第 2 章 工程流體力學(xué)

第2章工程流體力學(xué)理論研究與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合(包括仿真如ANSYSFluent等流體力學(xué)仿真軟件)ANSYSMaxwell卡門渦街齒輪泵流場(chǎng)可視化(1963)(電解)氫氣泡還有:染料粉末等電磁場(chǎng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析2.1流體的主要物理性質(zhì)單位kg單位m32.1.1流體的概念

流動(dòng)性壓縮性2.1.2連續(xù)介質(zhì)模型流體微團(tuán)（流體質(zhì)點(diǎn)）2.1.3流體的密度單位體積流體的質(zhì)量動(dòng)作：氣動(dòng)快于液壓液壓(4/3手動(dòng)換向閥+缸)氣動(dòng)1963年流體與固體的差異氣體與液體的差異氣體流動(dòng)性更好氣體壓縮性更大單位Pa?1原有體積2.1流體的主要物理性質(zhì)純液壓油：βe

=1.4~2.0GPa混入空氣：βe

=0.7~1.4GPa壓縮性：流體體積隨壓力升高而減小的性質(zhì)流體壓縮性的大小用壓縮率κ

(單位壓力變化所引起的體積變化率)表示體積模量βe：壓縮率的倒數(shù)示例單位Pa讀

kappa希臘字母2.1.4流體的壓縮性與體積模量顏色越深壓力越高P106式(4-14)第3項(xiàng)或2.1流體的主要物理性質(zhì)液固2.1.4流體的壓縮性與體積模量(等溫過(guò)程)氣產(chǎn)生20MPa的表壓力，體積壓縮為mL旋進(jìn)20圈，表壓力為

MPa聲速精度：液壓高于氣動(dòng)剛度：液壓大于氣動(dòng)動(dòng)作：氣動(dòng)

快于液壓儲(chǔ)能：氣動(dòng)(壓縮空氣等)例2-1解畢。再次說(shuō)明：流體因壓縮而產(chǎn)生壓力下面討論

若：例2-1器內(nèi)為氣體

液壓自身不能儲(chǔ)能0.020.995

飛輪彈簧重力蓄電池(如用氮?dú)鈨?chǔ)能的蓄能器)問(wèn)：例2-1

鑒定壓力表的校正器，活塞面積A=100mm2，旋進(jìn)螺距

s=2mm(即手輪旋進(jìn)一圈活塞左移2mm)，器內(nèi)充滿壓縮率κ

=1×10?9Pa?1

的液壓油。已知在壓力表讀數(shù)為0時(shí)的液壓油體積V=200mL，用手輪旋轉(zhuǎn)密封良好的活塞，試求：手輪旋進(jìn)多少圈才能產(chǎn)生20MPa的表壓力。楊氏模量體積模量2.1流體的主要物理性質(zhì)表壓力1個(gè)大氣壓力(0.1MPa)，即…如：0.5MPa液壓缸爆破?液壓油空化油霧壓力波2.1.4流體的壓縮性與體積模量精度：液壓高于氣動(dòng)剛度：液壓大于氣動(dòng)動(dòng)作：氣動(dòng)

快于液壓儲(chǔ)能：氣動(dòng)(壓縮空氣等)出力：液壓大于氣動(dòng)壓力：出力：若：液壓油βe

=1000MPa問(wèn)：壓力從25MPa變?yōu)?，體積變化率是多少？2.5%如：7、16、2130、60、150單位均為MPa看上圖，可知?dú)鈩?dòng)壓力為什么低？①壓力容器；②大力時(shí)用液壓實(shí)現(xiàn)幸好：車未傾覆輪胎未爆2.1流體的主要物理性質(zhì)靜止流體不呈現(xiàn)黏性速度梯度內(nèi)摩擦力2.1.5流體的黏性1、黏性及牛頓內(nèi)摩擦定律流體的黏性：流體流動(dòng)時(shí)，在流體內(nèi)部產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力的性質(zhì)牛頓內(nèi)摩擦定律兩邊除以A切應(yīng)力整理2.1流體的主要物理性質(zhì)2.1.5流體的黏性

動(dòng)力黏度2、黏度3、黏度變化規(guī)律一般系統(tǒng)的壓力變化對(duì)黏度影響甚微，可忽略不計(jì)精度：液壓高于氣動(dòng)剛度：液壓大于氣動(dòng)安全性：適應(yīng)性：溫度L-HM46液壓油：40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的中心值為46mm2/s

運(yùn)動(dòng)黏度SI單位SI單位希臘字母

讀nu1、黏性及牛頓內(nèi)摩擦定律液壓：不能在高低溫下工作不宜遠(yuǎn)距離傳動(dòng)：液體黏度

氣體黏度黏度小，阻力小，流動(dòng)快水油出力：液壓大于氣動(dòng)壓力：出力：氣動(dòng)高于液壓出力：氣動(dòng)(壓縮空氣等)儲(chǔ)能：遠(yuǎn)傳：動(dòng)作：氣動(dòng)

快于液壓抗磨液壓油呼應(yīng)：表1-12.2流體靜力學(xué)任一點(diǎn)：靜壓力各向相等靜壓力方向垂直于受壓面2.2.2流體靜壓力及其特性如果法向表面力F均勻地作用于面積A上，則壓力可表示為壓力單位：

Pa、MPa、bar(巴，0.1MPa)、psi

(磅力每平方英寸，poundspersquareinch)kgf/cm2(公斤，98066.5Pa≈0.1MPa)2.2.1作用于流體上的力1、質(zhì)量力(體積力)質(zhì)量力的大小用單位質(zhì)量力來(lái)度量包括：重力慣性力2、表面力單位面積上的表面力即應(yīng)力

正應(yīng)力（即壓力）切應(yīng)力（單位面積上的黏性內(nèi)摩擦力）本課程用到的SI詞頭GB3100—1993《國(guó)際單位制及其應(yīng)用》千克力每平方厘米壓力切應(yīng)力合力2.2流體靜力學(xué)pA

p2

單位重力流體對(duì)某一基準(zhǔn)面的位能或勢(shì)能，位置能頭

單位重力流體所具有的壓力能，壓力能頭任一點(diǎn)：自由液面：流體傳動(dòng)中，通常p0>>ρgh因此，ρgh忽略不計(jì)

A點(diǎn)：mgz/mg=z

帕斯卡原理p1

pB

淹深2.2.3重力場(chǎng)中靜止流體的壓力分布規(guī)律與帕斯卡原理靜壓能頭或歐拉2.2流體靜力學(xué)大氣壓力的威力2.2.4表壓力表壓力=絕對(duì)壓力?大氣壓力抗震壓力表(有阻尼液)真空表絕對(duì)真空大氣壓力pa表壓力>0表壓力<0相對(duì)真空度絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力真空度2.3流體動(dòng)力學(xué)無(wú)黏性不可壓縮2.3.1流體流動(dòng)的基本概念1、理想流體2、定常流動(dòng)定常流動(dòng)非定常流動(dòng)3、跡線、流線1963年時(shí)變時(shí)不變5、流量和平均流速4、過(guò)流斷面、緩變過(guò)流斷面1963年流線跡線4、過(guò)流斷面、急變過(guò)流斷面(流線平行)2.3流體動(dòng)力學(xué)適用：定常流動(dòng)的不可壓縮流體2.3.2流量連續(xù)方程表示流體在流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量守恒這一客觀規(guī)律基爾霍夫電流定律納維-斯托克斯理想流體：歐拉方程考慮黏性：N-S方程例外：氣體超聲速2.3流體動(dòng)力學(xué)位置

能頭壓力

能頭速度

能頭總能頭等高流動(dòng)(z1=z2)時(shí)：

1、理想流體的伯努利方程2.3.3伯努利方程表示流體在流動(dòng)過(guò)程中能量守恒這一客觀規(guī)律適用理想流體定常流動(dòng)：流速壓力

任意兩個(gè)緩變過(guò)流斷面同一條流線上任意兩點(diǎn)動(dòng)能位能壓力能2.3流體動(dòng)力學(xué)先縮后擴(kuò)管：■拉瓦爾管■文丘里管(流量計(jì)加油槍跳槍等)飛機(jī)空速管(×2)皮托管、普朗特風(fēng)速管吹氣2.3流體動(dòng)力學(xué)黏能量損失動(dòng)能修正系數(shù)2、實(shí)際流體的伯努利方程2.3.3伯努利方程理想流體的伯努利方程：1?22.3.4動(dòng)量方程動(dòng)量的增量等于合外力的總沖量控制體(1、2及管壁為圍欄)中流體動(dòng)量的增量為定常流動(dòng)的動(dòng)量方程流體對(duì)固壁的作用力，與大小相等方向相反固壁對(duì)流體的作用力流體對(duì)固壁的作用力把消防員推走了帶箭頭，表示矢量2.3.4動(dòng)量方程例2-2流體對(duì)固壁的作用力，與大小相等方向相反定常流動(dòng)的動(dòng)量方程固壁對(duì)流體的作用力負(fù)號(hào)表示與

x

方向相反

流體對(duì)閥芯的作用力(xv不變時(shí))PTAB圓柱滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力2.3.4動(dòng)量方程定常流動(dòng)的動(dòng)量方程穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fs例2-2非定常流動(dòng)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fs+

瞬態(tài)液動(dòng)力Ft

液壓沖擊水錘(使閥口趨于關(guān)閉)(使閥口趨于

關(guān)閉或開大)負(fù)號(hào)表示與

x

方向相反

負(fù)號(hào)表示與

x

方向相反

固壁對(duì)流體的作用力流體對(duì)閥芯的作用力(xv不變時(shí))流體對(duì)固壁的作用力，與大小相等方向相反圓柱滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力(暫態(tài))2.4流體在管路中的流態(tài)與壓力損失層流湍流轉(zhuǎn)捩(列)2.4.1管路中流體的流態(tài)和雷諾數(shù)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置流體力學(xué)?人群流動(dòng)顏色水清水流場(chǎng)可視化雷諾實(shí)驗(yàn)1883年，Reynolds(雷諾)完成雷諾實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：■黏性流體存在

2種流態(tài)：層流、湍流

■

判斷流態(tài)的判據(jù)——雷諾數(shù)2.4流體在管路中的流態(tài)與壓力損失內(nèi)徑d外徑D通徑(如DN20)雷諾數(shù)Re：慣性力與黏性力之比運(yùn)動(dòng)黏度

內(nèi)徑流速

nominaldiameterPN(額定壓力)控制轉(zhuǎn)捩流動(dòng)分離讀nu希臘字母2.4流體在管路中的流態(tài)與壓力損失2.局部壓力損失2.4.2壓力損失過(guò)流斷面的形狀發(fā)生變化(如彎管、管路斷面突然擴(kuò)大或收縮、閥、三通等)而引起流速大小和方向的突然變化所產(chǎn)生的集中在很短流段內(nèi)的壓力損失1.沿程壓力損失流體沿等徑直管流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的均勻地分配在沿流程上壓力損失圖2-19

L/d>4上下游壓差長(zhǎng)度與內(nèi)徑之比2.5孔口出流流體卷吸附壁效應(yīng)超高壓磨料水射流切割后臺(tái)階流動(dòng)減震器炮口制退器流動(dòng)有收縮(過(guò)流斷面<孔口斷面)(孔外收縮)薄壁厚壁(孔內(nèi)收縮)薄：0.97～0.98厚：0.82?。?.60～0.61厚：0.82流速系數(shù)流量系數(shù)孔口上下游壓差小孔截面積流速流量節(jié)流射流(流體金屬射流空化(壓力下降沸騰)氣蝕(壓力上升氣泡潰滅)薄壁孔口長(zhǎng)徑比L/d≤0.5厚壁孔口(管嘴)2<L