流体力学基本原理.ppt

第一章,流体流动,把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。,流体微团（或流体质点）：,宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点； 同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。,概述,一连续介质模型,二 、流体的特性 1、流动性,流体不能承受拉力； 2、没有固定形状，形状随容器而变； 3、流体流动外力作用的结果； 4、连续性（除高度真空情况）。 5、压缩性 可压缩性流体气体 不可压缩性流体液体,三、流体所受到的力,（2）气体 为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理。,第一节 流体静力学基本方程式,研究外力作用下的平衡规律 一、密度 1.定义：单位体积流体所具有的质量。 = m / V kg / m3 流体中某点密度： 2、影响因素：温度和压力 （1）液体 认为不可压缩的流体，与压力无关，温度升 高，密度降低。,假设混合后总体积不变，,（3）混合物的密度 1）液体混合物的密度m 取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:,液体混合物密度计算式,2)气体混合物的密度 取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分率为: xvA,xvB,xVn, 其中:,混合物中各组分的质量为：,当V总=1m3时，,若混合前后, 气体的质量不变，,当V总=1m3时,气体混合物密度计算式,理想气体混合物密度计算式,在数值上:,3.与密度相关的几个物理量 1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用表示， 单位为m3/kg。,2）比重(相对密度)：某物质的密度与4下的水的密度的比 值，用 d 表示。,二、流体的静压强,SI制单位：N/m2，即Pa。,其它常用单位有：,atm（标准大气压）、工程大气压 kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg 等）。,1、压强的定义 流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强。,或,换算关系为：,绝压（余压）,绝对压强、真空度、表压强的关系为,表压绝对压-大气压 真空度大气压 - 绝对压,2、静力学方程的讨论,1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。 2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同（巴斯葛定律）。 3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。( 等压面 ) 4.压力或压差可用液柱高度表示。 H =（P2 - P0）/ g,3、流体静力学基本方程的应用,P1 P2,（1）压力测定 U型管压差计,A-A为等压面 PA=PA PA= P1+ g ( H+R ) PA=P2+ g R+ gH P1 - P2= R g (- ) 如测量气体 0 P1 - P2= R g 一臂通大气?,微差压差计 放大读数,P1 P2 a R b,特点： （1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂； （2）U型管两臂各装扩大室（水库）。 P1-P2=（a- b）Rg,倾斜液柱压差计,R= R1 sin ,(2) 液位的测定,液位计的原理遵循静止液体内部压强变化的规律,是静力学基本方程的一种应用。 液柱压差计测量液位的方法：,由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度。 当R0时，容器内的液面高度将达到允许的最大高度，容器内液面愈低，压差计读数R越大。,远距离控制液位的方法：,压缩氮气自管口 经调节阀通入，调 节气体的流量使气 流速度极小，只要 在鼓泡观察室内看 出有气泡缓慢逸出 即可。,压差计读数R的大小，反映出贮罐内液面的高度 。,B,(3) 液封高度的计算,液封的作用： 若设备内要求气体的压力不超过某种限度时，液封的作用 就是：,当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为安全性液封。 若设备内为负压操作，其作用是：,液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流体静力学基本方程式。,R,液封,第二节 流体在管内的流动,一、流量与流速,关系：,v，单位m/s,二稳定流动与不稳定流动,流动参数都不随时间而变化，就称这种流动为稳定流动。否则就称为不稳定流动。,对于圆形管道,三、连续性方程,m1 = m2 m =V = uA u1 A1 1= u2 A2 2=常数 对于不可压缩性流体,密度可视为不变 u1 A1= u2 A2 -连续性方程 圆形管道 ： u1 /u2 = (d2/d1)2,衡算范围：取管内壁截面1-1与截面2-2间的管段。衡算基准：1s 对于连续稳定系统：,1,1,2,2,二、流动类型与雷诺准数,1、雷诺实验,2、雷诺数Re,雷诺数的因次 ：,Re是一个没有单位，没有因次的纯数 。 在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。 雷诺准数可以判断流型,本质区别,分层流动,质点的脉动,圆管内滞流与湍流的比较,p,对于某水平管路，测速管的内管A点测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头 。,B点测得为静压头,冲压头与静压头之差,2、使用皮托管的注意事项 1）测速管所测的速度是管路内某一点的线速度，它可以用于测定流道截面的速度分布。 2）一般使用测速管测定管中心的速度，然后可根据截面上速度分布规律换算平均速度。 3）测速管应放置于流体均匀流段，且其管口截面严格垂直于流动方向，一般测量点的上，下游最好均有50倍直径长的直管距离，至少应有812倍直径长的直管段。 4）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体的流动产生影响，从而造成测量误差。因此，除选好测点位置，尽量减少对流动的干扰外，一般应选取皮托管的直径小于管径的1/50。,优点：结构简单、阻力小、使用方便，尤其适用于测量气体管道内的流速。 缺点：不能直接测出平均速度，且压差计读数小，常须放大才能读得准确。,两种取压方式：,(1) 角接法,取压口在法兰上；,(2) 径接法,上游取压口在距孔板1倍管径处，下游取压口在距孔板1/2倍管径处。,影响两测压点间的压力差的因素：孔板结构、流速。,测量原理：,暂不计摩擦损失，1、2之间有：,孔流系数：取决于截面比A0/A1,管内雷诺数Re1,孔口的形状及加工精度等。,当Re1超过某界限值时，C0不再随Re1而变C0=const，此时流量就与压差计读数的平方根成正比，因此，在孔板的设计和使用中，希望Re1大于界限值。,优点：构造简单，制造和安装都很方便 缺点：机械能损失（称之为永久损失）大。,安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段， 上游长度至少应为10d1，下游为5d1,使用注意事项：,孔板的缩口愈小，孔口速度愈大，读数就愈大，阻力损失愈大。所以，选择孔板流量计A0/A1的值，往往是设计该流量计的核心问题。 当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得压差的90%，常用的d0/d1=0.5情形下，永久损失也有75%。,收缩段锥角通常取1525， 扩大段锥角要取得小些，一般为57,缺点：加工比孔板复杂，因而造价高，且安装时需占去一定管长位置。 优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送。,变压头流量计的特点是： 恒截面，变压头。,总结：,微锥形玻璃管，锥角约为4左右 。,转子（或称浮子）,直径略小于玻璃管的内径； 转子密度须大于被测流体的密度。,当转子停留在某一高度时，,将转子近似看为一个圆柱体，则,在0-0、1-1面间列伯努利方程：,原理：先按理想流体推导，此时摩擦力为零。,考虑到实际转子不是圆柱状、流体非理想，将上式加一校正系数，得：,转子流量计安装、使用中注意事项,读数常需换算： 使用时被测流体物性（、）与标定用流体不同（20C水或20C、1atm的空气），则流量计刻度必须加以换算：,转子流量计必须垂直安装，且应安装旁路以便于检修,V、实际被测流体的流量、密度； V、 标定用流体的流量、密度,优点：读取流量方便，流体阻力小，测量精确度较高，能用于腐蚀性流体的测量；流量计前后无须保留稳定段。 缺点：玻璃管易碎，且不耐高温、高压。,下标1代表标定流体（水或空气）的流量和密度值，下标2代表实际操作中所用流体的流量和密度值。,转子流量计在出厂时一般是根据20的水或20、0.1MPa下的空气进行实际标定的，并将流量值刻在玻璃管上。 使用时若流体的条件与标定条件不符时，应实验标定或进行刻度换算。,