流体力学基本原理

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。u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表面力质量力流体所受的力三、流体所受到的力切向力法向力如重力、离心力等，属于非接触性的力。（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。RTMP000TPPT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。ρ=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。,wnwBwAxxx、、、总其中mmxiwi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ρm取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:iwimxkgm1时，当总mnwnwBwAmxxxV总总21nwnwBwAmxxx211——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：VnnVBVAxxx,......,,21知，由VmiViVx当V总=1m3时，若混合前后,气体的质量不变，总总Vxxxmmnn.......2211当V总=1m3时,nnmxxx......2211——气体混合物密度计算式RTPMmm——理想气体混合物密度计算式在数值上:1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υ表示，单位为m3/kg。,4水Cd34/1000mkgC水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APp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PabarOmHmmHgcmkgfatm522100133.10133.133.10760/033.11换算关系为：PabarOmHmmHgcmkgf42210807.99807.0106.735/11工程大气压2、压强的表示方法1）绝对压强（绝压）：流体体系的真实压强称为绝对压强。2）表压强（表压）：压力上读取的压强值称为表压。3）真空度：真空表的读数绝对压表压真空度绝对零压大气压实测压力实测压力绝压（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）/g12Z1Z22112zzgpp3、流体静力学基本方程的应用''AAP1P2（1）压力测定U型管压差计RHA-A’为等压面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如测量气体0P1-P2=Rg’一臂通大气?微差压差计—放大读数P1P2aR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1RR=R1sin(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R＝0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。'R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。AhRB(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。pR气体Rp真空表气气水R液封第二节流体在管内的流动一、流量与流速VmAmG又称质量通量，单位为kg/m2suGuAGAm体积流速质量流速流速点速度AvdAAVuA平均流速，单位：m/s-----关系：smVskgm3表示，体积流量，用表示，质量流量，用流量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24dA24dVuSuVdS4三、连续性方程m1=m2m=V=uAu1A11=u2A22=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变u1A1=u2A2------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：11’22’二、流动类型与雷诺准数1、雷诺实验2、雷诺数ReduRe雷诺数的因次：duRe23/././msNmkgsmm000skgm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流体在圆形直管内流动时：时，当2000Re流体的流动类型属于滞流；时，当4000Re流体的流动类型属于湍流；可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。——过渡区时，＜＜4000Re2000本质区别分层流动质点的脉动dydu圆管内滞流与湍流的比较滞流湍流速度分布22max1Rruu)7(11maxnRruun平均速度max21uum)7(82.0maxnuum剪应力dydu一、测速管：又称皮托（Pitot）管1、测速管的结构和原理uARp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。gpguhAA22B点测得为静压头gphBB冲压头与静压头之差gugpphhBABA22压差计的指示数R代表A，B两处的压强之差。若所测流体的密度为ρ，U型管压差计内充有密度为ρ’的指示液，读数为R。ggRgu'22)(2gRu——测速管测定管内流体的基本原理和换算公式实际使用时)(2gRcuc=0.98~1.002、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8~12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。二、孔板流量计1、结构和原理p1p212R孔板流量计两种取压方式：(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。孔板流量计.swf影响两测压点间的压力差的因素：孔板结构、流速。22222211upup测量原理：p1p2120R孔板流量计暂不计摩擦损失，1、2之间有：21222212221122AAuuupp212122211ppAAu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。210212100221ppCppAACuD孔流系数002gRC000002gRACAuV)(002211孔口uAuAuA用A0代替A2，再考虑到机械能损失孔板一定时：1010,ReAAfC0.840.820.800.70.780.76C00.740.6A00.72A10.700.50.680.660.40.640.30.620.20.600.10.053104105106Re1孔流系数C0与Re1及A0/A1的关系C0值多在0.6至0.7之间当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：'20RgChf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%。三、文丘里流量计1、结构和原理000002gRACAuVC0约为0.980.99收缩段锥角通常取1525，扩大段锥角要取得小些，一般为57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。uAR120R孔板流量计R变压头流量计的特点是：恒截面，变压头。总结：四、转子流量计1、结构和原理净重力升力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。u00011u1升力浮力转子流量计.swf重力浮力升力u00011u1当转子停留在某一高度时，fffAuuAzzgApp212010012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：重力fpAgVAppfff01gVAuufff21202gVAAAufff21020121100AuAu原理：先按理想流体推导，此时摩擦力为零。fffAgVAAu2112100fffRAgVCu20fffRAgVACAuV2000常数变量流量系数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ffVVfffRAgVACV20读数常需换算：使用时被测流体物性（、）与标定用流体不同（20C水或20C、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