第一章流體流動(dòng) 2

1、第一章第一章流體力學(xué)流體力學(xué) 流體的基本概念流體的基本概念 靜力學(xué)方程及其應(yīng)用靜力學(xué)方程及其應(yīng)用 機(jī)械能衡算式及柏努機(jī)械能衡算式及柏努 利方程利方程 流體流動(dòng)的現(xiàn)象流體流動(dòng)的現(xiàn)象 流動(dòng)阻力的計(jì)算、管路計(jì)算流動(dòng)阻力的計(jì)算、管路計(jì)算 概述一、流體力學(xué)在本課程的重要性一、流體力學(xué)在本課程的重要性(1)(1)流體的輸送流體的輸送 研究流體的流動(dòng)規(guī)律以便進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)、輸送機(jī)械的選擇及所研究流體的流動(dòng)規(guī)律以便進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)、輸送機(jī)械的選擇及所需功率的計(jì)算。需功率的計(jì)算。(2)(2)壓強(qiáng)、流速及流量的測(cè)量壓強(qiáng)、流速及流量的測(cè)量 為了了解和控制生產(chǎn)過(guò)程，需要對(duì)管路或設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)、流量及為了了解和控制生產(chǎn)過(guò)程

2、，需要對(duì)管路或設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)、流量及流速等一系列的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這些測(cè)量?jī)x表的操作原理又多以流體流速等一系列的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這些測(cè)量?jī)x表的操作原理又多以流體的靜止或流動(dòng)規(guī)律為依據(jù)的。的靜止或流動(dòng)規(guī)律為依據(jù)的。(3)(3)強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的流動(dòng)條件強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的流動(dòng)條件 化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程都是在流體流動(dòng)的情況下化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程都是在流體流動(dòng)的情況下進(jìn)行的。進(jìn)行的。(4)(4)設(shè)備的操作效率與流體流動(dòng)狀況有密切的聯(lián)系。設(shè)備的操作效率與流體流動(dòng)狀況有密切的聯(lián)系。 氣體和液體統(tǒng)稱流體。流體有多種分類方法：氣體和液體統(tǒng)稱流體。流體有多種分類方法： （1 1）按狀態(tài)分為氣體、液體和）按

3、狀態(tài)分為氣體、液體和超臨界流體等；超臨界流體等； （2 2）按可壓縮性分為不可壓流體和可壓縮流體；按可壓縮性分為不可壓流體和可壓縮流體； （3 3）按是否可忽略分子之間作用力分為理想流體與粘按是否可忽略分子之間作用力分為理想流體與粘 性流性流體（或?qū)嶋H流體）；體（或?qū)嶋H流體）； （4 4）按）按流變特性可分為牛頓型和非牛傾型流體；流變特性可分為牛頓型和非牛傾型流體；流體具有三個(gè)特點(diǎn)流體具有三個(gè)特點(diǎn): :(1)(1)流動(dòng)性，即抗剪抗張能力都很小。流動(dòng)性，即抗剪抗張能力都很小。(2)(2)無(wú)固定形狀，隨容器的形狀而變化。無(wú)固定形狀，隨容器的形狀而變化。(3)(3)在外力作用下流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

4、在外力作用下流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)：含有大量分子的流體微團(tuán)流體質(zhì)點(diǎn)：含有大量分子的流體微團(tuán)流體質(zhì)點(diǎn)成為研究流體宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的考察對(duì)象。流體質(zhì)點(diǎn)成為研究流體宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的考察對(duì)象。二、二、 流體的分類和特性流體的分類和特性 （1 1）質(zhì)量力（體積力）質(zhì)量力（體積力） 與流體的質(zhì)量成正比。與流體的質(zhì)量成正比。質(zhì)量力對(duì)于質(zhì)量力對(duì)于均質(zhì)流體也稱為體積力均質(zhì)流體也稱為體積力。 如如重力和離心力重力和離心力，都是質(zhì)量力。都是質(zhì)量力。 （2 2）表面力）表面力 表面力與作用的表面積成正比。表面力與作用的表面積成正比。 垂直于表面的力垂直于表面的力p p，稱為壓力（，稱為壓力（法向力）法向力）。 單位

5、面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)p p。 平行于表面的力平行于表面的力F F，稱為剪力（切力）。，稱為剪力（切力）。 單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力。三、流體流動(dòng)中的作用力三、流體流動(dòng)中的作用力 主要研究主要研究流體流體靜止時(shí)內(nèi)部壓力變化的規(guī)律。流體流體靜止時(shí)內(nèi)部壓力變化的規(guī)律。用描述這一用描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為流體靜力學(xué)基本方程式。規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為流體靜力學(xué)基本方程式。 單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度。以單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度。以表表示，單位為示，單位為kg/mkg/m3 3。 式中 - -流體的密度，流體的

6、密度，kg/mkg/m3 3 ；m m-流體的質(zhì)量，流體的質(zhì)量，kgkg； V V-流體的體積，流體的體積，m m3 3。 Vm一、基本概念一、基本概念1、流體的、流體的密度密度、相對(duì)密度、比容、相對(duì)密度、比容影響因素：影響因素：氣體氣體-種類、壓力、溫度、濃度種類、壓力、溫度、濃度 液體液體- 種類、溫度、濃度種類、溫度、濃度液體被視為不可壓縮流體，其密度只與溫度有關(guān)。液體被視為不可壓縮流體，其密度只與溫度有關(guān)。氣體是可壓縮流體。它的密度隨溫度和壓強(qiáng)的不同而出現(xiàn)較大氣體是可壓縮流體。它的密度隨溫度和壓強(qiáng)的不同而出現(xiàn)較大的差別。一般在壓強(qiáng)不太高。溫度不太低的情況下，可以按的差別。一般在壓強(qiáng)不太

7、高。溫度不太低的情況下，可以按理想氣體處理。理想氣體處理。 理想氣體標(biāo)況時(shí)理想氣體標(biāo)況時(shí): 0=M/22.4kg/m3，T=273K，P=101.3KPaRTpMVmRTMmnRTPVTMPTTppM1203. 04 .2200 nwnwwLxxx .12211式中i -液體混合物中各純組分的密度，kg/m3； wi -液體混合物中各純組分的質(zhì)量分率。 混合液的密度混合液的密度 混合液體的密度，在忽略混合體積變化條件下，（以1kg混合液為基準(zhǔn)），即 氣體混合物的密度氣體混合物的密度氣體是可壓縮的流體，其密度隨壓強(qiáng)和溫度而變化。氣體是可壓縮的流體，其密度隨壓強(qiáng)和溫度而變化。氣體的密度必須標(biāo)明其狀

8、態(tài)。氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。nnyMyMyMMRTMp.2211式中式中yi-各組分的摩爾分率（體積分率或壓強(qiáng)分率）各組分的摩爾分率（體積分率或壓強(qiáng)分率）nnm.2211m-混合氣體的密度混合氣體的密度n、21混合氣體中各組分的體積分?jǐn)?shù)混合氣體中各組分的體積分?jǐn)?shù) 1 mVv2277,277TH Od 2、流體靜壓力流體靜壓力垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的壓力強(qiáng)度垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的壓力強(qiáng)度,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。壓強(qiáng)。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。靜壓強(qiáng)的特點(diǎn)靜壓強(qiáng)的特點(diǎn)p1p2p3123靜壓力各向同性1 1、流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂

9、直，并指相所考慮的、流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂直，并指相所考慮的那部分流體的內(nèi)部，即沿著作用面的內(nèi)法線方向。那部分流體的內(nèi)部，即沿著作用面的內(nèi)法線方向。2 2、靜止流體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的流體靜壓力，在各個(gè)方向都相等。、靜止流體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的流體靜壓力，在各個(gè)方向都相等。3 3、在流體與固體接觸的表面，不論器壁的方向形狀如何，流體、在流體與固體接觸的表面，不論器壁的方向形狀如何，流體靜壓力總是垂直于器壁。靜壓力總是垂直于器壁。 1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=1.0133105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2壓強(qiáng)單位壓強(qiáng)單位SI制中，制中， N/m2 =Pa，稱

10、為帕斯卡，稱為帕斯卡壓力大小的兩種表征方法壓力大小的兩種表征方法 表壓表壓絕壓絕壓絕對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)大氣壓表壓絕對(duì)壓力真空度當(dāng)當(dāng)?shù)氐卮蟠髿鈿鈮簤航^絕壓壓表表壓壓 絕壓絕壓當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩日婵斩?絕壓 以絕對(duì)零壓(絕對(duì)真空)作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。 以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn),由壓力表或真空表測(cè)出.表壓壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值。 真空度 真空表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值。思考：思考： 1 1、表壓與真空度是何關(guān)系？、表壓與真空度是何關(guān)系？ 2 2、真空度越大，意味著什么？、真空度越大，意味著什么？二、二、 流體靜力學(xué)方程流體靜力學(xué)

11、方程 1 1、靜力學(xué)基本方程推導(dǎo)、靜力學(xué)基本方程推導(dǎo)重力場(chǎng)中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：ApP11 （1）上端面所受總壓力 ApP22 （2）下端面所受總壓力）下端面所受總壓力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力)(12zzgAG 設(shè)流體不可壓縮，設(shè)流體不可壓縮，.Const方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下pap1p2z1z2液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零: :0)(1212 zzgAApAp )(1212zzgpp gzpgzp1221 靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程壓力形式壓力形式能量形式能量形式hgp)zg(zpp01202 hgp 若流體為

12、氣體時(shí)，若流體為氣體時(shí)，12pp 0)(12 zzg 若上部與大氣相通，若上部與大氣相通，p1=p0,p1=p0,則則2 2、流體靜力學(xué)基本方程式討論、流體靜力學(xué)基本方程式討論 （1 1）、）、靜止液體內(nèi)部任一點(diǎn)壓力的大小與流體本身的靜止液體內(nèi)部任一點(diǎn)壓力的大小與流體本身的密度和該點(diǎn)距液面的深度有關(guān)。密度和該點(diǎn)距液面的深度有關(guān)。（2 2）、當(dāng)液面上方的壓力有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓）、當(dāng)液面上方的壓力有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也發(fā)生同樣大小的改變。（傳遞性原理）力也發(fā)生同樣大小的改變。（傳遞性原理）（3 3）、在靜止的連通的同一液體處，處于同一水平面上）、在靜止的連通的同一液體處，處于同一水

13、平面上各點(diǎn)的壓力都相等。各點(diǎn)的壓力都相等。（4 4）、在靜止連通的同種液體內(nèi)部，壓強(qiáng)相等的面應(yīng)處）、在靜止連通的同種液體內(nèi)部，壓強(qiáng)相等的面應(yīng)處在一個(gè)水平面。在一個(gè)水平面。（5 5）、壓力差的大小可以用一定高度差的液體柱來(lái)表示。）、壓力差的大小可以用一定高度差的液體柱來(lái)表示。但必須注明何種液體。但必須注明何種液體。適用場(chǎng)合：絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮適用場(chǎng)合：絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮 等壓面為水平面等壓面為水平面例：本題如圖所示的開(kāi)口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度的開(kāi)口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h h1 1=0.7m=0.7m、密度、密度1 1=800kg/m=800kg/m3 3，水層高

14、度，水層高度2 2=0.6m=0.6m、密度、密度2 2=1000kg/m=1000kg/m3 3。（。（1 1）判斷下列兩關(guān)系是否成立，即）判斷下列兩關(guān)系是否成立，即: : (2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度h。BBAAPPPp,解：（：（1）判斷題給兩關(guān)系式是）判斷題給兩關(guān)系式是否成立否成立成成立立AAPp不不成成立立BBPP（2）計(jì)算玻璃管內(nèi)水的高度h由上面討論知：成成立立AAPpghppghghppAA2022110于是ghghgh22211h10006.010007.0800mh16.1解得：三、流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用主要有以下四個(gè)方面：主要有以下四個(gè)方面：1、測(cè)定流體內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)間的壓強(qiáng)或指定

15、位置的表壓強(qiáng)；、測(cè)定流體內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)間的壓強(qiáng)或指定位置的表壓強(qiáng)；2、液位的測(cè)量；、液位的測(cè)量；3、液封高度的計(jì)算；、液封高度的計(jì)算；4、流體內(nèi)部物體所受浮力以及流體對(duì)壁面的作用力。、流體內(nèi)部物體所受浮力以及流體對(duì)壁面的作用力。 解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。1 1、 壓力和壓強(qiáng)差的測(cè)量壓力和壓強(qiáng)差的測(cè)量 ( (液柱壓差計(jì)液柱壓差計(jì)) ) (a)R0(b)a0(c)R10(d)0102p1p2p1p2p1p2p1p2baRbabab流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用p0 p0 A p1 p2 R a b U U 型管內(nèi)位于同一水平面上的型管內(nèi)位于同一水平面上的 a a、b b 兩

16、點(diǎn)在相連通的同兩點(diǎn)在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)相等。一靜止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)相等。B （）普通（）普通 U U 型管壓差計(jì)型管壓差計(jì)baABbBappRgzgppRzpp 21)(zgRppBA)(21 gRppA 211 1、若流體為氣體、若流體為氣體討論：討論：2、當(dāng)將當(dāng)將U U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也也可測(cè)得流體的表壓或真空度可測(cè)得流體的表壓或真空度；表壓表壓真空度真空度p1pap1pa3 3、選擇與被測(cè)流體的密度相差不大的指示劑可提高測(cè)量精、選擇與被測(cè)流體的密度相差不大的指示劑可提高測(cè)量精確度。確度。 z2 z1

17、R 3 3 指示劑指示劑 0 12 gRgzpRzgpp022113 gRgzpgzp02211等壓面等壓面U形壓差計(jì)適用于被測(cè)壓差不太小的場(chǎng)合。若所測(cè)壓力差很小，形壓差計(jì)適用于被測(cè)壓差不太小的場(chǎng)合。若所測(cè)壓力差很小，用用U形壓差計(jì)難以讀準(zhǔn)，可改用如圖所示的雙液體壓差計(jì)，將形壓差計(jì)難以讀準(zhǔn)，可改用如圖所示的雙液體壓差計(jì)，將讀數(shù)放大。讀數(shù)放大。 gzzgRpp)(12021(b) (b) 雙液體雙液體U U形管壓差計(jì)（微差壓差計(jì)）形管壓差計(jì)（微差壓差計(jì)）在在U形形微差壓計(jì)微差壓計(jì)兩側(cè)臂的上端裝有擴(kuò)張兩側(cè)臂的上端裝有擴(kuò)張室，其直徑與室，其直徑與U形管直徑之比大于形管直徑之比大于10。裝。裝密密度分

18、別為度分別為 A 和和 C 的兩種指示劑。的兩種指示劑。 有微壓差有微壓差 p 存在時(shí)，盡管兩擴(kuò)大室液存在時(shí)，盡管兩擴(kuò)大室液面高差很小以致可忽略不計(jì)，但面高差很小以致可忽略不計(jì)，但U型管內(nèi)卻型管內(nèi)卻可得到一個(gè)較大的可得到一個(gè)較大的 R 讀數(shù)。讀數(shù)。 對(duì)一定的壓差對(duì)一定的壓差 p，R 值的大小與所用的指示劑密值的大小與所用的指示劑密度有關(guān)，度有關(guān)，密度差越小，密度差越小，R 值就越大，讀數(shù)精度也越高。值就越大，讀數(shù)精度也越高。 gRppCA 21(c) (c) 倒置倒置 U U 型管壓差計(jì)型管壓差計(jì)用于測(cè)量液體的壓差，指示劑密度用于測(cè)量液體的壓差，指示劑密度 A 小于被測(cè)液體密度小于被測(cè)液體密度

19、 B， U 型管內(nèi)位于同型管內(nèi)位于同一水平面上的一水平面上的 a、b 兩點(diǎn)在相連通的同一靜兩點(diǎn)在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)相等止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)相等由指示液高度差由指示液高度差 R 計(jì)算壓差計(jì)算壓差 若若指示劑為氣體指示劑為氣體 gRppAB 2112BppR g例：用普通例：用普通U形管壓差計(jì)測(cè)量氣體管路上兩點(diǎn)的壓力差，指形管壓差計(jì)測(cè)量氣體管路上兩點(diǎn)的壓力差，指示液用水，讀數(shù)示液用水，讀數(shù)R為為12mm。為了放大讀數(shù)，改用雙液體。為了放大讀數(shù)，改用雙液體U形形管壓差計(jì)，指示液管壓差計(jì)，指示液1為煤油，密度為為煤油，密度為850 ，指示液，指示液2是含酒是含酒精精40%的水溶液，

20、密度為的水溶液，密度為920 。問(wèn)讀數(shù)可以放大到多少毫。問(wèn)讀數(shù)可以放大到多少毫米？米？3.mkg3.mkg解：倍倍新新讀讀數(shù)數(shù)可可提提高高原原來(lái)來(lái)的的將將以以上上兩兩式式聯(lián)聯(lián)立立得得水水3.14171.0850920012.01000)850920(012.02121mRRgppgpp2、液位的測(cè)量測(cè)定液位的儀表叫液位計(jì)，大多數(shù)液位計(jì)的作用原測(cè)定液位的儀表叫液位計(jì)，大多數(shù)液位計(jì)的作用原理均遵循流體靜力學(xué)原理。理均遵循流體靜力學(xué)原理。設(shè)平衡器平衡器2中的液面至壓差計(jì)與中的液面至壓差計(jì)與容器接口間距離為容器接口間距離為H，設(shè)備接口，設(shè)備接口至壓差計(jì)左端指示劑液面間的垂至壓差計(jì)左端指示劑液面間的垂直

21、距離為直距離為h1。指示劑密度。指示劑密度液體密度液體密度 12gRhHgRghh21121)()(化簡(jiǎn)、整理可得221RHh 3 3、 液封高度的計(jì)算液封高度的計(jì)算 液封類型：液封類型：安全液封、切斷液封、溢流液封安全液封、切斷液封、溢流液封1)1)通過(guò)液封裝置的液柱高度通過(guò)液封裝置的液柱高度 ，控制器內(nèi)壓力不變，控制器內(nèi)壓力不變, ,若氣若氣體壓力超過(guò)給定值，氣體則從液封裝置排出。體壓力超過(guò)給定值，氣體則從液封裝置排出。2)2) 3)3) 防止氣體泄漏的目的，而且它的密封效果極佳，甚防止氣體泄漏的目的，而且它的密封效果極佳，甚至比閥門還要嚴(yán)密。至比閥門還要嚴(yán)密。例例1-11 附圖附圖 (8

22、0 133.31.09m10009.807Lphg表）解得解得 h1.09m一、基本概念一、基本概念（一）、流量和流速（一）、流量和流速1 1 、流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)、流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)smVskgmss3表示，體積流量，用表示，質(zhì)量流量，用流量ssVm 主要研究流體在主要研究流體在管路管路中的流動(dòng)，中的流動(dòng)， 遵循著三大守恒定律遵循著三大守恒定律 能量守恒能量守恒動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒講講講講不講不講2、流速、流速AmGs又又稱稱質(zhì)質(zhì)量量通通量量，單單位位為為 kg/m2 suG uAGAms 點(diǎn)速度點(diǎn)速度 v，單位，單位m/s 體體積積流流速速質(zhì)質(zhì)量量流流速速流流速速AVus平

23、均流速單位單位m/s-非穩(wěn)定流動(dòng)：非穩(wěn)定流動(dòng)： 各截面上流體的有關(guān)參數(shù)、各截面上流體的有關(guān)參數(shù)、隨位置和時(shí)間而變化的流隨位置和時(shí)間而變化的流動(dòng)。動(dòng)。 m m1 1=m=m2 2 本章著重討論本章著重討論穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題。（二）、穩(wěn)定流動(dòng)與非穩(wěn)定流動(dòng)（二）、穩(wěn)定流動(dòng)與非穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)：穩(wěn)定流動(dòng)：流體在流動(dòng)時(shí)，各截面上的流速、壓力密流體在流動(dòng)時(shí)，各截面上的流速、壓力密度等與流動(dòng)有關(guān)的參數(shù)僅隨位置的改變而變化，而不度等與流動(dòng)有關(guān)的參數(shù)僅隨位置的改變而變化，而不隨時(shí)間變化而變化。這種流動(dòng)叫穩(wěn)定流動(dòng)隨時(shí)間變化而變化。這種流動(dòng)叫穩(wěn)定流動(dòng) 。穩(wěn)定流動(dòng)的特點(diǎn)穩(wěn)定流動(dòng)的特點(diǎn): :1 1、粘性、粘性流體

24、在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下流體在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下, ,具有的阻礙流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性。具有的阻礙流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性。稱為粘性。粘性是流動(dòng)性的反面。稱為粘性。粘性是流動(dòng)性的反面。流體的內(nèi)摩擦力流體的內(nèi)摩擦力 運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流體粘性的表現(xiàn)體粘性的表現(xiàn), , 又稱為粘滯力或粘性摩擦力。又稱為粘滯力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流體在由于粘性存在，流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)任一管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)任一截面上各點(diǎn)的速度并不截面上各點(diǎn)的速度并不相同相同, ,如圖所示如圖所示(三三) 粘性和粘度粘性和粘度牛頓粘性定律牛頓粘性定律流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力大小與

25、哪些因素有關(guān)？流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力大小與哪些因素有關(guān)？ 平板間液體速度分布圖（1 1）表達(dá)式）表達(dá)式 實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明, ,對(duì)于一定的液體對(duì)于一定的液體, ,內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力F F與兩流體層的速度差與兩流體層的速度差u u成正比；與兩層之間的垂直成正比；與兩層之間的垂直距離距離y y成反比成反比, ,與兩層間的接與兩層間的接觸面積觸面積S S（F F與與S S平行）成正比，平行）成正比，即即: :yvSFdydudydu速度梯度，即在與流動(dòng)方向相垂直的速度梯度，即在與流動(dòng)方向相垂直的y y方向上流體速度方向上流體速度的變化率；的變化率；當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而當(dāng)流體

26、在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，徑向速度的變化并不是直線關(guān)系，而是的曲線關(guān)系。則式應(yīng)改寫成：是的曲線關(guān)系。則式應(yīng)改寫成： 比例系數(shù)，稱為粘滯系數(shù)或動(dòng)力粘度比例系數(shù)，稱為粘滯系數(shù)或動(dòng)力粘度, ,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱為粘度。.牛頓粘性定律牛頓粘性定律牛頓粘性定律發(fā)牛頓粘性定律發(fā)表在表在 1687年年 粘度總是與速度梯度相聯(lián)系粘度總是與速度梯度相聯(lián)系, ,只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)。只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)。說(shuō)明：說(shuō)明：（1 1）牛頓粘性定律說(shuō)明流體在流動(dòng)過(guò)程中流體層間所產(chǎn)生牛頓粘性定律說(shuō)明流體在流動(dòng)過(guò)程中流體層間所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與壓力無(wú)關(guān)。的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與壓力無(wú)關(guān)。 流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦

27、力規(guī)律不同。流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同。 (2)(2)牛頓粘性定律的使用條件：層流時(shí)的牛頓型流體。牛頓粘性定律的使用條件：層流時(shí)的牛頓型流體。（所有氣體和大部分低分子量液體或溶液屬于牛頓性流體）（所有氣體和大部分低分子量液體或溶液屬于牛頓性流體）（3 3） 值愈大，流體內(nèi)部值愈大，流體內(nèi)部剪應(yīng)力值愈大，即流體粘性愈強(qiáng)。剪應(yīng)力值愈大，即流體粘性愈強(qiáng)。是一個(gè)衡量流體粘性大小的物理量。是一個(gè)衡量流體粘性大小的物理量。 sPamsNmsmmNdydv 22 物理意義：物理意義：衡量流體黏性大小的一個(gè)物理量衡量流體黏性大小的一個(gè)物理量單位：?jiǎn)挝唬韩@取方法：獲取方法：屬物性之一，屬物性之一，

28、 由實(shí)驗(yàn)測(cè)定、查有關(guān)手冊(cè)或資料、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定、查有關(guān)手冊(cè)或資料、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。2 2、流體的粘度、流體的粘度 ：在物理單位制中,粘度的單位為:g/cm.s=p(泊)液體：液體：f f（t t），與壓強(qiáng)），與壓強(qiáng)p p無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，溫度溫度t t， 。水（。水（2020），）， 1.005cP1.005cP；油的粘度可達(dá)幾十、；油的粘度可達(dá)幾十、到幾百到幾百CpCp。 氣體：氣體：壓強(qiáng)變化時(shí)壓強(qiáng)變化時(shí), ,液體的粘度基本不變；氣體的液體的粘度基本不變；氣體的粘度隨壓強(qiáng)增加而增加得很少粘度隨壓強(qiáng)增加而增加得很少, ,在一般工程計(jì)算中可予在一般工程計(jì)算中可予以忽略以忽略, ,只有在極高

29、或極低的壓強(qiáng)下只有在極高或極低的壓強(qiáng)下, , 才需考慮壓強(qiáng)對(duì)才需考慮壓強(qiáng)對(duì)氣體粘度的影響。氣體粘度的影響。 p40atmp40atm時(shí)時(shí)f f（t t）與）與p p無(wú)關(guān)，溫?zé)o關(guān)，溫度度t t，理想流體理想流體（實(shí)際不存在）實(shí)際不存在） ，流體無(wú)粘性，流體無(wú)粘性0 0氣體的黏度比液體的小氣體的黏度比液體的小主要有體系、溫度、濃度主要有體系、溫度、濃度 GLT ,影響因素：影響因素：如缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)如缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí), ,可選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。可選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。對(duì)分子不締合的液體混合物的粘度對(duì)分子不締合的液體混合物的粘度m m, ,可采用下式可采用下式進(jìn)行計(jì)算進(jìn)行計(jì)算, ,即即:

30、 : 與液體混合物同溫下組分與液體混合物同溫下組分i i的粘度。的粘度。對(duì)于常壓氣體混合物的粘度對(duì)于常壓氣體混合物的粘度m m 可采用下式即可采用下式即: :式中式中 y y 氣體混合物中組分氣體混合物中組分i i的摩爾分率；的摩爾分率； 與氣體混合物同溫下組分與氣體混合物同溫下組分i i的粘度；的粘度； 氣體混合物中組分的分子量。氣體混合物中組分的分子量。iimxlglg2/12/1iiiiimMyMy（4）混合物粘度）混合物粘度牛頓型和非牛頓型流體非牛頓型流體：非牛頓型流體：如人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的如人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半

31、流半流體體”都屬于非牛頓流體。如聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龍都屬于非牛頓流體。如聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龍6，PVS，滌綸，橡膠溶液，各種工程塑料，化纖的熔體等。，滌綸，橡膠溶液，各種工程塑料，化纖的熔體等。-體系粘度隨剪切速率的增加而降低。體系粘度隨剪切速率的增加而降低。 流動(dòng)形式表現(xiàn)為剪切稀化現(xiàn)象流動(dòng)形式表現(xiàn)為剪切稀化現(xiàn)象. .-體系粘度隨剪切速率的增加而增大。體系粘度隨剪切速率的增加而增大。-受到外力作用時(shí)并不立即流動(dòng)而要待外力增大受到外力作用時(shí)并不立即流動(dòng)而要待外力增大到某一程度時(shí)才開(kāi)始流動(dòng)到某一程度時(shí)才開(kāi)始流動(dòng)不符合牛頓粘性定律的流體，如絕大多數(shù)高分子量的不符合牛頓粘性

32、定律的流體，如絕大多數(shù)高分子量的牛頓型流體：牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體符合牛頓粘性定律的流體 賓漢塑性流體 漲塑性流體 牛頓流體 假塑性流體 d/dy 圖 1-6 剪應(yīng)力與速度梯度關(guān)系圖1-8連續(xù)性方程的推導(dǎo)二、穩(wěn)定系統(tǒng)的質(zhì)量衡算二、穩(wěn)定系統(tǒng)的質(zhì)量衡算- - 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 ( (一）一）、連續(xù)性方程連續(xù)性方程推導(dǎo)推導(dǎo)在穩(wěn)定在穩(wěn)定連續(xù)連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)直徑不同的管段作物料衡算流動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)直徑不同的管段作物料衡算, ,如圖所示。以管內(nèi)壁如圖所示。以管內(nèi)壁 、截面、截面1-11-1與與2-22-2為衡算范圍。為衡算范圍。由于把流體視連續(xù)為介質(zhì)，即流體充滿管道由于把流體視連續(xù)為介質(zhì)，

33、即流體充滿管道，并連續(xù)不斷，并連續(xù)不斷地從截面地從截面1-11-1流入、從截面流入、從截面2-22-2流出。流出。21ssmm222111AuAu（二）、討論（二）、討論(1)(1) 對(duì)于對(duì)于不可壓縮的流體不可壓縮的流體即即: :常數(shù)，可得到常數(shù)，可得到（2）對(duì)于在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的不可壓縮流體：22112112dduAAuu （3）有分支管路，總質(zhì)量流量等于各支管質(zhì)量流量之和。1122uAuA可見(jiàn)，平均流速與管的直經(jīng)的平方成反比可見(jiàn)，平均流速與管的直經(jīng)的平方成反比21sssmmm流速與流通截面成反比 如圖所示的系統(tǒng)中，流體從截面如圖所示的系統(tǒng)中，流體從截面1-11-1流入，從截面流入，從截面

34、2-22-2流出。管路上裝有對(duì)流體作功的泵及向流體輸入或從流體取流出。管路上裝有對(duì)流體作功的泵及向流體輸入或從流體取出熱量的換熱器。出熱量的換熱器。 并假設(shè)：并假設(shè)：（a a）連續(xù)穩(wěn)定流體；）連續(xù)穩(wěn)定流體；（b b）兩截面間無(wú)旁路）兩截面間無(wú)旁路 流體輸入、輸出；流體輸入、輸出；（c c）系統(tǒng)熱損失）系統(tǒng)熱損失Q QL L=0=0。 ( (一一) )、流動(dòng)系統(tǒng)的能量類型、流動(dòng)系統(tǒng)的能量類型三、總能量衡算方程和柏努利方程三、總能量衡算方程和柏努利方程 Q 2流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws u1 1、u2 流體分別在截面流體分別在截面1-11-1與

35、與2-22-2處的流速處的流速, m/s, m/s；p1、p2 流體分別在截面流體分別在截面1-11-1與與2-22-2處的壓強(qiáng)處的壓強(qiáng), N/m, N/m；Z、Z截面截面1-11-1與與2-22-2的中心至的中心至o-o的垂直距離的垂直距離,m；A1、A2截面截面1-11-1與與2-22-2的面積，的面積，m2； 1 1 、2 2 流體分別在截面流體分別在截面1-11-1與與2-22-2處的密度處的密度, kg/ m, kg/ m3 3。 范圍：范圍：內(nèi)壁面、內(nèi)壁面、1-1 與與2-2截面間。截面間。 衡算基準(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：1kg流體。流體。 基準(zhǔn)水平面：基準(zhǔn)水平面：o-o平面。平面。 Q 2

36、流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws 運(yùn)動(dòng)著的流體涉及的能量形式有運(yùn)動(dòng)著的流體涉及的能量形式有內(nèi)能內(nèi)能、動(dòng)能、動(dòng)能、 位能、壓力能、位能、壓力能、 外功、熱外功、熱U，J/kg取決于溫度 輸輸出出的的能能量量速速率率輸輸入入的的能能量量速速率率 對(duì)于如圖所示的穩(wěn)定流動(dòng)的流動(dòng)系統(tǒng)，能量衡算式為：對(duì)于如圖所示的穩(wěn)定流動(dòng)的流動(dòng)系統(tǒng)，能量衡算式為：u2/2J/kggzJ/kgp/J/kgwe，J/kg外界對(duì)流體外功為正，外界對(duì)流體外功為正，流體向外作功為負(fù)流體向外作功為負(fù) 以面1-1為例，說(shuō)明壓力能的表達(dá)式：面1-1上所受到的總壓力為P1=p1A1，將1kg

37、的流體（其體積即為比容1=1/1，m3kg-1）壓過(guò)該截面的所做功便為 P1u1=（p1A1）（1/A1）=p11= p1/1吸熱為正吸熱為正放熱為負(fù)放熱為負(fù) 機(jī)械能機(jī)械能-可直接用于輸送流體可直接用于輸送流體在流體流動(dòng)過(guò)程中可相互轉(zhuǎn)變?cè)诹黧w流動(dòng)過(guò)程中可相互轉(zhuǎn)變可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄騼?nèi)能?？赊D(zhuǎn)變?yōu)闊峄騼?nèi)能。 （二）、柏努利方程式（二）、柏努利方程式黏度黏度 0 1、理想流體的伯努利方程、理想流體的伯努利方程 Q 2流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws 如果撇開(kāi)內(nèi)能和熱而只考慮機(jī)械能，對(duì)下圖所示的如果撇開(kāi)內(nèi)能和熱而只考慮機(jī)械能，對(duì)下圖所示的截面截面1與與2之間理

38、想流體的穩(wěn)定流動(dòng)，存在下述機(jī)械能之間理想流體的穩(wěn)定流動(dòng)，存在下述機(jī)械能衡算關(guān)系：衡算關(guān)系： 222221121122 pugzwpugze 12we=0 2222121122pugzpugz -伯努利伯努利（Bernoulli）方程方程 含義：對(duì)沒(méi)有黏性的流體，對(duì)沒(méi)有黏性的流體，流動(dòng)系統(tǒng)上游的機(jī)械能等于流動(dòng)系統(tǒng)上游的機(jī)械能等于下游的機(jī)械能。下游的機(jī)械能。2、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式、實(shí)際流體的機(jī)械能衡算式 Q 2流體出流體出 換熱器換熱器 2 z2 流體入流體入 1 1 泵泵 z1 1 Ws fewpugzwpugz 2222121122-機(jī)械能衡算方程機(jī)械能衡算方程wf稱為阻力損失，永稱為阻力

39、損失，永遠(yuǎn)為正，單位遠(yuǎn)為正，單位J/kg 對(duì)實(shí)際流體，由于有黏性，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)要消耗機(jī)械能以克服阻對(duì)實(shí)際流體，由于有黏性，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)要消耗機(jī)械能以克服阻力。消耗了的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱，散失到流動(dòng)系統(tǒng)以外去了。因此，此力。消耗了的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱，散失到流動(dòng)系統(tǒng)以外去了。因此，此項(xiàng)機(jī)械能損耗應(yīng)列入伯努利方程右邊作為輸出項(xiàng)，記做項(xiàng)機(jī)械能損耗應(yīng)列入伯努利方程右邊作為輸出項(xiàng)，記做wf： 每一項(xiàng)單位均為每一項(xiàng)單位均為J/kg外加壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭位頭壓頭損失fehgpguzhgpguz 2222121122或?qū)懗苫驅(qū)懗擅恳豁?xiàng)單每一項(xiàng)單位均為位均為m-機(jī)械能衡算方程機(jī)械能衡算方程feppugzppugz 222

40、2121122 -機(jī)械能衡算方程機(jī)械能衡算方程每一項(xiàng)單位每一項(xiàng)單位均為均為Jm-3壓力損失（三）、柏努利方程式討論（三）、柏努利方程式討論fewpugzwpugz 2222121122fttwEE21（1）適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫、非等溫流動(dòng)）適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫、非等溫流動(dòng) 2211pgzpgz -靜力學(xué)方程。靜力學(xué)方程?？梢?jiàn)流體靜止?fàn)顟B(tài)可見(jiàn)流體靜止?fàn)顟B(tài)是流體流動(dòng)的一種特殊形式。是流體流動(dòng)的一種特殊形式。 Q 2 換換熱熱器器 2 z2 1 泵泵 z1 1 Ws（2）對(duì)流體靜止，可化簡(jiǎn)得：）對(duì)流體靜止，可化簡(jiǎn)得： （3）若流動(dòng)系統(tǒng)無(wú)外加功，即）若流動(dòng)系統(tǒng)無(wú)

41、外加功，即we=0，則，則 這說(shuō)明流體能自動(dòng)從高（機(jī)械能）這說(shuō)明流體能自動(dòng)從高（機(jī)械能）能位流向低（機(jī)械能）能位。能位流向低（機(jī)械能）能位。（一）（一）（二）解題要點(diǎn)（二）解題要點(diǎn)1 1、做示意圖、做示意圖 ，確定衡算范圍，確定衡算范圍 2 2、輸入、輸出截面的選取原則、輸入、輸出截面的選取原則 （a a） 兩截面間流體必須連續(xù)兩截面間流體必須連續(xù), ,均質(zhì)均質(zhì)。 （b b）兩截面必須與流動(dòng)方向相垂直）兩截面必須與流動(dòng)方向相垂直 （在垂直的截面上各物性參數(shù)為常數(shù)）（在垂直的截面上各物性參數(shù)為常數(shù)） （c c）所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間出現(xiàn)；）所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間出現(xiàn)；

42、 （d d）截面上已知量較多（除所求取的未知量外，都應(yīng)是已知）截面上已知量較多（除所求取的未知量外，都應(yīng)是已知的或能計(jì)算出來(lái)，且兩截面上的的或能計(jì)算出來(lái)，且兩截面上的u u、p p、Z Z與兩截面間的與兩截面間的hfhf都都應(yīng)相互對(duì)應(yīng)一致應(yīng)相互對(duì)應(yīng)一致) )。（e e）通常選取系統(tǒng)進(jìn)、出口處截面作為輸入）通常選取系統(tǒng)進(jìn)、出口處截面作為輸入1-11-1、輸出面、輸出面2-22-2。輸入項(xiàng)與輸出項(xiàng)不能顛倒，此時(shí)，柏努利方程不成立。輸入項(xiàng)與輸出項(xiàng)不能顛倒，此時(shí)，柏努利方程不成立。3 3、基準(zhǔn)水平面的選取、基準(zhǔn)水平面的選取 原則上基準(zhǔn)水平面可以任意選取，原則上基準(zhǔn)水平面可以任意選取，但為了計(jì)算但為了計(jì)

43、算方便，常取確定系統(tǒng)的兩個(gè)截面中的一個(gè)作為方便，常取確定系統(tǒng)的兩個(gè)截面中的一個(gè)作為基準(zhǔn)水平面?；鶞?zhǔn)水平面。如衡算系統(tǒng)為水平管道，則基準(zhǔn)如衡算系統(tǒng)為水平管道，則基準(zhǔn)水平面通過(guò)管道的中心線水平面通過(guò)管道的中心線4 4、單位必須一致，各物理量單位換算成一致的，、單位必須一致，各物理量單位換算成一致的，對(duì)壓強(qiáng)表示方法也要一致，同時(shí)用絕壓或同時(shí)對(duì)壓強(qiáng)表示方法也要一致，同時(shí)用絕壓或同時(shí)用表壓方程中的壓強(qiáng)用表壓方程中的壓強(qiáng)p p、速度、速度u u是指整個(gè)截面的是指整個(gè)截面的平均值，對(duì)大截面平均值，對(duì)大截面u u =0=0 。例例 機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化 如圖所示，一高位槽中液面高度保持為如圖所示，

44、一高位槽中液面高度保持為H，高位槽下接一，高位槽下接一管路。在管路上管路。在管路上2、3處各接兩個(gè)垂直玻璃管，一個(gè)直的，處各接兩個(gè)垂直玻璃管，一個(gè)直的，用來(lái)測(cè)靜壓；一個(gè)有彎頭，用來(lái)測(cè)動(dòng)壓頭與靜壓頭之和，用來(lái)測(cè)靜壓；一個(gè)有彎頭，用來(lái)測(cè)動(dòng)壓頭與靜壓頭之和，因?yàn)榱黧w流到彎頭前端時(shí)，軸向速度變?yōu)榱悖驗(yàn)榱黧w流到彎頭前端時(shí)，軸向速度變?yōu)榱?，?dòng)壓頭全部動(dòng)壓頭全部轉(zhuǎn)化為靜壓頭，使得靜壓頭增大為轉(zhuǎn)化為靜壓頭，使得靜壓頭增大為( )。設(shè)流體阻。設(shè)流體阻力損失可以忽略，力損失可以忽略，2點(diǎn)處垂直細(xì)管內(nèi)的液體高度如圖所示。點(diǎn)處垂直細(xì)管內(nèi)的液體高度如圖所示。2、3處為等徑管。試定性畫出其余各細(xì)管內(nèi)的液住高處為等徑管。

45、試定性畫出其余各細(xì)管內(nèi)的液住高度。gpgu22解：選取截面1-1、2-2、3-3。在1-1、2-2間應(yīng)用伯努利方程，2為基準(zhǔn)面：gpguzgpguH2222121220, 0, 0211zpu其其中中，化簡(jiǎn)為：gpguH2222表明：表明：1 1向向2 2面流動(dòng)時(shí)，面流動(dòng)時(shí)，位頭減少，相應(yīng)的動(dòng)位頭減少，相應(yīng)的動(dòng)壓頭和靜壓頭增大。壓頭和靜壓頭增大。在在2-2、3-3間應(yīng)用伯努利方程，間應(yīng)用伯努利方程，2為基準(zhǔn)面：為基準(zhǔn)面：gpguzgpgu323322222因?yàn)橐驗(yàn)?-2、3-3管徑相等，于是簡(jiǎn)化為：管徑相等，于是簡(jiǎn)化為：gpzgp332表明：表明：2 2流向流向3 3面時(shí)，動(dòng)壓頭不面時(shí)，動(dòng)壓頭

46、不變，位頭增大，相應(yīng)地，靜壓變，位頭增大，相應(yīng)地，靜壓頭減少。頭減少。gugpzH22323表明：表明：3 3處有彎頭的細(xì)管中的液柱高度與槽高度液面相等。處有彎頭的細(xì)管中的液柱高度與槽高度液面相等。結(jié)論：機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，總機(jī)械能相等。結(jié)論：機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，總機(jī)械能相等。（三）應(yīng)用示例（三）應(yīng)用示例222.06=1m/s36000.0274u2211221222efupupgzWgzh 2 2 氣氣 體體 洗洗 滌滌 塔塔 5m 泵泵 氣氣 體體 3 3 1m 1m 4 4 貯貯 槽槽 廢廢 水水 池池 1 1 0.2m 如圖所示，用泵將貯槽中的水打入洗滌塔如圖所示，用泵將貯槽中的水打入洗滌塔并

47、經(jīng)噴嘴噴出，噴淋下來(lái)后六如廢水池。并經(jīng)噴嘴噴出，噴淋下來(lái)后六如廢水池。已知管道尺寸為已知管道尺寸為 114 4 mm，流量為，流量為85 m3/h，水在管路中（噴頭前）流動(dòng)的總阻，水在管路中（噴頭前）流動(dòng)的總阻力損失為力損失為10 J/kg ，噴頭前壓力較塔內(nèi)壓力，噴頭前壓力較塔內(nèi)壓力高高100 kPa，水從塔中流入下水道的阻力損，水從塔中流入下水道的阻力損失為失為12 J/kg。求泵供給的外加功率。求泵供給的外加功率。 解：解： 按照按照選取原則選取原則，應(yīng)取面，應(yīng)取面1-1至面至面2-2，而不能取面，而不能取面1-1至面至面3-3或面或面1-1至面至面4-4。mmd10642114 由已知

48、條件可知管內(nèi)徑由已知條件可知管內(nèi)徑2、軸功的計(jì)算212222121122 fewpugzwpugz 在面在面1-1和面和面2-2間有間有 2 2 氣體氣體 洗滌塔洗滌塔 5m 泵泵 氣體氣體 3 3 1m 1m 4 4 貯槽貯槽 廢水池廢水池 1 1 0.2m 422dVu sm68. 24106. 03600852 z2=7 mp2=？wf1-2=10 J kg-1 22226.8210268. 281. 97ppwe 2 2 氣體氣體 洗滌塔洗滌塔 5m 泵泵 氣體氣體 3 3 1m 1m 4 4 貯槽貯槽 廢水池廢水池 1 1 0.2mp3可通過(guò)面可通過(guò)面3-3與與4-4間的機(jī)械能衡算求

49、得：間的機(jī)械能衡算求得： 434244323322 fwpugzpugz z3=1.2 m，wf3-4=12 J kg-1 23. 081. 92 . 1123 pJ kg-1 22226.8210268. 281. 97ppwe 由已知條件可知：由已知條件可知： 33210100 pp2 .100 J kg-1 5 .182 J kg-1 故泵的外加功率為：故泵的外加功率為：36005 .182851000 eseswVwm =4310 W 或或4.31 kW 流體阻力的形成原因流體阻力的形成原因第三節(jié)第三節(jié) 流體流動(dòng)現(xiàn)象流體流動(dòng)現(xiàn)象為了直接觀察流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況及各種因素對(duì)流動(dòng)狀

50、況的影響,可安排如的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為雷諾實(shí)驗(yàn)。雷諾實(shí)驗(yàn)一、流動(dòng)型態(tài)一、流動(dòng)型態(tài)（一）雷諾實(shí)驗(yàn)和雷諾準(zhǔn)數(shù)（一）雷諾實(shí)驗(yàn)和雷諾準(zhǔn)數(shù) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：流體在管內(nèi)的流動(dòng)分流體在管內(nèi)的流動(dòng)分滯流、湍流滯流、湍流兩種類型兩種類型流體在管內(nèi)的流動(dòng)類型，由流體的臨界速度流體在管內(nèi)的流動(dòng)類型，由流體的臨界速度u決定。決定。 臨界速度的大小受管徑臨界速度的大小受管徑d、流體的粘度、流體的粘度和密度和密度的影響。的影響。(a) (a) 層流層流 (b) (b) 湍流湍流 duRe 流體的流動(dòng)狀況是由多方面因素決定的流速流體的流動(dòng)狀況是由多方面因素決定的流速u能引起流動(dòng)狀況改變能引起流動(dòng)狀況改變, ,而且管徑而

51、且管徑d、流體的粘度、流體的粘度和密和密度度也。通過(guò)進(jìn)一步的分析研究，可以把這些影響因素也。通過(guò)進(jìn)一步的分析研究，可以把這些影響因素組合成為組合成為Re準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)。組成此數(shù)群的各物理量。組成此數(shù)群的各物理量, ,必須用一致必須用一致的單位表示。因此的單位表示。因此, ,無(wú)論采用何種單位制無(wú)論采用何種單位制, ,只要數(shù)群中各物理量只要數(shù)群中各物理量的單位一致的單位一致, ,所算出的所算出的Re值必相等值必相等。(2)(2)流型判別的依據(jù)流型判別的依據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)000231)(skgmsmNmkgsmmduRe意義：表征慣性力與粘性力之比。意義：表征慣性力與粘性力之比。標(biāo)志著流體流

52、動(dòng)的湍動(dòng)程度。標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。 根據(jù)Re雷諾準(zhǔn)數(shù)數(shù)值來(lái)分析判斷流型。對(duì)直管內(nèi)的流動(dòng)而言：Re2000 穩(wěn)定的滯流區(qū) 2000 Re 4、湍流時(shí)的層流內(nèi)層、湍流時(shí)的層流內(nèi)層近壁處流體流動(dòng)保持為層流形態(tài)，稱為層流內(nèi)層。近壁處流體流動(dòng)保持為層流形態(tài)，稱為層流內(nèi)層。三、管內(nèi)速度分布P1 P2 l11 22 RF r 圖 1-19 圓形等徑管內(nèi)的層流流動(dòng)因等徑管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)為等速運(yùn)動(dòng)022212 rrlprprdd 合力0即即面面1-1上上的總壓力的總壓力 面面2-2上上的總壓力的總壓力 側(cè)面上的黏側(cè)面上的黏性阻力性阻力F rlppr 212 ddcrlpp 2124 積分r =R時(shí)=0221

53、4Rlppc 1 1、層流時(shí)的速度分布、層流時(shí)的速度分布層流速度分布圖 1-20 管內(nèi)層流時(shí)的速度分布max 22214rRlpp 221max4Rlpp 22max1Rrr=時(shí)，時(shí)，maxAVus 平平均均流流速速2RdAA RRrdrRrRrdrR02max20212121 max21 u速度分布表速度分布表達(dá)式達(dá)式-拋物拋物線線 2、湍流速度分布711maxRr 圖 1-21 管內(nèi)湍流時(shí)的速度分布max由由于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，其管內(nèi)的速度分布式目前尚不于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，其管內(nèi)的速度分布式目前尚不能從理論上導(dǎo)出，只能借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用經(jīng)驗(yàn)公式近似地能從理論上導(dǎo)出，只能借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用經(jīng)驗(yàn)公

54、式近似地表達(dá)，以下為一種常用的指數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)式：表達(dá)，以下為一種常用的指數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)式： nRr11max （式中，（式中，n值值 與與Re大小有關(guān)）大小有關(guān)）當(dāng)當(dāng)Re=104105時(shí)時(shí)（教材有誤）（教材有誤）-17次方律次方律max817. 0 umax21212nnnu四、邊界層與邊界層分離 u u u u ux ux1、邊界層、邊界層以平板為例-壁面附近，其內(nèi)部存在速度梯度。壁面附近，其內(nèi)部存在速度梯度。 如圖虛線下方所示。一般以速度為主體流如圖虛線下方所示。一般以速度為主體流速的速的99%處作為劃分邊界層的界限處作為劃分邊界層的界限 邊界層邊界層-離壁面較遠(yuǎn)處，速度尚未受到壁面的影響，

55、離壁面較遠(yuǎn)處，速度尚未受到壁面的影響，速度梯度幾乎為零。速度梯度幾乎為零。 邊界層 ux=0.99u外流區(qū)外流區(qū)外流區(qū) 邊界層與流動(dòng)阻力、傳熱、傳質(zhì)都密切相關(guān)，今后邊界層與流動(dòng)阻力、傳熱、傳質(zhì)都密切相關(guān)，今后將陸續(xù)講到。將陸續(xù)講到。 層流 過(guò)渡 湍流 u 邊 x ABCDB界層層流底層2 2、邊界層的形成和發(fā)展、邊界層的形成和發(fā)展 從前沿開(kāi)始形成邊界層，隨距板前沿的距離的增加，從前沿開(kāi)始形成邊界層，隨距板前沿的距離的增加，邊界層也越來(lái)越厚度。邊界層很薄時(shí)，邊界層內(nèi)部為層邊界層也越來(lái)越厚度。邊界層很薄時(shí)，邊界層內(nèi)部為層流。隨著邊界層加厚，邊界層內(nèi)的流動(dòng)可由層流轉(zhuǎn)變?yōu)榱?。隨著邊界層加厚，邊界層內(nèi)的

56、流動(dòng)可由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。在層流與湍流之間還有一個(gè)過(guò)渡區(qū)。湍流。在層流與湍流之間還有一個(gè)過(guò)渡區(qū)。 在湍流邊界層之內(nèi)，由于緊靠壁面處的流體速度仍很在湍流邊界層之內(nèi)，由于緊靠壁面處的流體速度仍很小，流動(dòng)型態(tài)保持為層流，稱為小，流動(dòng)型態(tài)保持為層流，稱為層流底層層流底層。 平板：平板： 邊界層 max Le 充分發(fā)展的流動(dòng) (a) 層流 邊界層 Le 充分發(fā)展的流動(dòng) (b)湍流圖 1-23圓管內(nèi)邊界層的發(fā)展2 2、邊界層的形成和發(fā)展、邊界層的形成和發(fā)展 管內(nèi)：管內(nèi)： 在入口處開(kāi)始形成邊界層，并在入口處開(kāi)始形成邊界層，并逐漸加厚，以至于在管中心匯逐漸加厚，以至于在管中心匯合，此后邊界層厚度等于管半合，此后

57、邊界層厚度等于管半徑，速度分布不再變化，此時(shí)徑，速度分布不再變化，此時(shí)的流動(dòng)稱為的流動(dòng)稱為充分發(fā)展的流動(dòng)充分發(fā)展的流動(dòng)。 若邊界層匯合時(shí)流體流動(dòng)若邊界層匯合時(shí)流體流動(dòng)類型為層流，則這以后管內(nèi)流類型為層流，則這以后管內(nèi)流動(dòng)一直保持為層流，反之，若動(dòng)一直保持為層流，反之，若邊界層內(nèi)流動(dòng)類型已是湍流，邊界層內(nèi)流動(dòng)類型已是湍流，則管內(nèi)流動(dòng)就將保持為湍流。則管內(nèi)流動(dòng)就將保持為湍流。進(jìn)口段長(zhǎng)度進(jìn)口段長(zhǎng)度-流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展所需的管長(zhǎng)流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展所需的管長(zhǎng)3 3、邊界層分離邊界層分離 -如圖，當(dāng)流體流過(guò)非流線型物體時(shí)會(huì)發(fā) 生邊界層脫離壁面的現(xiàn)象，稱為邊界層分離邊界層分離uS點(diǎn)下游的流體在點(diǎn)下游的流體在逆壓

58、作用逆壓作用下將倒流回來(lái)，它們?cè)趤?lái)流下將倒流回來(lái)，它們?cè)趤?lái)流的沖擊下，就在點(diǎn)的沖擊下，就在點(diǎn)S附近形成附近形成明顯的旋渦，這旋渦象楔子明顯的旋渦，這旋渦象楔子一樣將邊界層與物面分離開(kāi)一樣將邊界層與物面分離開(kāi)來(lái)，就是邊界層分離來(lái)，就是邊界層分離 。分離點(diǎn)ADS壓力逐漸減小壓力逐漸減小壓力逐漸增大壓力逐漸增大邊界層u當(dāng)流到點(diǎn)當(dāng)流到點(diǎn)S時(shí)，速度減為零。時(shí)，速度減為零。邊界層分離流線型 邊界層分離會(huì)增大能量消耗，在流體輸送中應(yīng)設(shè)法邊界層分離會(huì)增大能量消耗，在流體輸送中應(yīng)設(shè)法避免或減輕，但它對(duì)混合及傳熱、傳質(zhì)又有促進(jìn)作用避免或減輕，但它對(duì)混合及傳熱、傳質(zhì)又有促進(jìn)作用，故有時(shí)也要加以利用。，故有時(shí)也要加以

59、利用。 若將圓柱體改為流線形，使邊界層不發(fā)生分離，若將圓柱體改為流線形，使邊界層不發(fā)生分離，阻力損失會(huì)大大減小。阻力損失會(huì)大大減小。 79邊界層分離的后果：邊界層分離的后果： 產(chǎn)生大量旋渦；產(chǎn)生大量旋渦； 造成較大的能量損失。造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件：邊界層分離的必要條件： 流體具有粘性；流體具有粘性； 流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流體的阻力損失管內(nèi)流體的阻力損失流動(dòng)阻力損失分類流動(dòng)阻力損失分類流體在管路中流動(dòng)時(shí)的阻力損失有兩種：流體在管路中流動(dòng)時(shí)的阻力損失有兩種：1 1）、沿程（直管）阻力損失）、沿程（直管）阻力損失 流體流徑一定管流體流

60、徑一定管徑的直管時(shí)，因流體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。徑的直管時(shí)，因流體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。2 2）、局部阻力損失）、局部阻力損失流體流經(jīng)管件、閥門等局部流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。 fffhhh 818283蝶閥蝶閥（以圓形等徑直管為例）ffwppp212、受力分析：、受力分析：wdlppdFPP)(4021221dlppw421dlwwf41、柏努里方程得到：、柏努里方程得到：因流型而異因流型而異一、沿程損失的計(jì)算通式一、沿程損失的計(jì)算通式流體1-1流到2-2截面0, 02121 eHuuzzfhgpgp21將阻力損失