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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章 流体流动,1.3,流体流动概述,1.3.1,流动体系的分类,1,一、定态与非定态流动,流体流速或其它物理量仅随位置变化而不随时间变化，即,流体流速或其它物理量不仅随位置变化而且随时间变化，即,定态流动,非定态流动,2,若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此流动为,一维流动,；依赖于两个曲线坐标称为,二维流动,；依赖于三个曲线坐标则称为,三维流动,。,应予指出,过程工业中的流体输送因多在封闭管道内进行，故其流动以一维居多。,二、一维与多维流动,3,三、绕流与封闭管道内的流动,流体流动问题,流体的绕流流动,在封闭管道内的流动,4,绕流流动,流体绕过一个浸没的物体流过，故也称为外部流动。例如细颗粒物在大量流体中的沉降、填充床内的流动等。,封闭管道内的流动,被输送的流体在管路中的流动。,研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容。,三、绕流与封闭管道内的流动,5,第一章 流体流动,1.3,流体流动概述,1.3.1,流动体系的分类,1.3.2,流率与平均流速,6,一、流量,单位时间内流过任一流通截面的流体体积称为体积流率,(volume flow rate),，习惯上亦称之为体积流量。,7,一、流量,流量的表示方法：,体积流量，以,q,v,s,表示，单位为,m,3,/s,。,质量流量，以,q,v,s,表示，单位为,kg/s,。,体积流量与质量流量的关系为,8,二、平均流速,流速是空间位置的函数，我们称之为流体的点速度。例如当流体流经一段管路时，由于流体存在黏性，使得管截面上各点的速度不同。从而由壁面至管中心建立起一个速度分布。在工程计算时，通常采用,平均速度,来代替这一速度分布。,9,平均速度,平均速度,(,bulk velocity,),系指体积流量与流通截面积之比，以,u,表示，其单位为,m/s,。,二、平均流速,10,二、平均流速,由于气体的体积流率随温度和压力变化，故采用质量平均流速更为方便，通常称之为质量通量,(mass flux),，以,G,表示，单位为,kg/m,2,.s,。,质量通量,11,二、平均流速,管径、体积流量和之间关系,管路直径,以,d,表示内径，则有,管内流速,（,1-24,）,（,1-25,）,12,二、平均流速,选择平均流速：,流速选择过高，管径虽可以减小，但流体流经管道的阻力增大，动力消耗大，操作费用随之增加；,流速选择过低，操作费用减小，但管径增大，管路的投资费用随之增加。,适宜的流速需根据经济权衡决定。表,1-1,列出了一些流体在管道中流动时流速的常用范围。,13,例,1-7,提示,管径的选择,管子规格,壁厚,外径,附录十七,附录,十八,二、平均流速,14,第一章 流体流动,1.3,流体流动概述,1.3.1,流动体系的分类,1.3.2,流率与平均流速,1.3.3,流动型态与雷诺数,15,一、雷诺实验,图,1-9,雷诺实验,16,图,1-10,两种流动型态,层流（,laminar flow,）或滞流（,viscous flow,）,湍流或紊流,(turbulent flow),一、雷诺实验,动画,01,17,反映流体流动状态的量纲为一数群。,二、雷诺数（,Reynolds number,）,雷诺数（,Reynolds number,）,黏度,流速,密度,直径,18,对于流体在直管内的流动：,当,Re2000,时属于层流；,当,Re,4000,时属湍流；,当,Re=2000,4000,之间时，属不稳定的过渡流。,工程上,Re,3000,时按照湍流处理,二、雷诺数（,Reynolds number,）,19,（,1-26,）,式中,L,p,流道的润湿周边长度，,m,；,A,流道的截面积，,m,2,。,三、当量直径的概念,当量直径,水力半径,20,第一章 流体流动,1.4,流体流动的基本方程,21,流体动力学主要研究流体流动过程中流速、压力等物理量的变化规律，研究所采用的基本方法是通过守恒原理（包括,质量守恒,、,能量守恒,及,动量守恒,）进行质量、能量及动量衡算，获得物理量之间的内在联系和变化规律。,作衡算时，需要预先指定衡算的空间范围，称之为,控制体,，而包围此控制体的封闭边界称为控制面。,一、概述,流体动力学,22,第一章 流体流动,1.4,流体流动的基本方程,1.4.1,总质量衡算,-,连续性方程,23,二、总质量衡算,-,连续性方程的推导,图,1-11,管路系统的总质量衡算,24,如图,1-11,所示，选择一段管路或容器作为所研究的控制体，该控制体的控制面为管或容器的内壁面、截面,1-1,与,2-2,组成的封闭表面。,根据质量守恒原理可得,（,1-28,）,二、总质量衡算,-,连续性方程的推导,25,对于定态流动，,则,或,(1-29),二、总质量衡算,-,连续性方程的推导,26,对于不可压缩流体，,对于圆形管道,(1-30),(1-31),(1-31a),推广到管路上任意截面,二、总质量衡算,-,连续性方程的推导,27,不可压缩流体,圆形管道,二、总质量衡算,-,连续性方程的推导,管内定态流动的连续性方程,注意：以上各式的适用条件,28,第一章 流体流动,1.4,流体流动的基本方程,1.4.1,总质量衡算,-,连续性方程,1.4.2,总能量衡算方程,29,一、流动系统的总能量衡算方程,选取如图,1-12,所示的定态流动系统作为衡算的控制体，控制体内装有对流体作功的机械（泵或风机）以及用于与外界交换热量的装置。流体由截面,1-1,流入，经粗细不同的管道，由截面,2-2,流出,30,图,1-12,流动系统的总能量衡算,1-,换热器,;2-,流体输送机械,31,推导思路：,总能量衡算,机械能衡算,不可压缩流体机械能衡算,一、流动系统的总能量衡算方程,32,流出能量速率流入能量速率,=,从外界的吸热速率,+,作功机械对流体作功速率,一、流动系统的总能量衡算方程,则热力学第一定律可表述为,33,一、流动系统的总能量衡算方程,流体由,1-1,截面流入与由,2,2,截面流出控制体的能量速率包括：,内能：,由截面,1-1,进入,由截面,2-2,流出,位能：,由截面,1-1,进入,由截面,2-2,流出,(J/s),(J/s),(J/s),(J/s),34,动能：,由截面,1-1,进入,由截面,2-2,流出,压力能：,由截面,1-1,进入,由截面,2-2,流出,(J/s),(J/s),(J/s),(J/s),一、流动系统的总能量衡算方程,35,换热器向控制体内流体所加入的热量速率为,输送机械向控制体内流体所加入的外功速率为,(J/s),(J/s),一、流动系统的总能量衡算方程,36,根据能量守恒定律，可得,上式经整理，可得,一、流动系统的总能量衡算方程,37,（,1-33,）,式,1-33,即为,一、流动系统的总能量衡算方程,定态流动过程的总能量衡算方程,38,动能校正系数,式,1-33,中的动能项为单位质量流体的平均动能，以单位质量流体由截面,1,1,进入控制体为例，应该按照下式计算,一、流动系统的总能量衡算方程,39,则上式变换为,令,动能校正系数,：,一、流动系统的总能量衡算方程,40,因此，总能量衡算方程式可写成,(1-33a),值与管内的速度分布形状有关。,对于管内层流，,=2,（详见本章,1.6,节）；,管内湍流时，,值随,Re,变化，但接近于,1,。,下面的讨论均令,=1,。,一、流动系统的总能量衡算方程,41,二、流动系统的机械能衡算方程,1.,机械能的转换与损失,式,1-33,中所包括的能量,机械能,动能,位能,压力能（流动功）,外功,内能和热,42,流体输送过程中各种机械能相互转换。,由于流体的黏性作用，流体输送过程中还消耗部分机械能，将其转化为流体的内能。,以流体在水平管道内的流动来说明。,二、流动系统的机械能衡算方程,43,二、流动系统的机械能衡算方程,假设流动为稳态过程，由热力学第一定律可知,1kg,流体在截面,1-1,与,2-2,之间所获得的总热量,因此,(1-35),克服流动阻力而消耗的机械能,44,将式,1-35,代入式,1-33,，可得,(1-36),二、流动系统的机械能衡算方程,定态流动过程的,机械能衡算方程,45,对于不可压缩流体，,为常数,(1-37),(1-37a),或,二、流动系统的机械能衡算方程,工程伯努利,(Bernoulli),方程,适用条件：不可压缩流体,46,对于理想流体的流动，又无外功加入,所以,或,二、流动系统的机械能衡算方程,伯努利,(Bernoulli),方程,适用条件：不可压缩理想流体,47,练 习 题 目,思考题,作业题:,8,、,9,、,10,1,雷诺数的物理意义是什么？,2,湍流与层流有何不同，湍流的主要特点是什么？,48,
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