m3的汽油(qìyóu)，頂部接一壓力表，其讀數p0=2.943×105pa(表),在容器距底面0.5m處接一沖以水銀、水和空氣的復式U管壓差計，壓差計內各指示液的界面高度（以地面為基準）如圖所示。容器直徑為2m，求容器內汽油(qìyóu)的體積?！狙a例3】[復式U管壓差(yāchà)計]25精品資料26精品資料27精品資料A、B兩斷面(duànmiàn)分別位于直管段內，在兩斷面(duànmiàn)間裝有單U形管和復式U形管，單U形管內指示液密度為ρ1,復式U形管的中間流體和直管內流體相同，密度均為ρ,證明：R1=R2+R3[管道(guǎndào)兩點之間壓差的測量]28精品資料4、對每一項具體計算過程(guòchéng)，須具備三個步驟：a、列出文字式（全由符號表示，根據公式、定義式或自推導的公式寫出）;b、寫出數值式c、寫出解答。解題(jiětí)須知1、每道題需簡明寫出已知條件及待求量，題目全文可以不抄，必須作簡圖，圖中標明已知條件及待求量。2、解題思路要明確，必要時用方框圖表明。3、使用SI制，作好單位換算。5、每一項計算應盡可能用計算器連算，不要讀取中間數據，以減小誤差，讀取數據時，有效數字一般取3～4位。29精品資料第二節流體流動的基本(jīběn)方程精品資料§1-5流體(liútǐ)流動的基本概念質量(zhìliàng)守恒定律動量定理能量守恒定律流體流動遵循一、穩定流動與不穩定流動穩定流動u(或p、ρ等)=f(x,y,z)不穩定流動u(或p、ρ等)=f(x,y,z,θ)(b)22111122(a)31精品資料二、流速(liúsù)和流量名稱表示單位關系流速vm/s體積流量Vsm3/s質量流量mskg/s平均流速um/s平均質量流速Gkg/m2·s32精品資料三、粘性(zhānxìnɡ)及牛頓粘性(zhānxìnɡ)定律uu=0yxy方向上的流體(liútǐ)速度分布為線性為什么有分層流動的現象？

流體具有粘性，流動流體內部存在內摩擦力或粘滯力

dyu+duu粘性33精品資料內摩擦力產生(chǎnshēng)的原因ff大量(dàliàng)實驗———牛頓粘性定律動力粘度簡稱粘度

單位面積上的內摩擦應力（剪應力）速度梯度

34精品資料粘度μ物理(wùlǐ)意義衡量流體粘性大小(dàxiǎo)的一個物理量單位c.g.s：dyn×s/cm2——泊（P）厘泊（cP）1Pa×s=10P=1000cP35精品資料屬物性之一，由實驗測定；查有關手冊或資料、用經驗(jīngyàn)公式計算大多數氣體(qìtǐ)的粘度遠小于液體粘度主要有體系、溫度、濃度（壓力的影響可忽略（氣體））獲取方法：影響因素：粘度μ運動粘度γm2/s36精品資料塑性(sùxìng)流體牛頓流體漲塑性(sùxìng)流體假塑性流體tdu/dy四、非牛頓型流體37精品資料五、剪應力與動量(dòngliàng)傳遞牛二（牛欄山二鍋頭）

剪應力

流體流動時內部的剪應力是速度不等的兩相鄰流體層彼此(bǐcǐ)作用的力，其產生的原因是流體層之間的動量傳遞。動量38精品資料五、剪應力與動量(dòngliàng)傳遞剪應力即動量通量等于運動粘度γ與單位(dānwèi)體積動量的梯度之積。單位體積流體計的動量梯度

39精品資料六、總衡算1、換熱設備；2、輸送設備兩個重要(zhòngyào)方程——物料衡算式和能量衡算式只注意系統外部所顯現(xiǎnxiàn)的變化守恒：輸入=輸出輸入速率=輸出速率衡算范圍——劃定體積——劃定表面劃定體積劃定表面衡算結果：40精品資料§1-6物料(wùliào)衡算—連續性方程1、換熱設備；2、輸送設備亦即物料(wùliào)衡算ms1=ms2Vs1·ρ1=Vs2·ρ2=const.u1·A1·ρ1=u2·A2·ρ2=const.u1/u2=(d2/d1)2不可壓縮流體：ρ=const.Vs1=Vs2=const.圓管：u1·A1=u2·A241精品資料§1-7總能量(néngliàng)衡算1、換熱設備；2、輸送設備對流體(liútǐ)做功輸入或輸出熱量

衡算范圍：內壁面、1－1與2－2截面間衡算基準：基準水平面：0－0平面1㎏流體分析有哪些能量輸入和輸出？42精品資料1122§1-7總能量(néngliàng)衡算壓力(yālì)能：l1

υ1

υ2p1p2l2流體V1必定要帶有與所需的功相當的能量才能進入系統作用力pA位移V/A靜壓能為pA·V/A=pV1㎏流體的靜壓能pV/m=pυ43精品資料輸入輸出單位說明流體具有的能量內能

U1U2J/kg物質內部能量(分子平動能，轉動能，振動能)

位能gZ1gZ2J/kg重力(地心引力)流體機械能動能1/2u121/2u22J/kg運動物體具有的壓力能p1υ1P2υ2J/kg壓強作的功與環境交換能量熱Qe(加熱為入,冷卻為出)J/kg外功We

—J/kg44精品資料U1gZ11/2u12p1υ1U2gZ21/2u22p2υ2WeQeQe45精品資料總能量(néngliàng)衡算式穩態系統(xìtǒng)∑E1=∑E2

——穩流系統中流體總能量衡算式

46精品資料1、式中有兩種能量——機械能、內能和熱，機械能可以相互轉變(zhuǎnbiàn)，也可變為熱和內能；而內能和熱，不可變為機械能?？偰芰?néngliàng)衡算式討論：2、對傳熱設備作能量衡算時，往往忽略機械能而只考慮焓：3、撇開熱和內能，機械能衡算。47精品資料§1-8機械能衡算——柏努利方程(fāngchéng)一、推導(tuīdǎo)：設流體是不可壓縮的：υ1=υ2=υ

=1/ρ；Qe=0,Δt=0流體流動具有阻力要消耗機械能轉變成熱

U1<U2？48精品資料§1-8機械能衡算——柏努利方程(fāngchéng)而前面(qiánmian)假設：Δt=0，即U1=U2消耗的機械能熱

×t1<t2

消耗的機械能到哪里去了？消耗的機械能機械能損失掉了能量損失49精品資料能量(néngliàng)損失Wf

流體(liútǐ)流動阻力消耗的機械能（內能的變化）——柏努利方程式

（實際流體）

——柏努利方程式

（實際流體）

50精品資料理想流體

Wf=0

對于理想流體，又沒有外功(wàigōng)加入即Wf=0，We=0

——柏努利方程式（理想流體）51精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（I）理想流體，穩態流動，無外功。任一截面(jiémiàn)上單位質量流體的位能、動量、靜壓能之和（總機械能E）為一常數。總機械能雖然相等，但每一種形式的機械能不一定相等，機械能可以相互轉變。

例如：水平管道（Z1=Z2）A1>A2u1<u21122連續性方程E=Const.一部分靜壓能轉變為動能

52精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（II）各項單位為J/kg，表示(biǎoshì)單位質量流體所具有的能量注意：前三項是指某截面上流體本身所具有的能量，而后兩項是指流體在兩截面間所獲得和消耗的能量。、、與We，Wf的區別We是指輸送設備對單位質量流體所作的有效功單位時間輸送設備的有效功稱為有效功率，以Ne表示。是決定流體輸送設備的重要數據Ne=We×ms單位J/s，W53精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（III）對于不穩定流動(liúdòng)系統的任一瞬間，柏努利方程式仍成立對于不可壓縮流體，若所取系統兩截面間的絕對壓強變化小于原來絕對壓強的20%，時，仍可用式子進行計算。但此時式中的密度ρ應取兩截面間流體的平均密度ρm代替，這種處理方法所導致的誤差，在工程計算上是允許的。54精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（IV）如果系統里的流體(liútǐ)是靜止的，則u=0。——流體靜力學基本方程式柏努利方程式除表示流體的流動規律外，還表示了流體靜止狀態的規律，而流體的靜止狀態只不過是流動狀態的一種特殊的形式。沒有運動，自然就沒有阻力，即Wf=0；由于流體保持靜止狀態，也就不會有外功加入，即We=0于是上式變成：動中有靜55精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（V）如果流體的衡算基準(jīzhǔn)不同，式子可寫成不同的形式1、以單位重量流體為衡算基準各項除以g：令

則56精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（V）上式各項的單位(dānwèi)均為長度單位(dānwèi)（m）表示單位重量的流體所具有的機械能可以把它自身的基準水平面升舉的高度位壓頭動壓頭靜壓頭壓頭損失有效壓頭總壓頭57精品資料2、以單位體積(tǐjī)流體為衡算基準各項乘以流體密度ρ上式各項的單位(dānwèi)為采用不同衡算基準的柏努利方程式，對后面的“流體輸送設備”章的計算很重要。表示單位體積流體所具有的能量，簡化后即為壓強的單位。二、柏努利方程的討論（V）58精品資料三、柏努利方程式的應用(yìngyòng)1、確定(quèdìng)管路中流體的壓強0.5m0.7mA11CB【補例4】

、如圖所示，桶中的水經虹吸管流出，設流動阻力可以不計，求管內水的流速，又求截面A（管內）、B、C三處的靜壓力。管徑不變，大氣壓為101.3kPa。22解：（1）、求u取截面如圖，并以2截面為基準水平面。在1-2間列BE式中：Z1=0.7m，u1=0m/s，p1=p2=1.013×105Pa=0Pa(表)，上式為59精品資料0.5m0.7mA11CB22（2）、求pA，pB，pC各個(gègè)截面的總機械能（總壓頭）=Const.pA=9.44×104Pa同理求pB，pC60精品資料R=40mm300mm200mm水2、確定管路中流體(liútǐ)的流量【補例5】、如圖所示，水平通風管道某處的直徑自300mm漸縮到200mm，為了粗略估計其中空氣的流量，在錐形接頭兩端各引出一個測壓口與U管壓差計相連(xiānɡlián)，用水作指示液測得讀數為R=40mm。設空氣流過錐形接頭的阻力可以忽略，求空氣的體積流量?？諝獾拿芏葹?.2kg·m3。空氣1122解：取截面如圖，以管的軸心線所在平面為基準水平面。在1-2間列BE式中：Z1=Z2=0，We=0，Wf=0，上式簡化為？61精品資料R=40mm300mm200mm水空氣1122？連續性方程(fāngchéng)（1）（2）（1）、（2）62精品資料2、確定管路中流體(liútǐ)的流量20℃的空氣在直徑為800mm的水平管流過，現于管路中接一文丘里管，如本題附圖所示，文丘里管的上游接一水銀U管壓差(yāchà)計，在直徑為20mm的喉徑處接一細管，其下部插入水槽中?？諝饬魅胛那鹄锕艿哪芰繐p失可忽略不計，當U管壓差(yāchà)計讀數R=25mm，h=0.5m時，試求此時空氣的流量為多少m3/h?當地大氣壓強為101.33×103Pa。【補例6】分析：求Vh

求u空氣為可壓縮流體能否用柏氏方程?解：取測壓處及喉頸分別為截面1-1’和截面2—2’截面1-1’處壓強（表壓）截面2-2’處壓強為：（表壓）流經截面1-1’與2-2’的壓強變化為：故可按不可壓縮流體來處理63精品資料在1-2間列BE，以管道中心線作基準水平面。兩截面間無外功(wàigōng)加入，即We=0；能量損失可忽略，即Wf，據此，BE可寫為：式中：Z1=Z2=0取空氣(kōngqì)的平均分子量為29kg／kmol，兩截面間的空氣(kōngqì)平均密度為所以簡化得：(a)式a中有兩個未知數，須利用連續性方程式定出u1與u2的另一關系，即u1A1＝u2A2(b)以式b代人式a，即(16u1)2-u12=13733解得：u1=7.34m／s64精品資料3、確定輸送設備(shèbèi)的有效功率20mp1=0(表)p2=500kPa(表)【補例7】如圖所示，用泵將水從水池輸送到高處的密閉容器，輸水量為15m3/h。輸水管的內徑為53mm，其出口(chūkǒu)位于水池液面以上20m，伸入壓力為500kPa（表壓）的容器內。水在管路內機械能損耗為40J/kg。試計算輸送所需的有效功率。設泵的效率為0.6，求泵的輸入功率。分析：求N→Ne→BE→We65精品資料20mp1=0(表)p2=500kPa(表)解