第一章流体力学.ppt

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1、 流体动力学流体动力学流体阻力流体阻力损失计算损失计算第一节第一节 相关物理量相关物理量mV（1-1）（一）密度（一）密度,1,1nw iiLL ixrr=,31,10.60.30.11.16 10869858852nw iiLL ixrr-=+=3862kg/mLr=mpVnRTRTMVmpMVRT（1-5）1niiiMyM（1-6）=0.21 32+0.792829 kg/kmolM【例例1-3】试求干空气在试求干空气在1atm、20及及80条件下的密度。条件下的密度。【解解】在工程计算过程中，为简便起见，常将干空气的组成视为：在工程计算过程中，为简便起见，常将干空气的组成视为：O2-21

2、%、N2-79%（以上均为摩尔百分数）。据此可由（以上均为摩尔百分数）。据此可由（1-6）式求得）式求得空气的平均摩尔质量为空气的平均摩尔质量为 3101.3291.206 kg/m8.314293VPMRT31212293()1.206=1.001 kg/m 353TT2277,277TH Od（1-2）（二）相对密度（二）相对密度31/Vvmkgmr=（三）比容（三）比容（一）流体静压强的定义与特性（一）流体静压强的定义与特性p1p2p3123FAz gpz gAA（1-9）pzg51.0133 101atm=0.76mHg136009.807521.0133 101atm=10.33mH

3、 O1000 9.807（二）压强的其它计量单位与测量（二）压强的其它计量单位与测量pAz例如：例如：2、压强的测量、压强的测量图图1-3 弹簧管压强表弹簧管压强表（一）流量（一）流量vVqtmmqt335 98.07 10101.3 105916500.5917pPaMPa（二）流速（二）流速VqVuA tAmqmGA tA2/kg msGur=uFSyuFSy（一）牛顿粘性定律（一）牛顿粘性定律/F=uSy/FuSy dudy =/dymPaPa sdum s5242101Pa s=10P=1000cP10N sdyn smcm（二）粘度（二）粘度（1）气体混合物的粘度）气体混合物的粘度

4、对于常压下的气体混合物，粘度可按下式估算对于常压下的气体混合物，粘度可按下式估算1/211/21niiiiGniiiyMyM1/21/21/21/20.40.0107 160.60.007744=0.00856cP0.4 160.644G1lglgnLiiix1lglg=0.9lg0.55+0.1 lg0.75=0.246nLiiix-3L0.567cP0.567 10 Pa s图图1-6 静力学基本方程的推导静力学基本方程的推导 2121()ppzzg第二节第二节 流体静力学流体静力学（一）静力学基本方程式的推导（一）静力学基本方程式的推导2121()p Ap Azz A gapph g（1

5、-19a）pap1p2z1z2(二二)讨论讨论（一）系统压强差或表压强的测定（一）系统压强差或表压强的测定 图图1-7 U管压差计管压差计 1()aBppzR g2bBAppzgRg12()ABppRg图图l-8 倒倒U管压差计管压差计 12()BAppRg12BppRg图图1-9双液柱微差计双液柱微差计 测量基本原理测量基本原理 12()ACppRg/100014.3920850BACRR/10 14.3143BACRRmm单管压差计单管压差计 斜管压差计斜管压差计 复式压差计复式压差计 图玻璃管液位计图玻璃管液位计（二）液位测量（二）液位测量ABBhHR11()()BABhhgRgHhRg

6、化简可得化简可得/aBaAphgpRg/aAaBpRgphg /aappABhR136000.1=1.088m1250h(Lphg表）图图1-15常用液封类型常用液封类型（a)安全液封（b)阻断液封（c)溢流液封（三）液封高度的计算（三）液封高度的计算图图1-16气柜液封气柜液封 气柜的功用：配气、净化、恒压气柜的功用：配气、净化、恒压aZ pA+m gApZ mgAp（表）3150 109.08729421Pa50p（表）29421=3m10009.807h 例例1-11 附图附图(80 133.31.09m10009.807Lphg表）（四）静止流体对平面的作用力（四）静止流体对平面的作用

7、力 HhpLhpSkK1、作用于平面上的总压力 abc 解析法是根据理论力学和数学分析法来求解作用在平面上的总压力的。解析法是根据理论力学和数学分析法来求解作用在平面上的总压力的。如图如图1-17所示，所示，a图为一承载水压的矩形闸板（图为一承载水压的矩形闸板（b图为其左视图）。已知闸图为其左视图）。已知闸板高度为板高度为H、宽度为、宽度为L、面积为、面积为S、闸板上缘处的静压强为、闸板上缘处的静压强为p0，故闸板所受，故闸板所受的总压力为：的总压力为：00001()2HHPpLdhph g LdhpSHgS01()2PpHgSp SHhpLhpSkKabc00000()(sin)KKKPp

8、L dkph g Ldkpkg Ldk 20011()22pL KSing L KpL KKSing L K /012pSHgS/01()2PpHgSp S2、总压力的作用点 HhpLhpSkKabc 对对a图所示的情况，若设作用点的位置为图所示的情况，若设作用点的位置为hD，则由力矩的计算定义有，则由力矩的计算定义有 2000011()23HHMhpLdhLph g hdhpSHgSH011()23pgHSH01()2DDMP hpHg S h00232DpHghHpHgHhpLhpSkKabc00000()(sin)KKKMk p L dkLph g kdkLpkg kdk 23/0011

9、11()2323p LKSingLKpgHS K/011()23HpgHSSin/0011()()22DDDhMP kpHgS kpHgSSin00232DpHghHpHg12H01()2PpHg S0101.3 10001 10009.807111.107pkPa 0111000()(111.10729.807)2 1.5362.742221000PpHg SkN00221000111.10729.80733100021.027100022 111.10729.8071000DpHghHmpHg 009.087phgkPa/(9.8079.807)358.842PkN29.80729.807

10、321.16729.80729.807Dhm第三节第三节 流体动力学流体动力学图图1-17 静压能的表现静压能的表现（一）流体自身的能量类型（一）流体自身的能量类型（二）与环境交换的能量类型（二）与环境交换的能量类型图图1-18 柏努利方程式的推导柏努利方程式的推导1-换热器 2-泵 22112211221222efupupUgzWQUgzh（一）柏努利方程式的推导（一）柏努利方程式的推导221122121222efupupgzWgzh2211221222efupupgzWgzh2211221222efupupzHzHgggg（二）对柏努利方程式的讨论（二）对柏努利方程式的讨论22112212

11、22upupgzgz2=2upgz常数（即机械能守恒）（即机械能守恒）（1-28e）1212ppgzgz2121()ppzzg2211221222efupupgzWgzh2211221222efupupzHzHgggg（一）计算截面的选择原则（一）计算截面的选择原则（二）基准水平面的选择（二）基准水平面的选择（三）应用示例（三）应用示例222.06=1m/s36000.0274u2211221222efupupgzWgzh emeVeVeNqWqWqHg100%eNN100%eNN 20 1200245=1633W=1.633kW3600eVeNqW1.63=2.33kW70%eNN22211

12、22uupp21221udud 42212212()1dppud（b）12()ABppRg24212()11ABRgudd24120.05(136001000)9.8073.63m/s1000501100u2322360036003.63 0.7850.0525.65/Vqu Amh=创2221122uupp1212fppHhhg第四节第四节 管流过程管流过程（一）流体阻力的表现（一）流体阻力的表现（二）流体阻力的形成原因（二）流体阻力的形成原因（二）流体流动型态的判定（二）流体流动型态的判定Redu30.05 1 998.2Re=4966240001.005 10du（湍流）eHd4R4流道

13、截面积（水力半径）流道截面上被流体浸润的周边长度22()44()ioeioioDddDdDd30.035 1 998.2Re=3476340001.005 10ed u（湍流）212()2pprrl 12()2dupp rldr 012()2irrupprdrldu（一）圆管中的速度分布（一）圆管中的速度分布Lp2p1rri2212()()4ippurrl212max()4ippurl2201222()28irViiirudrqCrppurArlmax2uu 2212()()4ippurrl图图1-25 湍流时圆管中的速度分布湍流时圆管中的速度分布 max0.82uu图图1-27圆管入口段边界

14、层的发展圆管入口段边界层的发展 图图1-28 不同情况下的边界层分离现象不同情况下的边界层分离现象(二二)流动边界层概念流动边界层概念（a)单一管路（等径）单一管路（等径）（b）串联管路（变径）串联管路（变径）（a）分支管路分支管路 （b）并联管路并联管路 第五节第五节 化工管路基础化工管路基础简单管路简单管路复杂管路复杂管路（一）管材（一）管材 化工管材包括钢管（有缝钢管化工管材包括钢管（有缝钢管、无缝钢管）、铸铁管、有色金属管、无缝钢管）、铸铁管、有色金属管、非金属管（塑料管、陶瓷管、橡胶管、玻璃管等及表面搪上非金属材料非金属管（塑料管、陶瓷管、橡胶管、玻璃管等及表面搪上非金属材料的金属管

15、）等。的金属管）等。（二）管件与阀件（二）管件与阀件（一）管子的选用（一）管子的选用表表1-11-1某些流体在管道中的常用流速，某些流体在管道中的常用流速，m/s4vqdu345=0.0125m/s3600vq 40.0125=0.103m3.14 1.5d（二）管材的连接方式（二）管材的连接方式表表1-9管中心至墙面的最小距离与管径的关系管中心至墙面的最小距离与管径的关系三维波纹膨胀节三维波纹膨胀节/12fppHg12232 ulppd第六节第六节 管流系统的能量损失管流系统的能量损失（一）直管阻力损失计算通式（一）直管阻力损失计算通式1222/23264642Re2fulluluHdudg

16、dggd64Re2/2fluHdg2/2fluhd/12fppHg12232 ulppd2/122fluppgHd/123ffffHHHH/12 1()fppgH/122()(lSin)gfppH/123()()gfppHl12212 1123()()()pppppp64Re表表1-2 工业管道的绝对粗糙度工业管道的绝对粗糙度（二）摩擦因数（二）摩擦因数 1222()d ppl u摩擦因数的测定摩擦因数的测定2122luppd430.053 1 998.2Re5.26 104000()1.005 10du 湍流0.2/0.00453d22/210010.03=2.886mH O20.05329

17、.807fluHdg/12998.29.8072.886=28252PafppgH流动方向AA流动方向AA局部阻力损失计算方法局部阻力损失计算方法（一）当量长度法（一）当量长度法gudlHef22/22/udlhef表表1-3 1-3 常见局部障碍物的当量长度常见局部障碍物的当量长度 （二）阻力系数法（二）阻力系数法eldl 常数eldguHf22/m （1-48）22/uhf阻力系数阻力系数图图1-41 突然扩大与突然缩小时的突然扩大与突然缩小时的算图算图 22fuh 常常见见局局部部障障碍碍物物的的阻阻力力系系数数 22eflluHdg22eflluhd2()2fluHdg2()2fluh

18、d2211221222efupupzHzHgggg12fzzH=420+7+250+210+60=947eld150=18360.0805ld1836+947=2783elldd2420=2.184m/s36003.140.0805u222.1840.0252783=16.92m229.807eflluHdg第七节第七节 管路计算管路计算（一）单一管路计算问题的类型（一）单一管路计算问题的类型（二）管路计算中的试差法（二）管路计算中的试差法 对对2、3两类问题，在计算过程中都会遇到一个共性问题两类问题，在计算过程中都会遇到一个共性问题试差问试差问题。题。第第2类问题的计算目的是求流速，但在流速

19、未知的情况下类问题的计算目的是求流速，但在流速未知的情况下Re无法计算，无法计算，无法确定，系统阻力损失也就无法确定。此时，通过柏努利方程式与系无法确定，系统阻力损失也就无法确定。此时，通过柏努利方程式与系统阻力损失计算公式联用的结果可表达为统阻力损失计算公式联用的结果可表达为 常数2u 第第3类问题的计算目的是求输送系统的管径，但在管径未知的情况下类问题的计算目的是求输送系统的管径，但在管径未知的情况下Re无法计算，无法计算，无法确定，系统阻力损失也就无法确定。此时，通过柏努无法确定，系统阻力损失也就无法确定。此时，通过柏努利方程式与系统阻力损失计算公式联用的结果可表达为利方程式与系统阻力损

20、失计算公式联用的结果可表达为 常数5d 一个方程式不能解两个未知数，但由于一个方程式不能解两个未知数，但由于与与Re、/d之间在一定条件下之间在一定条件下存在如下定量关系。存在如下定量关系。若管流过程处于充分湍流区，若管流过程处于充分湍流区，仅随仅随/d变化。变化。若管流过程为粗糙管湍流时，摩擦因数若管流过程为粗糙管湍流时，摩擦因数与与Re之间则应符合莫狄图之间则应符合莫狄图中的中的-Re-e/d关系曲线。关系曲线。粗糙管湍流过程在生产中最为常见。对这类过程，需借助莫迪图粗糙管湍流过程在生产中最为常见。对这类过程，需借助莫迪图采用试差法计算。采用试差法计算。64Rel=0.250.3164Re

21、l=常数2u常数5d（a）并联管路 （b）分支管路 并联管路与分支管路示意图并联管路与分支管路示意图（一）并联管路（一）并联管路 并联管路中应存在下述规律：并联管路中应存在下述规律：,1,2,3VVVVqqqq=+123pppp ,1,2,3ffffHHHH=根据式（根据式（1-55）可知，流体在管路长、直径小、粗糙度大的支管中）可知，流体在管路长、直径小、粗糙度大的支管中的流量相对较小，反之则较大。此外，在计算并联管路的压头损失时，的流量相对较小，反之则较大。此外，在计算并联管路的压头损失时，只需考虑其中的一根支管即可。只需考虑其中的一根支管即可。（二）分支管路（二）分支管路 BCfBBBA

22、CfAAACCChpugzhpugzpugz,2,22222一、测速管一、测速管第八节第八节 流量测量流量测量AB21Ru1测速管装置示意图2A2iippu2A2iBppu2()ABippu02igRuAB21Ru1i缺点：输出的压差信号较小，一般需要放大后才能较为精确地显示其读缺点：输出的压差信号较小，一般需要放大后才能较为精确地显示其读数。数。R1122d1,u1 d0,u0 d2,u2 01224422112()2()1111RgppuddddR1122d1,u1 d0,u0 d2,u2 12412()1ooppCuddo41=C1oCdd012002()2()oRgppuCC01200

23、00002()2()vRgppquAA CA C/12()vqCppCR孔流系数孔流系数CoCo孔板的永久压降孔板的永久压降/220100%1(1)100%RRCmR/042()11ooiRgudd22/012()oumRg002()oRguC2202()oouRCg22000.030.320.053idAmAd325333.140.0530.737 101.05 100.00366m/s=13.18m/h4448793600Vdqd uRepp mr-创=创=创321223.66 10879()()28.8kPa0.64 0.785 0.032 1000pp12002()vppqA C212

24、0()()2voqppA CABR()002VVgRqC Arrr-=（1-60）流体出口锥形硬玻璃管刻度转子流体入口11220u12fffppgVA12fffVppgA/fVVfqq 1 1、掌握内容、掌握内容 常用流体物性的定义、特性、数据确定方法、换算关系；静力学常用流体物性的定义、特性、数据确定方法、换算关系；静力学基本方程式及其应用；柏努利方程式及其应用；流体阻力的形成原因、基本方程式及其应用；柏努利方程式及其应用；流体阻力的形成原因、流体的流动型态及其判断；单一管路系统的阻力损失计算方法；常用流体的流动型态及其判断；单一管路系统的阻力损失计算方法；常用流量、流速测量装置的类型、构造、测量原理、安装调试方法及选用流量、流速测量装置的类型、构造、测量原理、安装调试方法及选用方法。方法。2 2、理解内容、理解内容 各流动型态下圆管内流体的运动状态、速度分布、边界层的基本各流动型态下圆管内流体的运动状态、速度分布、边界层的基本概念；非圆管中的流动型态判断、当量直径、当量长度；化工管路的概念；非圆管中的流动型态判断、当量直径、当量长度；化工管路的分类及基本构成。分类及基本构成。3 3、了解内容、了解内容 边界层分类及分离概念；非圆管中的阻力损失计算方法；复杂管边界层分类及分离概念；非圆管中的阻力损失计算方法；复杂管路计算的原则。路计算的原则。