化工原理課件液體流動

1.流體流動化工原理1.1概述

1.2流體靜力學(xué)

1.3流體流動中的守恒原理

1.4流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.5阻力損失

1.6流體輸送管路的計算

1.7流速和流量的測定1.8非牛頓流體的流動（略）1.1概述1.1.1流體流動的考察方法1.1.2流體流動中的作用力1.1.3流體流動中的機械能

1.流體流動返回1.1.1流體流動的考察方法問題的引出：1、為什么要研究流體流動？流體流動規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)，涉及流體流動規(guī)律的主要有以下三個方面：(1)流動阻力及流量計算(2)流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響(3)流體的混合效果2、流體流動研究的內(nèi)容是什么？流體流動的宏觀規(guī)律與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3、采用什么方法研究流體流動的宏觀規(guī)律？力-運動-能量，即受力分析、運動描述、能量分布。1.流體流動1.1.1流體流動的考察方法一、連續(xù)性假定(Continumhypotheses)1、為什么流體要看成連續(xù)？原因：氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體是由大量的彼此間有一定間隙的單個分子所組成。不同的考察方法對流體流動情況的理解也就不同。在流動規(guī)律的研究中，感興趣的不是單個分子的微觀運動，而是流體宏觀的機械運動，因此可以流體在空間流動假定為連續(xù)分布的。在物理化學(xué)中（氣體分子運動論）是考察單個分子的微觀運動，分子的運動是隨機的、不規(guī)則的混亂運動，在某一方向上有時有分子通過，有時沒有。因此這種考察方法認為流體是不連續(xù)的介質(zhì)，所需處理的運動是一種隨機的運動，問題將是非常復(fù)雜的。1.流體流動1.1.1流體流動的考察方法2、怎樣看成連續(xù)的（假定內(nèi)容）？⑴考察對象：取流體質(zhì)點而不是單個分子作為最小的考察對象。流體質(zhì)點（微團）——是指一個含有大量分子的流體微團，其尺寸遠小于設(shè)備尺寸，但比起分子自由程卻要大得多，即足夠大、足夠小。⑵流體是由大量質(zhì)點組成的，彼此之間沒有空隙、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。

注意：這種假定在絕大多數(shù)情況下是適合的，但是在高真空稀薄氣體的情況下是不成立的。1.流體流動1.1.1流體流動的考察方法二、運動的描述方法——拉格朗日法和歐拉法1、拉格朗日法：選定一個流體質(zhì)點，對其跟蹤觀察，描述其運動參數(shù)（位移、速度等）與時間的關(guān)系。即，同一質(zhì)點在不同時期的運動狀態(tài)（跟蹤法。）2、歐拉法：在固定的空間位置上觀察流體質(zhì)點的運動情況，直接描述各有關(guān)參數(shù)在空間各點的分布情況隨時間的變化，例如對速度u，可作如下描述：1.流體流動可見：歐拉法是空間一定，不同質(zhì)點在同一時刻的運動狀態(tài)(關(guān)卡法)。1.1.1流體流動的考察方法3、它們的應(yīng)用場所拉格朗日法應(yīng)用于所研究的任一點均遵循一般規(guī)律的問題。一般情況下，需對流動作出描述時，都采用歐拉法。對定態(tài)流動更是如此。三、定態(tài)流動空間各質(zhì)點的運動不隨時間而變化，則稱為定態(tài)流動。1.流體流動1.1.1流體流動的考察方法四、兩種考察方法的比較

1、流線與軌線⑴軌線：某一質(zhì)點的運動軌跡(拉格朗日法的結(jié)果)。⑵流線：同一瞬間時不同質(zhì)點的速度方向(歐拉法的結(jié)果)。如右圖，流線上四個箭頭分別表示在同一時間四個不同空間位置上a、b、c、d四個流體質(zhì)點

1.流體流動⑶流線的兩個重要屬性①各流線是不會相交的②不是真正幾何意義上的點，而是具有質(zhì)點尺寸的點

1.1.1流體流動的考察方法2、系統(tǒng)與控制體⑴系統(tǒng)：是包含眾多流體質(zhì)點的集合（是采用拉格朗日法考察流體的），系統(tǒng)的邊界隨著流體一起流動，其形狀和大小都是隨著時間而變化。⑵控制體：是劃定一固定的空間體積，構(gòu)成控制體的空間界面稱為控制面，控制面總是封閉的固定界面。（采用歐拉法考察流體的）1.流體流動系統(tǒng)控制體控制面1.1.1流體流動的考察方法小結(jié)：考察方法選擇：固體質(zhì)點運動——拉格朗日法流體流動——歐拉法1.流體流動返回1.1.2流流體體流流動動中中的的作作用用力力一、、種種類類1、、體體積積力力體積積力力（（質(zhì)質(zhì)量量力力））與與流體體的的質(zhì)質(zhì)量量成正正比比，，對對于于均均質(zhì)質(zhì)的的流流體體也也與與流體體的的體體積積成正正比比。。如如流流體體在在重重力力場場中中運運動動時時受受到到的的重重力力就就是是一一種種體體積積力力，，F(xiàn)＝mg。重力力與與離離心心力力都都是是典典型型的的體體積積力力。。2、、表表面面力力——內(nèi)內(nèi)摩摩擦擦力力表面面力力與與流流體體的的表面面積積成正正比比。。若若取取流流體體中中任任一一微微小小的的平平面面，，作作用用于于其其上上的的表表面面力力可可分分為為壓壓力力P與與剪剪力力ττ。。1.流流體體流流動動1.1.2流流體體流流動動中中的的作作用用力力⑴垂垂直直于于表表面面的的力力P，稱為為壓力力。單單位面面積上上所受受的壓壓力稱稱為壓壓強p。1.流流體流流動⑵平行行于表表面的的力F，稱為為剪力力（切切力））。單單位面面積上上所受受的剪剪力稱稱為剪剪應(yīng)力力τ。。1MPa（（兆帕帕）＝＝106Pa（（帕斯斯卡））注意：：國內(nèi)內(nèi)許多多教材材習(xí)慣慣上把把壓強強稱為為壓力力。1.1.2流流體流流動中中的作作用力力二、粘粘性與與內(nèi)摩摩擦力力1、粘粘性的的宏觀觀表現(xiàn)現(xiàn)—內(nèi)內(nèi)摩擦擦力。。2、粘粘性的的物理理本質(zhì)質(zhì)—分分子間間引力力和分分子的的運動動和碰碰撞。。3、牛牛頓粘粘性定定律1.流流體流流動—流體體的粘粘度；—法向向速度度梯度度1.1.2流流體流流動中中的作作用力力三、流流體與與固體體的力力學(xué)特特性兩兩個不不同點點（一一般了了解））1、固固體表表面的的剪應(yīng)應(yīng)力ττ∝剪剪切變變形（（角變變形））而流流體內(nèi)內(nèi)部的的剪應(yīng)應(yīng)力ττ∝剪剪切變變形速速率（（角變變形速速率））（見見下圖圖）1.流流體流流動這是由由于流流體在在剪切切力的的作用用下其其變形形是無無止境境的，，只要要作用用力存存在，，變形形與運運動將將一直直維持持下去去，只只能在在剪應(yīng)應(yīng)力ττ與變變形的的快慢慢（即即變形形速率率）之之間建建立關(guān)關(guān)系，，牛頓頓粘性性定律律就是是這種種關(guān)系系，式式中的的速率率梯度度就是剪剪切變形速速率⑵單位位：SI制制：CGS制：：cP（厘厘泊））運動粘粘度SI制的的單位位為m2/s粘度μμ又稱稱為動動力粘粘度。。液體：：μ＝＝f（（t）），與與壓強強p無無關(guān)，，溫度度t↑，μμ↓↓，，水(20℃)，cP，，要記記住，，油的的粘度度可達達幾十十到幾幾百cP,1.1.2流流體流流動中中的作作用力力2、靜靜止流流體不不能承承受剪剪應(yīng)力力（哪哪怕是是非常常微小小的剪剪應(yīng)力力）和和抵抗抗剪切切變形形。固固體可可以承承受很很大的的剪應(yīng)應(yīng)力和和抵抗抗剪切切變形形。四、流流體的的剪應(yīng)應(yīng)力與與動量量傳遞遞1、粘粘度μμ⑴物性性參數(shù)數(shù)之一一1.流流體流流動輸送原原油加加熱目目的？？氣體：：p<40atm時時μ＝＝f（（p））與t無關(guān)關(guān)，溫溫度p↑，μ↑1.1.2流流體流流動中中的作作用力力2、牛牛頓型型流體體與非非牛頓頓型流流體服從牛牛頓粘粘性定定律的的流體體稱為為牛頓型型流體體（大多多數(shù)如如水、、空氣氣），，本章章主要要研究究牛頓頓型流流體的的流動動規(guī)律律。不服從從牛頓頓粘性性定律律的流流體稱稱為非牛頓頓型流流體，，非牛頓頓型流流體（（血液液、牙牙膏等等）的的τ與與速度度梯度度關(guān)關(guān)系見見本章章第8節(jié)。。3、粘粘性流流體與與理想想流體體μ＝0，流流體無無粘性性（理理想流流體，，如下下圖所所示，，實際際不存存在））1.流流體流流動返回1.1.3流流體流流動中中的機機械能能一、內(nèi)能能內(nèi)能是貯貯存于液體內(nèi)部部的能量量，是由于于原子與與分子的的運動及及其相互互作用存存在的能能量。因此液體體的內(nèi)能能與其狀狀態(tài)有關(guān)關(guān)。內(nèi)能能大小主主要決定定于液體的溫溫度，而液體的壓壓力影響響可以忽忽略。單位質(zhì)量量流體所所具有的的內(nèi)能U＝f（（t），，J/Kg二、位能能在重力場場中，液液體高于于某基準準面所具具有的能能量稱為為液體的的位能。。液體在在距離基基準面高高度1.流體體流動為z時的的位能相相當(dāng)于流體從基基準面提提升高度度為z時時重力對對液體所所作的功功。單位質(zhì)質(zhì)量流體體所具有有的位能能gz1.1.3流流體流動動中的機機械能三、動能能液體因運運動而具具有的能能量，稱稱為動能能。1.流體體流動單位質(zhì)量量流體所所具有的的動能四、壓強強能流體自低低壓向高高壓對抗抗壓力流流動時，，流體由由此獲得得的能量量稱為壓壓強能。。，v——流體體的比容容單位質(zhì)量量流體所所具有的的壓強能能1.1.3流流體流動動中的機機械能機械能（（位能、、動能、、壓強能能）在流流動過程程可以互互相轉(zhuǎn)換換，亦可可轉(zhuǎn)變?yōu)闉闊峄蛄髁黧w的內(nèi)內(nèi)能。但但熱和內(nèi)內(nèi)能在流流體流動動過程不不能直接接轉(zhuǎn)變?yōu)闉闄C械能能而用于于流體輸輸送。機械能損損失—內(nèi)內(nèi)摩擦力力作用。。1.流體體流動返回1.2流流體靜靜力學(xué)本節(jié)將回回答以下下問題：：1、靜力力學(xué)研究究什么？？2、采用用什么方方法研究究？3、主要要結(jié)論是是什么？？4、這些些結(jié)論有有何作用用？1.流體體流動1.2流流體靜靜力學(xué)1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布1.2.2壓壓強能與與位能1.2.3壓壓強的表表示方法法1.2.4壓壓強的靜靜力學(xué)測測量方法法1.流體體流動返回1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布一、補充充內(nèi)容：：密度的的概念和和影響因因素1、定義義1.流體體流動單位體積積流體所所具有的的質(zhì)量，，如果果表示流流體上某某點的密密度則為為：2、影響響因素⑴對于液液體1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布⑵對于氣氣體1.流體體流動二、流體體靜力學(xué)學(xué)基本方方程式1、靜壓壓強空間各點點。2、流體體微元的的受力平平衡如下圖所所示，作作用于立立方體流流體微元元上的力力有兩種種，即表表面力和和體積力力。A1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布1.流體體流動X1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布①表面面力1.流體體流動abcd表面的的壓力（（N）為：a/b/c/d/表面的壓壓力（N）為：：對于其他他表面，，也可以以寫出相相應(yīng)的表表達式。。②體積積力設(shè)單位質(zhì)質(zhì)量流體體上的體體積力在在x方向的分分量為X(N/Kg)，，則微元元所受的的體積力力在x方向的分分量為，，該該流體處處于靜止止狀態(tài)，，外力之之和必等等于零、、對x方向，有有1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布與x方向相同同的力取取“＋””號，相相反取““－”號號。1.流體體流動上式兩邊邊同除以以得：同理1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布歐拉平衡衡方程若將該微微元流體體移動dl距離離，此距距離對x，y，z軸的分量量為dx、dy、dz，將上列列方程組組分別乘乘以dx、dy、、dz并并相加得得：1.流體體流動1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布3、平衡衡方程在在重力場場中的應(yīng)應(yīng)用如流體所所受的體體積力僅僅為重力力，并取取z軸方方向與重重力方向向相反，，則：1.流體體流動將此式代代入流體體平衡的的一般表表達式有有：設(shè)流體不不可壓縮縮，即密密度ρ與壓力無無關(guān)，可可將上式式積分得得：1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布對于靜止止流體中中任意兩兩點1和和2，如如右圖所所示：1.流體體流動必須指出出，以上上三式稱稱為流體體靜力學(xué)學(xué)方程式式。物理意義義：壓強強能+位位能=常常數(shù)，總總勢能保保持不變變。1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布補充內(nèi)容容：流體體靜力學(xué)學(xué)方程式式適用范范圍和等等壓面1、適用用于重力場中中靜止、、連續(xù)的的同種不不可壓縮縮性流體體；2、在靜止的、連續(xù)的同種流體體內(nèi)，處于于同一水平平面上各點的的壓力處處處相等等。壓力力相等的的面稱為為等壓面；3、壓力力具有傳遞性：液面上上方壓力力變化時時，液體體內(nèi)部各各點的壓壓力也將將發(fā)生相相應(yīng)的變變化。即即壓力可可傳遞，，這就是是巴斯噶定定理；4、若記記，ψ稱為廣義義壓力，，代表單單位體積積靜止流流體的總總勢能（（即靜壓壓能p與位能gz之和），，靜止流體體中各處處的總勢勢能均相相等。因此，，位置越越高的流流體，其其位能越越大，而而靜壓能能則越小小。1.流體體流動1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布5、衡算算基準衡算基準準不同，，方程形形式不同同。1.流體體流動壓強或壓壓強差的的大小可可用某種種液體的的液柱高高度表示示，但但必須須注明是是何種液液體。。如mmHg，，mH2O。各項均除除以密度度和g，，可得進一步化化簡可得得：1.2.1靜靜壓強在在空間的的分布6、等壓壓面的判判斷等壓面的的條件：：同一高度度，水平平面、均均質(zhì)、連連續(xù)、不不可壓縮縮流體、、靜止、、重力場場。請判斷下下面哪些些是等壓壓面？1.流體體流動返回1.2.2壓壓強能與與位能1.流體體流動物理意義義：壓強強能+位位能=常常數(shù)，總總勢能保保持不變變。1.2.2壓壓強能與與位能即：連續(xù)續(xù)、靜止止、不可可壓縮的的同種流流體，總總勢能保保持不變變。1.流體體流動即：壓頭+位位頭=常數(shù)推論：1、靜壓強與與其深度呈線線性關(guān)系。2、等高面即即為等壓面。。返回1.2.3壓壓強的表示示方法一、壓強定定義和單位1、定義垂直作用于單單位面積上的的表面力稱為為流體的靜壓壓強,簡稱壓壓強。工程上上習(xí)慣上將壓壓強稱之為壓力。2、單位在SI中，壓壓強的單位是是帕斯卡，以Pa表示。但習(xí)慣慣上還采用其其它單位，它它們之間的換換算關(guān)系為：：1.流體流動動1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa1.2.3壓壓強的表示示方法二、壓強的表表示方法以流體柱高度度表示：米水水柱(mH2O)、毫米汞柱柱(mmHg)。三、壓強的基基準壓強有不同的的計量基準：：絕對壓強、表表壓強、真空空度。絕對壓強以絕對零壓作作起點計算的的壓強，是流流體的真實壓壓強。表壓強壓強表上的讀讀數(shù)，表示被被測流體的絕絕對壓強比大大氣壓強高出出的數(shù)值，即即:表壓強＝絕對對壓強－大氣氣壓強真空度真空表上的讀讀數(shù)，表示被被測流體的絕絕對壓強低于于大氣壓強的的數(shù)值，即:真空度＝大氣氣壓強－絕對對壓強=-表壓強1.流體流動動1.2.3壓壓強的表示示方法絕對壓強，表表壓強，真空空度之間的關(guān)關(guān)系見下圖：：1.流體流動動返回動畫1.2.4壓壓強的靜力力學(xué)測量方法法流體靜力學(xué)原原理的應(yīng)用很很廣泛，它是是連通器和液柱柱壓差計工作原理的基基礎(chǔ)，還用于于容器內(nèi)液柱的測量，液封裝置，不不互溶液體的的重力分離（（傾析器）等。解題的基基本要領(lǐng)是正正確確定等壓面。本節(jié)介紹它它在測量液體體的壓力和確確定液封高度度等方面的應(yīng)應(yīng)用。一、壓力的測測量測量壓強的儀儀表很多，現(xiàn)現(xiàn)僅介紹以流流體靜力學(xué)基基本方程式為為依據(jù)的測壓壓儀器---液柱壓差計。液柱壓差計可可測量流體中中某點的壓力，亦可測量兩點之間間的壓力差。常常見的的液柱壓差計計有以下幾種種。1.流體流動動1.2.4壓壓強的靜力力學(xué)測量方法法普通U型型管壓差計、、倒U型型管壓差計、、傾斜U型型管壓差計計、微差壓差差計。1.流體流動動常見液柱壓差差計p0p00p1p2>Rab1、普通U型管壓差差計U型管內(nèi)位位于同一水平平面上的a、b兩點點在相連通的的同一靜止流流體內(nèi)，兩點點處靜壓強相相等若被測流體為為氣體，其密密度較指示液液密度小得多多，上式可簡簡化為1.2.4壓壓強的靜力力學(xué)測量方法法1.流體流動動1.2.4壓壓強的靜力力學(xué)測量方法法2、單管壓力計1.流體流動動式中Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮簤骸喂軌毫τ嬛恢荒苡脕頊y量量高于大氣壓的的液體壓力，，不能測氣體體壓力?；虮韷?.2.4壓壓強的靜力力學(xué)測量方法法3、U形壓壓力計設(shè)U形管中中指示液液液面高度差差為R，指示液密密度為0，被測流體體密度為，則由靜力力學(xué)方程可可得：1.流體流流動方程可得：：將以上三式式合并得：：1.2.4壓強的的靜力學(xué)測測量方法若容器A內(nèi)內(nèi)為氣體，，則gh項很小可忽忽略，于是是：1.流體流流動顯然，U形形壓力計既既可用來測量氣體壓壓力，又可用來測量量液體壓力力，而且被測流體的的壓力比大大氣壓大或或小均可。1.2.4壓強的的靜力學(xué)測測量方法例1-1靜靜壓強計計算解：按靜力力學(xué)原理，，同一種靜靜止流體的的連通器內(nèi)內(nèi)、同一水水平面上的的壓強相等等，故有：：1.流體流流動對于水平面面1-2，，即有：對于水平面面3-4，，即有：ρρi1.2.4壓強的的靜力學(xué)測測量方法1.流體流流動對于水平面面5-6，，即有：對于鍋爐的的表壓，即即有：1.2.4壓強的的靜力學(xué)測測量方法二、液封高高度液封在化工工生產(chǎn)中被被廣泛應(yīng)用用：通過液液封裝置的的液柱高度度，控制制器內(nèi)壓力不變變或者防止止氣體泄漏漏。為了控制器器內(nèi)氣體壓壓力不超過過給定的數(shù)數(shù)值，常常常使用安全全液封裝置置（或稱水水封裝置））如下圖，，其目的是是確保設(shè)備備的安全，，若氣體壓壓力超過給給定值，氣氣體則從液液封裝置排排出。1.流體流流動安全液封動畫1.2.4壓強的的靜力學(xué)測測量方法液封還可達達到防止氣體泄泄漏的目的的，而且它的的密封效果果極佳，甚甚至比閥門門還要嚴密密。例如煤煤氣柜通常常用水來封封住，以防防止煤氣泄泄漏。液封高度可可根據(jù)靜力力學(xué)基本方方程式進行行計算。設(shè)設(shè)器內(nèi)壓力力為p（表壓），，水的密度度為ρ，則所需的的液封高度度h0應(yīng)為1.流體流流動為了保證安安全，在實實際安裝時時使管子插插入液面下下的深度應(yīng)應(yīng)比計算值值略小些，，使超壓力力及時排放放；對于防防止氣體泄泄漏，應(yīng)比比計算值略略大些，嚴嚴格保證氣氣體不泄漏漏。1.2.4壓強的的靜力學(xué)測測量方法三、液位的的測定圖1.流體流流動返回作業(yè)：P561-1，1-5，1-81.3流流體流動中中的守恒定定理本節(jié)將解決決以下問題題：1、研究的的內(nèi)容是什什么？2、采用什什么研究方方法？3、得到什什么結(jié)論？？4、工程上上有什么用用途？1.流體流流動返回方程式子——牢記靈活應(yīng)用高高位槽安安裝高度?物理意義—明確解決問題輸輸送設(shè)備的的功率?適用條件——注意1.3流流體流動中中的守恒定定理1.流體流流動本節(jié)內(nèi)容提提要主要是研究究和學(xué)習(xí)流流體流動的的宏觀規(guī)律及及不同形式式的能量的的如何轉(zhuǎn)化化等問題，其中包括括：（1）質(zhì)量量守恒定律律——連續(xù)續(xù)性方程式式（2）能量量守恒定律律——柏努努利方程式式推導(dǎo)思路、、適用條件件、物理意意義、工程程應(yīng)用。本節(jié)學(xué)習(xí)要要求學(xué)會運用兩兩個方程解解決流體流流動的有關(guān)關(guān)計算問題題1.3流流體流動中中的守恒定定理本節(jié)重點以連續(xù)方程及及柏努利方方程為重點，掌掌握這兩個個方程式推推導(dǎo)思路、、適用條件件、用柏努利方程程解題的要要點及注意意事項。通過實例例加深對這這兩個方程程式的理解解。本節(jié)難點無難點，但但在應(yīng)用柏柏努利方程程式計算流流體流動問問題時要特特別注意流動的連續(xù)續(xù)性、上、、下游截面面及基準水水平面選取取正確性。正確確定衡衡算范圍（（上、下游游截面的選選取）是解解題的關(guān)鍵鍵。1.流體流流動1.3流流體流動中中的守恒定定理1.3.1質(zhì)量守守恒1.3.2機械能能守恒1.3.3動量守守恒1.流體流流動返回表示。1.3.1質(zhì)量守守恒一、基本概概念1、流量流量是指單單位時間內(nèi)內(nèi)流過管道道某一截面面的物質(zhì)量量稱為流量。一般有體積流量和和質(zhì)量流量量兩種表示方方法。1.流體流流動⑴體積流量量(或)，解題指指南用由于氣體的的體積與其其狀態(tài)有關(guān)關(guān)，因此對對氣體的體體積流量，，須說明它它的溫度t和壓強p。⑵質(zhì)量流量（Kg/s或Kg/h）與的關(guān)系為：：⑶注意：流量是一一種瞬時的特性性，不是某時時間內(nèi)累計計流過的量量。由流量量計測出。。1.3.1質(zhì)量守守恒2、平均流流速（簡稱稱流速）u單位位時時間間內(nèi)內(nèi)流流體體在在流流動動方方向向上上所所流流過過的的距距離離稱稱為為流速速u（m/s））。。流體體在在管管截截面面上上的的速速度度分分布布規(guī)規(guī)律律較較為為復(fù)復(fù)雜雜，，如如在在工工程程上上為為計計算算方方便便起起見見，，流流體體的的流流速速通通常常指指整個個管管截截面面上上的的平平均均流流速速，其其表表達達式式為為：：1.流流體體流流動動常用用A———垂垂直直于于流流動動方方向向的的管管截截面面積積，，m2。問題題：粘粘性性流流體體，，圓圓管管內(nèi)內(nèi)同同一一截截面面上上各各點點流流速速不不同同，，怎怎么么樣樣求求平平均均流流速速？？1.3.1質(zhì)質(zhì)量量守守恒恒平均均流流速速：：1.流流體體流流動動1.3.1質(zhì)質(zhì)量量守守恒恒1.流流體體流流動動注意意：：由由于于氣氣體體的的體體積積流流量量qV隨溫度、、壓強而而變，所所以氣體體流速亦亦隨t、p而變，因因此，對對于氣體體在管內(nèi)內(nèi)流動的的有關(guān)計計算，采采用不隨狀態(tài)態(tài)變化的的質(zhì)量流流速較為方便便，如計計算氣體體雷諾準準數(shù)，哪個方方便？1.3.1質(zhì)質(zhì)量守恒恒二、質(zhì)量量守恒方方程(也也稱連續(xù)續(xù)性方程程式)依據(jù)：穩(wěn)穩(wěn)定流動動（定態(tài)態(tài)流動））過程中中的質(zhì)量量守恒流入-流流出=積積累1.流體體流動如圖1-11，，取截面面1-1至2-2之間間的管段段作為控控制體（（歐拉法法，截面面固定））定態(tài)流動動時1.3.1質(zhì)質(zhì)量守恒恒1.流體體流動對不可壓壓縮流體體：對圓形截截面管道道：對均勻直直管：1.3.1質(zhì)質(zhì)量守恒恒討論：1、適用用條件：：流體流流動的連連續(xù)性方方程式僅僅適用于于穩(wěn)定流動動時的連續(xù)性流體。2、對圓圓形截面面管道，，體積流流量一定定時，流流速與管管徑的平平方成正正比，此此規(guī)律與與管路的安安排以及及管路上上是否裝裝有管件件、閥門門或輸送送設(shè)備等等都無關(guān)。。3、連續(xù)續(xù)性方程程式(Equationofcontinuity)應(yīng)用用：⑴變徑管管流速或或內(nèi)徑的的確定（（水平放放置或斜斜置）——常用⑵u形形管壓差差計中的的應(yīng)用——壓力的的測定1.流體體流動返回1.3.2機機械能守守恒柏努利方方程式是是流體流流動中機機械能守守恒和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化原理理的體現(xiàn)現(xiàn)。柏努利方方程式的的推導(dǎo)方方法一般般有兩種種(1)理論論解析法法比比較嚴格格，較繁繁瑣(2)能量衡算算法比較直觀觀，較簡簡單本節(jié)采用用后者。。推導(dǎo)思路路：從解解決流體體輸送問問題的實實際需要要出發(fā)，，采取逐逐漸簡化化的方法法，即先先進行流體體系統(tǒng)的的總能量量衡算（（包括熱熱能和內(nèi)內(nèi)能）流動系統(tǒng)統(tǒng)的機械械能衡算算（消去去熱能和和內(nèi)能））不可壓縮縮流體穩(wěn)穩(wěn)態(tài)流動動的機械械能衡算算—柏努努利方程程式。方法論：：先簡化修正1.流體體流動1.3.2機機械能守守恒一、沿軌軌線的機機械能守守恒(拉拉格朗日日考察法法，是某某一流體體質(zhì)點的的軌跡)根據(jù)牛頓頓第二定定律進行行推導(dǎo)：：體積力+表面力力=質(zhì)量量×加速速度回顧在靜靜止流體體中，立立方體微微元所受受各力平平衡（靜靜止）1.流體體流動在運動流流體中，，立方體體微元表表面不受受剪應(yīng)力力（∵設(shè)設(shè)μ＝0），，微元受受力與靜靜止流體體相同（（體積力力＋表面面力）但但受力不不平衡造造成加速速度（力力＝質(zhì)量量×加速速度，力/質(zhì)量量＝加速速度），即1.3.2機機械能守守恒設(shè)流體微微元在dt時間間力位移移dl，，它在x軸上的的分量位位dx，，將dx乘上式式各項得得：1.流體體流動同理在y，z方方向上有有：1.3.2機機械能守守恒以上三式式相加得得：1.流體體流動若流體僅僅在重力力場中流流動，取取z軸垂垂直向上上，則：：上式成為為對不可壓壓縮流體體，ρ＝常數(shù)，，積分上上式得此式稱為為沿軌線的的柏努利利(Bernoulli)方程程1.3.2機機械能守守恒討論：1、沿軌軌線的柏柏努利方方程適用用的場合合是重力場中中不可壓壓縮的理理想流體體定態(tài)流流動。2、流體體微元在在流動過過程中與與其它微微元之間間未發(fā)生機機械能交交換量1.流體體流動3、柏努努利方程程也可以以寫成：：1.3.2機機械能守守恒4、沿流流線（歐歐拉考擦擦法，固固定截面面上考擦擦）的機機械能守守恒定態(tài)態(tài)流動，，流線與與軌跡線線重合，，上式仍仍適用，，即：1.流體體流動5、理想想流體管管流的機機械能守守恒⑴理想流流體管截截面流速速分布均均勻，各各點的動動能相等等。為什什么？⑵若考察察截面處處于均勻流段段(流線平平行且垂垂直截面面)，各各點總勢勢能保持持不變。。所以：理理想流體體的柏努努利方程程式為：：1.3.2機機械能守守恒1.流體體流動所以：不可壓縮縮、理想想流體、、定態(tài)流流動時的的機械能能守恒(柏努利利方程式式)為：1.3.2機機械能守守恒1.流體體流動1.3.2機機械能守守恒6、實際際流體管管流的機機械能守守恒1.流體體流動實際流體體(）修正之一一：μ>0，，有速度度分布，，動能以以代代替替。引入動能能校正系系數(shù)α以后計算算均取，誤差不不大。1.3.2機機械能守守恒修正之二二：μ>0，，有內(nèi)摩摩擦力，，必導(dǎo)致致機械能能損耗——阻力損損失（）），還還有外界界對單位位質(zhì)量流流體加入入的機械械能1.流體體流動以后可以以把上的－去去掉，u表示平均均速度習(xí)慣上也也把上式式稱為實際流體體的柏努努利方程程或擴展展了的柏柏努利方方程。1.3.2機機械能守守恒7、在衡衡算范圍圍內(nèi)是不不可壓縮縮、連續(xù)續(xù)穩(wěn)態(tài)流流體，同同時要注注意是實實際流體體還是理理想流體體，有無無外功加加入的情情況又不不同。8、不同同衡算基基準下的的柏努利利方程1.流體體流動J/kgm——位頭頭，單位重量量流體所所具有的的位能?！獕侯^頭，單位位重量流流體所具具有的壓強能。1.3.2機機械能守守恒二、柏努努利方程程的應(yīng)用用1、求流流量及流流速（書書p22，重力力射流和和壓力射射流）2、求截截面或設(shè)設(shè)備的垂垂直距離離z3、求設(shè)設(shè)備的有有效功率率He和功率4、求管管路中某某一位置置流體的的壓強(一)、、解題要要點在方程的的應(yīng)用中中，是否否按照以以下要點點進行直直接關(guān)系系到解題題的正確確性。1.流體體流動——速度度頭，單單位重量量流體所所具有的的動能。。1.3.2機機械能守守恒1、在流程圖圖或流程示意意圖上選擇衡算范圍，應(yīng)應(yīng)包含待求參參數(shù)，弄清流流動方向。2、順流動方向選選取上、下游游截面，截面應(yīng)垂直于流動方方向，截面間流體體必須連續(xù)，待求量應(yīng)在截面之間間。3、進行能量量衡算必須選選擇，水平基基準面一般選選擇地面、樓面或或設(shè)備基礎(chǔ)、、管子和設(shè)備備中心，截面至基準面面的垂直距離離必須是可知知。4、各參數(shù)的計量量單位必須一一致，否則應(yīng)事先先將單位化成一致致，以免代入方方程再來換算算而造成計算算時錯誤，壓壓強的表示必必須一致、統(tǒng)一用絕壓或或表壓。1.流體流動動1.3.2機機械能守恒恒(二)解題步步驟1、衡算范圍圍的確定：畫畫出示意圖，，選擇截面。。2、截面的選選取1.流體流動動3、基準面選選取4、列方程式式5、列出已知知數(shù)例如：Z1=Z1，Z2=Z2，u1=u2,p2=0（表壓），，p1=6、把已知數(shù)數(shù)代入方程，，解方程。1.3.2機機械能守恒恒例：如圖所示示，用泵將水水從貯槽送至至敞口高位槽槽，兩槽液面面均恒定不變變，輸送管路路尺寸為83×3.5mm，泵的的進出口管道道上分別安裝裝有真空表和和壓力表，壓壓力表安裝位位置離貯槽的的水面高度H2為5m。當(dāng)輸輸水量為36m3/h時，進水水管道全部阻阻力損失為1.96J/kg，出水水管道全部阻阻力損失為4.9J/kg，壓力表表讀數(shù)為2.452×105Pa，泵的效效率為70%，水的密度度為1000kg/m3，試求：（1）兩槽液液面的高度差差H為多少？？（2）泵所需需的實際功率率為多少kW？1.流體流動動1.3.2機機械能守恒恒解：1、兩槽槽液面的高度度差H在壓力表所在在截面1-1′與高位槽槽液面2-2′間列柏努努利方程，以以貯槽液面為為基準水平面面，得：1.流體流動動1/12/2已知量：Z1=H2=5m，u1=qV/A=2.205m/s，p1=2.452×105Pa，u2=0,p2=0,1.3.2機機械能守恒恒把已知量代入入上式可得：：1.流體流動動2、泵所需的實際際功率在貯槽液面0-0′與高高位槽液面2-2′間列列柏努利方程程，以貯槽液液面為基準水水平面，如圖圖所示，有：：2/0/02其中Z0=H0=0，Z2=H=34.74m，，u0=u2=0,p0=p2=01.3.2機機械能守恒恒代入方程求得得：he=298.64J/kg1.流體流動動又η=70%，1.3.2機機械能守恒恒小結(jié)：1、不可壓縮縮、理想流體體、定態(tài)流動動時的機械能能守恒(柏努努利方程式)為1.流體流動動1.3.2機機械能守恒恒2、實際流體體的機械能衡衡算式1.流體流動動J/kgm3、解題步驟驟和要點及注注意事項4、工程應(yīng)用用習(xí)題9、10、13，選選作14返回1.3.3動動量守恒有興趣的同學(xué)學(xué)自學(xué)，一般般了解。僅在在阻力損失無無法計算或本本身要求流體體對壁面的作作用力時才用用動量守恒定定律解題。1.流體流動動1.4流體流流動的內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)本節(jié)內(nèi)容提要要簡要分析在微觀尺度上流體流動的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，，為流動阻力力的計算奠定定理論基礎(chǔ)。。以滯流和湍湍流兩種基本本流型的本質(zhì)質(zhì)區(qū)別為主線線展開討論，，本節(jié)重點(1)牛頓粘粘性定律的表表達式、適用用條件；粘度度的物理意義義及不同單位位之間的換算算。(2)兩種種流型的判據(jù)據(jù)及本質(zhì)區(qū)別別；Re的意義及特點點。(3)流動動邊界層概念念本節(jié)的目的是了解流體流流動的內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)，以便為為阻力損失計計算打下基礎(chǔ)礎(chǔ)。1.流體流動動1.4流體體流動的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)問題的引出：：1、1.流體流動動機械能衡算式式?jīng)]有解決hf的質(zhì)(物理本本質(zhì))、量(大小)2、100多多年前，人們們在研究流體體流動中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：(1)管流：：u小，速度分布布不均勻；u大，速度分布布均勻。(2)流體流流動的阻力：：u小，hf與u成正比；u大，hf與u的1.75~2次方成正正比。1883年，，著名的雷諾諾(Reynolds)實驗提示了了流動的兩種種型態(tài)。1.4流體體流動的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)1.4.1流流動的型態(tài)態(tài)1.4.2湍湍流的基特特征1.4.3邊邊界層及邊邊界層脫體1.4.4圓圓管內(nèi)部流流體運動的數(shù)數(shù)學(xué)描述1.流體流動動返回1.4.1流動的型態(tài)一、兩種流型型—層流和湍湍流(LaminarandTurbulentFlow)是1883年年著名的雷諾諾實驗(Reynolds)揭示出出來的，下列列看一看動畫畫1-011、層流（又又稱滯流）流體質(zhì)點作直線運動，即流體分層流動，層次分明，，彼此互不混雜，質(zhì)點無徑向混混合。如下圖所示示1.流體流動動1.4.1流動的型態(tài)2、湍流流體在總體上上沿著向前運運動，同時還還在各個方向作隨隨機的脈動。如下圖1.流體流動動1.4.1流動的型態(tài)湍流的特點如如下：構(gòu)成質(zhì)點在主主運動之外還還有附加的脈脈動。質(zhì)點的的脈動是湍流運動的的最基本特點點。如下圖所所示的為截面面上某一點i的流體質(zhì)點的的速度脈動曲曲線。同樣，，點i的流體質(zhì)點的的壓強也是脈脈動的，可見見湍流實際上是是一種不穩(wěn)定定的流動。1.流體流動動1.4.1流動的型態(tài)二、流型的判判據(jù)——雷諾諾數(shù)Re(Reynoldsnumber)1、影響流動動狀況因素流速u，管徑d，流體的粘度度μ，流體的密度度ρ。2、定義雷諾諾數(shù)Re1.流體流流動所以，其物理意義是：慣性力力與粘性力力的比值。。1.4.1流動的型態(tài)態(tài)雷諾準數(shù)的的因次1.流體流流動Re準數(shù)是一個個無因次數(shù)群群。組成此數(shù)數(shù)群的各物物理量,必必須用一致致的單位表表示。因此此，無論采采用何種單單位制，只只要數(shù)群中中各物理量量的單位一一致，所算算出的Re值必相等。。1.4.1流動的型態(tài)態(tài)3、判據(jù)雷諾數(shù)的大大小足以反反映這四個個參數(shù)對運運動狀況的的影響，故故雷諾數(shù)是流流動狀況的的唯一判據(jù)據(jù)，根據(jù)其數(shù)數(shù)值的大小小可確定流流體流動類類型。實驗證明，，對直管內(nèi)內(nèi)的流動而而言：Re≤2000，必定出出現(xiàn)層流，，穩(wěn)定的層層流區(qū)2000<Re<4000，有時時出現(xiàn)層流流，有時出出現(xiàn)湍流，，依賴于環(huán)環(huán)境，此為為過渡區(qū)Re≥4000，一般般都出現(xiàn)湍湍流，此為為湍流區(qū)注意：1、上述以以Re為判據(jù)將流流動劃分為為三區(qū)，但但是只有兩兩種流型，，即層流和湍流流。2、在一般般工程計算算中，Re>2000可作為湍湍流處理。1.流體流流動返回1.4.2湍流的基本本特征一、時均速速度和脈動動速度如右圖，湍湍流流體某某質(zhì)點i的的速度脈動動曲線，該該質(zhì)點的速速度在一平平均值（稱稱為時均值）上下波動動。湍流時流體體質(zhì)點總體體上沿軸向向運動，但但在徑向上上還有脈動，流體質(zhì)點彼彼此間碰撞撞劇烈，阻阻力損失比比因摩擦力力而引起阻阻力損失大大的多。1.流體流流動是指分子粘粘度，反映映了分子引引力和分子子運動造成成1.4.2湍流的基本本特征二、湍流粘粘度1.流體流流動層流時式中的動量傳遞遞湍流時，動動量傳遞不不僅起因于于分子運動動，且來源源于流體質(zhì)點的的橫向脈動動，故不服從從牛頓粘性性定律，如如仍希望用用其形式，，則：——湍流粘度，無法試驗測測定或理論論計算1.4.2湍流的基本本特征三、湍流時時層流內(nèi)層層和過渡層層，如下圖圖1.流體流流動1、管中心心：2、過渡區(qū)區(qū)：3、管壁：：所以，層流內(nèi)層是傳遞過程程中的主要要阻力之所所在。返回1.4.3邊界層及邊邊界層脫體體如果在流速速均勻的流流體中放置置一個固體體（平板、、球體或圓圓柱體），，流體將發(fā)發(fā)生怎樣的的運動？1904年年，法國布布朗特：邊界層理論論。一、邊界層層(BoundaryLayer)1、定義具有明顯速速度梯度的的流體層，，其邊緣流體流流速為主體平均均流速的99%以內(nèi)內(nèi)的區(qū)域，，叫做邊界界層。2、邊界層層的形成⑴流體在平平板上流動動時的邊界界層1.流體流流動注意：層流流邊界層和和層流內(nèi)層層的區(qū)別層流邊界層層湍流邊界層層層流內(nèi)層邊界層界限限u0u0u0xy層流邊界層層：邊界層層內(nèi)的流動動類型為層流湍流邊界層層：邊界層層內(nèi)的流動動類型為湍流層流內(nèi)層：：邊界層內(nèi)近壁面處處一薄層，無論邊界界層內(nèi)的流流型為層流流或湍流，，其流動類類型均為層流1.4.3邊界層及邊邊界層脫體體1.流體流流動內(nèi)摩擦：一一流體層由由于粘性的的作用使與與其相鄰的的流體層減減速邊界層：受受內(nèi)摩擦影影響而產(chǎn)生生速度梯度度的區(qū)域()u=0.99u0邊界層發(fā)展展：邊界層層厚度隨流動距離離增加而增增加流動充分發(fā)發(fā)展：邊界界層不再改改變，管內(nèi)內(nèi)流動狀態(tài)態(tài)也維持不不變充分發(fā)展的的管內(nèi)流型型屬層流還還是湍流取取決于匯合點處邊邊界層內(nèi)的的流動屬層層流還是湍湍流進口段1.4.3邊界層及邊邊界層脫體體1.流體流流動⑵管流時的的邊界層1.4.3邊界層及邊邊界層脫體體注意：①邊界層形形成的原因因是實際流流體具有粘性。②流體流動動阻力主要要集中在邊界層內(nèi)，尤其在層流內(nèi)層中，而且邊邊界層還集集中了傳熱熱和傳質(zhì)的的阻力。③測定流體體速度分布布曲線時，，其測定地地點必須選選在圓管中中流體速度度分布保持持不變的平平直部分，，即要壁開進口段段（此處到到入口或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎處的距距離要大于于L0）1.流體流流動AB：流道道縮小，順順壓強梯度度，加速減減壓BC：流道道增加，逆逆壓強梯度度，減速增增壓CC/以上：分離離的邊界層層CC/以下：在逆逆壓強梯度度的推動下下形成倒流流，產(chǎn)生大大量旋旋渦1.4.3邊界層及邊邊界層脫體體1.流體流流動三、邊界層層的分離現(xiàn)現(xiàn)象流體對圓柱柱體的繞流流，如下圖圖所示。1.4.3邊界層及邊邊界層脫體體總之，流道道擴大時必必造成逆壓壓強梯度，，逆壓強梯度度容易造成成邊界層的的分離，邊界層分分離造成大大量漩渦，，大大增加加機械能消消耗。即：流體通通道擴大逆壓強梯梯度邊界界層分離大量漩渦渦機械能能損失增大大討論：①邊界層分分離是由于于幾何形狀發(fā)發(fā)生變化而產(chǎn)生的。。②因固體表表面形狀造造成邊界層層分離而消消耗的能量量稱為形體阻力。。③在發(fā)生邊邊界層分離離的流體流流動阻力有有兩部分——摩擦阻力和和形體阻力力。1.流體流流動返回1.4.4圓管內(nèi)流體體運動的數(shù)數(shù)學(xué)描述一、流體的的力平衡如右右圖圖所所示示1.流流體體流流動動左端端面面的的力力：：右端端面面的的力力：：外表表面面的的剪剪切切力力：：圓柱柱體體的的重重力力：：因流流體體在在均均勻勻直直管管內(nèi)內(nèi)作作等等速速運運動動，，各各外外力力之之和和必必為為零零，，即即：：1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述二、、剪剪應(yīng)應(yīng)力力分分布布1.流流體體流流動動將、、、代入上式，并整理

此式式表表示示圓圓管管中中沿沿管管截截面面上上的的剪剪應(yīng)應(yīng)力力分分布布。。由由以以上上推推導(dǎo)導(dǎo)可可知知，，剪應(yīng)應(yīng)力力分分布布與與流流動動截截面面的的幾幾何何形形狀狀有有關(guān)關(guān)，，與與流流體體種種類類、、層層流流或或湍湍流流無無關(guān)關(guān)，，即即對對層層流流和和湍湍流流皆皆適適用用。。為正正，，加加負負號號。。1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述由上上式式可可知知：：1.流流體體流流動動三、、層層流流時時的的速速度度分分布布層流流時時剪剪應(yīng)應(yīng)力力服服從從牛牛頓頓粘粘性性定定律律：為負負，，為為保保證證1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述1.流流體體流流動動管中中心心r＝＝0，1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述1.流流體體流流動動層流流時時圓圓管管截截面面上上的的速速度度是是拋拋物物線線分分布布，，如如下下圖圖所所示示：：1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述即圓圓管管內(nèi)內(nèi)作作層層流流流流動動時時的的平平均均速速度度為為管管中中心心最最大大速速度度的的一一半半。。因此此，，當(dāng)當(dāng)流流體體在在圓圓管管內(nèi)內(nèi)作作層層流流流流動動時時，，以以平平均均速速度度計計算算平平均均動動能能，，動能能校校正正系系統(tǒng)統(tǒng)值值為為2。1.流流體體流流動動四、、層層流流時時的的平平均均速速度度和和動動能能校校正正系系數(shù)數(shù)1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述五、、圓圓管管內(nèi)內(nèi)湍湍流流時時的的速速度度分分布布1.流流體體流流動動湍流流不是是物物性性，，其其值值與與Re及及流流體體質(zhì)質(zhì)點點位位置置有有關(guān)關(guān)，，故故湍湍流流時時速速度度分分布布不不能能像像層層流流一一樣樣通通過過流流體體柱柱受受力力分分析析從從理理論論上上導(dǎo)導(dǎo)出出，，只只能能將將試試驗驗結(jié)結(jié)果果用用經(jīng)經(jīng)驗驗式式表表示示：：n與與Re有有關(guān)關(guān)，，在在不不同同Re范范圍圍內(nèi)內(nèi)取取不不同同的的值值：：1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述1.流流體體流流動動討論論：：1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述1.流流體體流流動動2、、對對于于近管管中中心心部部分分剪剪應(yīng)應(yīng)力力不不大大而而湍湍流流粘粘度度數(shù)數(shù)值值很很大大，，由由上上式式可可知知湍湍流流核核心心處處的的速速度度梯梯度度必必定定很很小小。。而而在在壁壁面面附附近近很很薄薄的的層層流流內(nèi)內(nèi)層層中中，，剪剪應(yīng)應(yīng)力力相相當(dāng)當(dāng)大大且且以以分分子子粘粘度度的的作作用用為為主主；；但但的的數(shù)數(shù)值值又又遠遠較較湍湍流流核核心心處處的的為為小小，，故故此此薄薄層層中中的的速速度度梯梯度度必必定定很很大大。。圖圖1-30表表示示湍湍流流時時的的速速度度分分布布。。Re數(shù)數(shù)愈愈大大，，近近壁壁區(qū)區(qū)以以外外的的速速度度分分布布愈愈均均勻勻。。1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述1.流流體體流流動動問題題：：層層流流與與湍湍流流的的不不同同點點？？流型滯（層）流湍（紊）流判據(jù)

質(zhì)點運動情況管內(nèi)速度分布

現(xiàn)象方程

兩種種流流型型的的比比較較1.4.4圓管管內(nèi)內(nèi)流流體體運運動動的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)描描述述1.流流體體流流動動Re≤2000Re≥4000沿軸軸向向作作直直線線運運動動，，不不存存在在橫橫向向混混合合和和質(zhì)質(zhì)點點碰碰撞撞不規(guī)規(guī)則則雜雜亂亂運運動動，，質(zhì)質(zhì)點點碰碰撞撞和和劇劇烈烈混混合合。。脈脈動動是是湍湍流流的的基基本本特特點點拋物物線線方方程程u＝＝1/2umax壁面面處處uw=0,管管中中心心u=umax碰撞撞和和混混合合使使速速度度平平均均化化u＝＝0.8umax壁面面處處uw=0,管管中中心心u=umax可解析不可解析1.4.4圓管內(nèi)流體運運動的數(shù)學(xué)描描述1.流體流動動本節(jié)小結(jié)：1、流體流動動的兩種形態(tài)態(tài)：層流、湍湍流2、流型判據(jù)據(jù)Re：Re≤2000必必為層流，Re>4000，一一般為湍流。。3、湍流的基基本特征是出出現(xiàn)速度脈動動。4、湍流流動動分為湍流核核心、過渡層層和層流內(nèi)層層。5、邊界層脫脫體及影響：：流體通道擴擴大逆壓強梯度度邊界層分分離大量漩漩渦機械能能損失增大6、層流速度度分布呈拋物物線，7、湍流截面面速度分布較較層均勻，返回1.5阻力損失本節(jié)內(nèi)容提要要解決流體在管管截面上的速速度分布及柏柏努利方程式式中流動阻力力Σhf的計算問題。。本節(jié)重點(1)流體在在管路中的流流動阻力的計計算問題。管管路阻力又包包括包括直管管阻力hf和局部阻力hf/(2)流體在在直管中的流流動阻力因流流型不同而采采用不同的工工程處理方法法。對于層流流，通過過程程本征方程（（牛頓粘性定定律）可用解解析方法求解解管截面上的的速度分布及及流動阻力；；而對于湍流流，需借助因因次分析方法法來規(guī)劃試驗驗，采用實驗驗研究方法。。(3)建立““當(dāng)量”的概概念（包括當(dāng)當(dāng)量直徑和當(dāng)當(dāng)量長度）。。“當(dāng)量”要要具有和原物物量在某方面面的等效性，，并依賴于經(jīng)經(jīng)驗。1.流體流動動1.5阻力損失1.流體流動動流體阻力問題題的研究方法法數(shù)學(xué)分析法、、數(shù)學(xué)模型法法、實驗研究究法例：圓管內(nèi)層層流流動的數(shù)數(shù)學(xué)描述———數(shù)學(xué)分析法法兩類方程：衡算方程——力平衡方程程過程特征方程程—流體本構(gòu)構(gòu)方程(牛頓頓粘性定律)方法論：取微分控制制體列力平衡方程程、特征方程程確定邊界條件件、全管內(nèi)積積分1.5阻力損失1.5.1兩兩種阻力損損失1.5.2湍湍流時直管管阻力損失的的實驗研究方方法1.5.3直直管阻力損損失的計算式式1.5.4局局部阻力損損失1.流體流動動返回1.5.1兩兩種阻力損損失一、直管阻力力和局部阻力力1.流體流動動1、直管阻力力hf：直管對流動動具有的一定定阻力，是流流體流經(jīng)管徑徑的直管時，，由于流體的的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力力。2、局部阻力力hf/:管件（彎頭、、三通、閥門門等）對流體體流動具有的的一定阻力，主要是由于于流體流經(jīng)管管路中的管件件及截面的突然擴大或縮縮小等局部地方所所引起的阻力力。（無外加機械械能），二、阻力損失失表現(xiàn)為流體體勢能的降低低如右圖，在截截面1-1和和2-2列柏柏努利方程可可得：1.流體流動動1.5.1兩兩種阻力損損失（等徑）由此式可知，，對于通常的的管路，無論論是直管阻力力或是局部阻阻力，也不論論是層流或是是湍流，阻力力損失均主要要表現(xiàn)為流體勢能的降降低。三、層流時直管阻力損損失1.流體流動動1.5.1兩兩種阻力損損失討論：1、hf與u成正比1.流體流動動1.5.1兩兩種阻力損損失有何工程意義義？返回1.5.2湍流時直管阻阻力損失的試試驗研究方法法一、析因試驗驗—尋找影響響過程的主要要因素(靠初初步試驗和經(jīng)經(jīng)驗)1.流體流動動二、規(guī)劃試驗驗——減少試試驗工作量，，試驗結(jié)果易易總結(jié)整理，，有物理意義義。正交設(shè)計法，，因次分析法法等。一個完完整物理量＝＝數(shù)值×單位位，如，因次次分析法將物物理量因次（（單位）抽出出分析（不考考慮數(shù)值部分分），將影響響過程的物理理量組合成幾幾個無因次的的數(shù)群（準數(shù)數(shù)），數(shù)群的的數(shù)目將少于于自變量的數(shù)數(shù)目，試驗工工作量減少，，但數(shù)群前的的系數(shù)及各數(shù)數(shù)群的指數(shù)因因次分析法無無法確定。（（為什么？因因為不考慮物物理量的數(shù)值值部分），仍仍要靠試驗確確定，這種研研究方法就是是在緒論課中中提到的半經(jīng)驗半理論論的研究方法法。1.5.2湍流時直管阻阻力損失的試試驗研究方法法因次分析法的的基本步驟①確定與研究究對象相關(guān)的的物理量；②構(gòu)造成一定定函數(shù)形式；；(如次函數(shù)數(shù)、指數(shù)函數(shù)數(shù)等形式)；；③將函數(shù)式表表示成相關(guān)物物理量的因次次式；④按因次一致致性原則建立立線性基本因因次方程組；；⑤給定多余余變量，求解解因次方程；；⑥列出特征數(shù)數(shù)群方程。1.流體流動動1.5.2湍流時直管阻阻力損失的試試驗研究方法法因次分析的基基礎(chǔ)：因次一致性（物理方程兩兩邊數(shù)值相等等，因次相等等）例如：層流時時的阻力損失失1.流體流動動可變?yōu)椋?.5.2湍流時直管阻阻力損失的試試驗研究方法法因次分析基本本原理：π定理(白金漢Buckingham提出)任何物理方程程必可能轉(zhuǎn)化化為無因次形形式，即以無無因次數(shù)群的的關(guān)系式代替替原物理方程程，無因次數(shù)群的的個數(shù)等于原方程的的變量數(shù)減去去基本因次數(shù)數(shù)，即：N=n-m1、因次分析析1.流體流動動1.5.2湍流時直管阻阻力損失的試試驗研究方法法2、變量無因因次化⑴選擇基本變變量要求：①個數(shù)=基基本因次數(shù)②包含基本因因次（M、L、T）③因次相互獨獨立一般選擇尺寸d，運動動u，與質(zhì)量量有關(guān)的量ρ或μ(μ比ρρ復(fù)雜)作為