流體流動-(流動現(xiàn)象+流動形態(tài))-new

1、作用：控制設(shè)備內(nèi)氣壓不超過規(guī)定的數(shù)值，當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過作用：控制設(shè)備內(nèi)氣壓不超過規(guī)定的數(shù)值，當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時，氣體就從液封管排出，以確保設(shè)備操作的安全。規(guī)定值時，氣體就從液封管排出，以確保設(shè)備操作的安全。gphOH21 若設(shè)備要求壓力不超過若設(shè)備要求壓力不超過P1（表壓（表壓），按靜力學(xué)基本方程式，則水封），按靜力學(xué)基本方程式，則水封管插入液面下的深度管插入液面下的深度h為為q反映管內(nèi)流體流動規(guī)律的基本方程式有：反映管內(nèi)流體流動規(guī)律的基本方程式有：連續(xù)性方程連續(xù)性方程柏努利方程柏努利方程 本節(jié)主要圍繞這兩個方程式進(jìn)行討論。本節(jié)主要圍繞這兩個方程式進(jìn)行討論。),(zyxfk ),(zyx

2、fk 若流動的流體中，任一點(diǎn)上的物理參數(shù)，若流動的流體中，任一點(diǎn)上的物理參數(shù)，有部分或全部隨時間而改變。有部分或全部隨時間而改變。流體在管道中流動時，在任一點(diǎn)上的流速、流體在管道中流動時，在任一點(diǎn)上的流速、壓力等有關(guān)物理參數(shù)都不隨時間而改變。壓力等有關(guān)物理參數(shù)都不隨時間而改變。 （2 2）質(zhì)量流量質(zhì)量流量 (mass flow rate) (mass flow rate) 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量，單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量，以以q qm m表示，其表示，其 單位為單位為kg/skg/s。（1 1）體積流量體積流量 （volumetric flow rate） 單位時間內(nèi)

3、流體流經(jīng)管道任一截面的體積，單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的體積，以以qV表示，其表示，其單位為單位為m3/s。質(zhì)量流速質(zhì)量流速G：單位時間單位截面積流過的流體體積，以單位時間單位截面積流過的流體體積，以u u表示，其單位為表示，其單位為m/sm/s。AquvGu2v24v0.785dqdqu0.785uqvd 一般液體流速為一般液體流速為0.53m/s、氣體為、氣體為1030m/s。管道直徑一般根據(jù)流量、流速估算管道直徑一般根據(jù)流量、流速估算 管道直徑的估算管道直徑的估算例例 以內(nèi)徑以內(nèi)徑105mm105mm的鋼管輸送壓力為的鋼管輸送壓力為2 atm2 atm、溫度為、溫度為120120的空

4、氣。已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量為的空氣。已知空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量為630m630m3 3/h/h，試求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。，試求此空氣在管內(nèi)的流速和質(zhì)量流速。解解: : 依題意空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量應(yīng)換算為操作狀依題意空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量應(yīng)換算為操作狀態(tài)下的流量。因壓力不高，可應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程態(tài)下的流量。因壓力不高，可應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程計算如下：計算如下： 取空氣的平均分子量為取空氣的平均分子量為Mm=28.9Mm=28.9，則實際操作狀，則實際操作狀態(tài)下空氣的密度為態(tài)下空氣的密度為 31212027327322.428.91.79kg/m)()()(14.54m/

5、s21000105)(0.785435/36002 2v v0 0. .7 78 85 5d dq qu u平均流速平均流速326.03kg/m14.541.79uG依式（依式（1-171-17），得質(zhì)量流速），得質(zhì)量流速例例 某廠要求安裝一根輸水量為某廠要求安裝一根輸水量為30m30m3 3/h/h的管道，試選的管道，試選擇合適的管徑。擇合適的管徑。mmm77077.08.10.78530/3600d0.785uqvd 解：管內(nèi)徑為解：管內(nèi)徑為 運(yùn)動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于運(yùn)動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運(yùn)動分子運(yùn)動而產(chǎn)生的而產(chǎn)生的相互作用力，稱為流體的相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩

6、擦力內(nèi)摩擦力或或粘滯力粘滯力。流體運(yùn)動時內(nèi)流體運(yùn)動時內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。xu=0yu 實驗證明，實驗證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為剪應(yīng)力）為剪應(yīng)力）與垂直于流動方向的速度梯度成正比。與垂直于流動方向的速度梯度成正比。yxuu=0uy u/u/ y y表示速度沿法線方向表示速度沿法線方向上的變化率或速度梯度。上的變化率或速度梯度。 式中式中為比例系數(shù)，稱為為比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)粘性系數(shù)，或，或動力粘度動力粘度（viscosity），簡稱），簡稱粘度粘度。上式稱為上式稱為牛頓粘性定律牛頓粘

7、性定律。yu粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性，粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性，粘性只有在流體運(yùn)動時才會表現(xiàn)出來粘性只有在流體運(yùn)動時才會表現(xiàn)出來。dyduoxy牛頓粘性定律可改寫成：牛頓粘性定律可改寫成： dydu)(0dyduK1 )(ndyduKSFn1n )(ndyduKSFdydu 圖圖 雷諾實驗雷諾實驗 q流速小時，有色流體在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。流速小時，有色流體在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。表明，水的質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直表明，水的質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動，各層之間沒有質(zhì)點(diǎn)的遷移。線運(yùn)動，各層之間沒有質(zhì)點(diǎn)的遷移。q

8、當(dāng)開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時，有色細(xì)當(dāng)開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時，有色細(xì)流便出現(xiàn)波動而成波浪形細(xì)線，并且不規(guī)則地波動；流便出現(xiàn)波動而成波浪形細(xì)線，并且不規(guī)則地波動； q速度再增，細(xì)線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現(xiàn)速度再增，細(xì)線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現(xiàn)均勻的顏色，各層質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生混合。顯然，此時流體均勻的顏色，各層質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生混合。顯然，此時流體的流動狀況與之前不同。的流動狀況與之前不同。 1 1、流體流動狀態(tài)類型、流體流動狀態(tài)類型過渡流過渡流： 流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)

9、。過渡流不是一種或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過渡流不是一種流型。流型。q湍流湍流(turbulent flow) 當(dāng)流體在管道中流動時，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動當(dāng)流體在管道中流動時，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動外，各質(zhì)點(diǎn)發(fā)生脈動，彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱外，各質(zhì)點(diǎn)發(fā)生脈動，彼此碰撞并互相混合，這種流動狀態(tài)稱為湍流或紊流。為湍流或紊流。q層流層流(laminar flow) 當(dāng)流體在管中流動時，若其質(zhì)點(diǎn)始終沿著與管軸平行的方當(dāng)流體在管中流動時，若其質(zhì)點(diǎn)始終沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)之間沒有遷移，互不混合。也稱滯流。向作直線運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)之間沒有遷移，互不混合。也稱滯

10、流。2、影響流體流動類型的因素：、影響流體流動類型的因素： u u、d d、越大，越大，越小，越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｔ叫?，越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｉ鲜鲋猩鲜鲋兴膫€因素所組成的復(fù)合數(shù)群四個因素所組成的復(fù)合數(shù)群du/，判斷流體流動類型。，判斷流體流動類型。 這數(shù)群稱為這數(shù)群稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)( (Reynolds number)Reynolds number)，用用ReRe表示，是一個無因次的數(shù)。表示，是一個無因次的數(shù)。流體的流速流體的流速u ；管徑管徑d；流體密度流體密度；流體的粘度流體的粘度。 qReRe20002000，流動類型為層流；，流動類型為層流；qReRe4000

11、4000，流動類型為湍流；，流動類型為湍流；q20002000ReRe40004000，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。 大量實驗表明：大量實驗表明：n流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方式不同流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方式不同湍流時，流體質(zhì)點(diǎn)除了有主運(yùn)動還存在隨機(jī)湍流時，流體質(zhì)點(diǎn)除了有主運(yùn)動還存在隨機(jī)的脈動。的脈動。n流體在管內(nèi)的速度分布規(guī)律不同流體在管內(nèi)的速度分布規(guī)律不同層流時，流體在管內(nèi)的速度分布呈拋物狀。層流時，流體在管內(nèi)的速度分布呈拋物狀。3 3、層流與湍流的本質(zhì)區(qū)別、層流與湍流

12、的本質(zhì)區(qū)別n層流時，層流時，流體質(zhì)點(diǎn)無返混，整個流動區(qū)都存在流體質(zhì)點(diǎn)無返混，整個流動區(qū)都存在速度梯度，速度梯度，流體在管內(nèi)的速度分布呈拋物狀流體在管內(nèi)的速度分布呈拋物狀。湍流時，湍流時，流體質(zhì)點(diǎn)雜亂無章，流體質(zhì)點(diǎn)雜亂無章，流體質(zhì)點(diǎn)除了主流體質(zhì)點(diǎn)除了主運(yùn)動還存在隨機(jī)的脈動。運(yùn)動還存在隨機(jī)的脈動。僅在管壁處存在速度僅在管壁處存在速度梯度。梯度。AdyduF),(xpTfduRe 4000Re2000Re211 2 G1G2假設(shè)：假設(shè)：管道兩截面之間管道兩截面之間無流體漏損無流體漏損。流體在如圖所示的管道中流體在如圖所示的管道中: : 作連續(xù)穩(wěn)定流動作連續(xù)穩(wěn)定流動; ; 從截面從截面1-11-1流入，從截面流入，從截面2-22-2流出；流出； (equation of continuity) G1G2 若流體不可壓縮，若流體不可壓縮，常數(shù)，則上式可簡化為常數(shù)，則上式可簡化為 AuAu常數(shù)常數(shù) 1 1A A1 1u u1 12 2A A2 2u u2 2此關(guān)系可推廣到管道的任一截面，即此關(guān)系可推廣到管道的任一截面，即