知識資料工程流體力學(xué)與流體機(jī)械(一)(新版)

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。PAGE第頁/共頁第一章工程流體力學(xué)與流體機(jī)械1工程流體力學(xué)與流體機(jī)械考試大綱1.1流體動力學(xué)恒定流動與非恒定流動理想流體的運(yùn)動方程式實(shí)際流體的運(yùn)動方程式伯努利方程式及其使用條件總水頭線和測壓管水頭線總壓線和全壓線1.2流體阻力層流與紊流、雷諾數(shù)流動阻力分類層流和紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算局部阻力產(chǎn)生的原困和討算主意減小局部阻力的措施1.3管道計(jì)算孔口（或管嘴）的變水頭出流容易管路的計(jì)算串聯(lián)管路的計(jì)算并聯(lián)管路的計(jì)算1.4明渠勻稱流和非勻稱流明渠勻稱流的計(jì)算公式明渠水力最有新面和允許流速明渠勻稱流水力計(jì)的基本問題斷面單位能量和臨界水深緩流、急流、臨界流及判斷準(zhǔn)則明渠恒定非勻稱漸變流的基本微分方程式1.5紊流射流紊流射流的基本特征圓斷面射流平面射流l.6氣體動力學(xué)基礎(chǔ)壓力波傳揚(yáng)和音速概念可壓縮流體一元穩(wěn)定流動的基本方程漸縮噴管與拉伐管的特點(diǎn)實(shí)際噴管的性能1.7相似原理和摸型實(shí)驗(yàn)主意流動相似的概念相似準(zhǔn)則方程和因次分析法流體力學(xué)模型研究主意實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理主意1.8泵與風(fēng)機(jī)泵與風(fēng)機(jī)的工作原理及性能參數(shù)泵與風(fēng)機(jī)的基本方程泵與風(fēng)機(jī)的特性曲線管路系統(tǒng)特性曲線管路系統(tǒng)中泵與風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)離心式泵或風(fēng)機(jī)的工作調(diào)節(jié)離心式泵或風(fēng)機(jī)的挑選汽蝕與安裝要求復(fù)習(xí)指導(dǎo)工程流體力學(xué)與流體機(jī)械包含流體力學(xué)基本內(nèi)容和輸送機(jī)械兩部分內(nèi)容。應(yīng)重點(diǎn)控制流體力學(xué)基礎(chǔ)理論在工程上的應(yīng)用，如延續(xù)性方程積分式、伯努利方程的應(yīng)用。為使考試取得滿。意成績，在舉行復(fù)習(xí)決定時，要按考試大綱規(guī)定的內(nèi)容加深對基本概念、基本原理的理解，在此基礎(chǔ)上熟練控制基本的計(jì)算主意和技巧，并綜合、靈便地運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析和解決實(shí)際的工程問題，總算體現(xiàn)為控制好解挑選題的技巧。復(fù)習(xí)內(nèi)窖1.1流體動力學(xué)要求：應(yīng)控制恒定流動與非恒定流動、理想流體、總水頭線和測壓管水頭線、總壓線和全壓線等基本概念，還要控制伯努利方程式在工程計(jì)算中的應(yīng)用。了解理想流體和實(shí)際流體的運(yùn)動方程式。1.1.1流體流動時，若任一點(diǎn)處的流速、壓力、密度等與流動有關(guān)的物理參數(shù)都不隨時光而變化，就稱這種流動為恒定（穩(wěn)態(tài)、定態(tài)）流動。反之，只要有一個物理參數(shù)隨時光而變化，就屬于非恒定流動。本章重點(diǎn)在恒定流動。1.1.2理想流體的運(yùn)動方程式理想流體是指無貓性即釉度為零的流體。理想流體的運(yùn)動方程式又稱歐拉方程式。1.1.3實(shí)際流體的運(yùn)動方程式實(shí)際流體的運(yùn)動方程式又稱奈維一斯托克斯方程，簡稱N-S方程。1.1.41．理想流體的伯努利方程式在重力場中，對不可壓縮理想流體沿流線的穩(wěn)定流動，將歐拉方程式積分可得理想流體的伯努利方程式：gz+u2/2+p/ρ=C式中：等號左邊3項(xiàng)分離代表單位質(zhì)量理想流體的位能、動能和靜壓能，單位J·kg－1。三者之和稱為機(jī)械能。上式使用條件是重力場、不可壓縮理想流體、穩(wěn)定流動。上式表明，在重力場中，不可壓縮理想流體沿流線穩(wěn)定流動時，各點(diǎn)的3種能量盡管可以互相轉(zhuǎn)化，但總和是不變的。2．實(shí)際流體的伯努利方程式由干實(shí)際流體有綴性，在管內(nèi)流動時要消耗機(jī)械能以克服阻力，因此，在式1.1-4）的右邊須增強(qiáng)一項(xiàng)wf。它表示單位質(zhì)量流體通過流動系統(tǒng)的機(jī)械能損失，簡稱阻力損失，單位J·kg－1。以單位分量流體為基準(zhǔn)的伯努利方程式;Z1+u12/2g+p1/ρg+he=Z2+u22/2g+p2/ρg+he上式中各項(xiàng)的單位均為m；其中z為位頭，p／ρg為靜壓頭，u2／2g稱為動壓頭（速度頭），he，稱為外加壓頭（外加能頭），hp為壓頭損失。使用伯努利方程式時，應(yīng)注重以下幾點(diǎn)。（l）作暗示圖。為了有助于準(zhǔn)確解題，在計(jì)算前可先按照題意畫出流程暗示圖。（2）輸人、輸出面的選取。輸人、輸出面（即流通截面）應(yīng)與流動方向相垂直，兩者之間的流體必須延續(xù)不斷，且面上的已知條件應(yīng)最多，并包含要求的未知數(shù)在內(nèi)。通常選取系統(tǒng)進(jìn)、出口處截面作為輸人、輸出面。（3）基準(zhǔn)水平面的選取。因?yàn)榈忍杻蛇叾加形荒?，故基?zhǔn)水平面可以隨意選取而不影響計(jì)算結(jié)果，但為了計(jì)算方便，普通將基準(zhǔn)面定在某一流通截面的中央上，這樣，該截面的位能就為零。（4）壓力的選取。等號兩邊都有壓力項(xiàng)，可用絕壓或表壓。通常以用表壓較為方便。1．1．5總水頭線和測壓管水頭線位頭z、靜壓頭p／ρg和動壓頭U／2g之和稱為總能頭，在水力學(xué)中稱為總水頭，用H表示，H＝z＋p／ρg＋u2/2g。位頭z和靜壓頭p／ρg之和在水力學(xué)中稱為測壓管水頭。因?yàn)椤邦^”為流體柱高度，因此用它來表示流體的各種機(jī)械能大小頗為直觀。實(shí)際流體的伯努利方程各項(xiàng)及總水頭、測壓管水頭的沿程變化可用幾何曲線表示。水經(jīng)過流斷面（流通截面）的測壓管水頭連線稱為測壓管水頭線，而總水頭的連線則稱為總水頭線。對于理想流體，由式（1．14）可知，其總水頭線為一條水平直線。對于實(shí)際流體，因?yàn)榱黧w在流動過程中總是有壓頭損失，故其總水頭線總是沿程下降的。測壓管水頭線沿流動方向可以升高也可以下降，這是因?yàn)檠亓鲃臃较颍魉倏赡芤驗(yàn)楣軓降淖兇螅ɑ蜃冃。┒冃。ɑ蜃兇螅?．1．6總壓線和全壓線1．1．5節(jié)中的總水頭線和測壓管水頭線主要用于液體的流動，而氣體的流動用類似的總壓線和勢壓線更為方便。位能ρgz、靜壓P和動能pu2／2之和稱為總壓，即P＝ρgz十p十pu2／2，將各流通斷面上的總壓連成線則稱為總壓線。位能ρgz和靜壓P之和則稱為勢壓，將各流通斷面上的勢壓連成線則稱為勢壓線（全壓線）.總壓線總是沿程下降的，勢壓線沿程變化則與動能變化有關(guān)。1．2流體阻力要求：應(yīng)控制層流與紊流的基本概念；能用雷諾數(shù)判斷流動型態(tài)；了解流動阻力產(chǎn)生的緣故和減少局部阻力的措施；熟練計(jì)算兩種阻力。1．2．l層流與紊流、雷諾數(shù)當(dāng)流體流動時，在不同條件下，可以看見到兩種截然不同的流動型態(tài)——層流和紊流。層流（laminarlow，又稱滯流）時，流體質(zhì)點(diǎn)在各自的軌道上運(yùn)動，彼此不發(fā)生干擾或碰撞，因此，流動安穩(wěn)有序。流動速度很低時往往保持為層流型態(tài)。紊流（turbulentlow，又稱湍流時，流體質(zhì)點(diǎn)之間不斷地碰撞與摻混，導(dǎo)致流動紊亂，流速和壓強(qiáng)等流動參數(shù)隨時光無序地脈動。在實(shí)驗(yàn)中可以看見到，湍流時不斷有旋渦生成、移動、擴(kuò)大、分裂和出現(xiàn)。判斷流動型態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)是雷諾數(shù)，用符號Re表示，Re＝duρ/μ。當(dāng)仇數(shù)較小時，流體作層流運(yùn)動；Re數(shù)較大時，流體作紊流運(yùn)動。例如，流體在圓形直管內(nèi)流動，當(dāng)Re≤2000（還有一說為2300）時為層流；當(dāng)Re＞4000時，圓管內(nèi)形成湍流；當(dāng)Re在2000－4000范圍內(nèi)時，流動處于一種過渡狀態(tài)，可能是層流也可能是湍流，或是二者交替浮上，這要視外界于擾而定，普通稱這一Re數(shù)范圍為過渡區(qū)。雷諾數(shù)是一個無因次準(zhǔn)數(shù)，故其值不會因采用不同的單位制而不同。1．2．2流動阻力分類按流體在流動中產(chǎn)生機(jī)械能損失的不同的外在緣故，可將流動阻力分為兩種類型。1．沿程阻力它是沿流動路程上因?yàn)楦髁黧w層之間的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的流動阻力，因此也叫做摩擦阻力。在層流狀態(tài)下，沿程阻力徹低是由新性摩擦產(chǎn)生的。在紊流狀態(tài)下，沿程阻力一部分由邊界層內(nèi)的勁性摩擦造成，另一部分也是主要部分則由流體質(zhì)點(diǎn)的遷移和脈動造成。沿程阻力總算用來克服固體表面與流體之間的摩擦力，因此也稱為表面阻力。2．局部阻力流體在流動中若碰到局部障礙時，如流道發(fā)生彎曲、流通截面擴(kuò)大或縮小、流體通道中的各種各樣的物件如閥門等，因?yàn)榱黧w的流速或流動方向驟然發(fā)生變化，產(chǎn)生邊界層分離和渦流，從而導(dǎo)致局部阻力損失（又稱形體阻力損失）。因?yàn)橐鹁植繐p失機(jī)理的復(fù)雜性，目前惟獨(dú)少數(shù)情況可舉行理論分析，多數(shù)情況需要用實(shí)驗(yàn)主意決定。流體在工程設(shè)備中流動時，上述兩類流動阻力都會產(chǎn)生。因此控制計(jì)算流動阻力的原理和主意是須要的。1．2．3層流和紊流沿程阻力系數(shù)的計(jì)算按照伯努利方程和管內(nèi)流體受力平衡可以推得管內(nèi)流動沿程阻力的計(jì)算通式如下：單位質(zhì)量流體的沿程阻力wf=λlu2/d2J·kg-1單位體積流體的沿程阻力△pf=ρwf=λl/dpu2/2J·m-3單位分量流體的沿程阻力hf=wf/g=λlu2/d2gJ·N-1上述公式對層流和紊流均適用。由上述公式計(jì)算阻力損失，關(guān)鍵是摩擦系數(shù)人層流和湍流時的人求法有所不同。1．層流孤動時的λ理論上可以確切導(dǎo)出圓管內(nèi)層流時的人計(jì)算式如下：λ=64/Re將式（1．2-4）代人式（1．2－1）可知，層流時管內(nèi)沿程阻力與平均流速U的一次方成正比。2．紊流流動時的λ對于紊流的摩擦系數(shù)人，目前還無法從理論上推導(dǎo)出來，需查取經(jīng)驗(yàn)圖（Moody圖，）或通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算。紊流時，隨雷諾數(shù)Re增強(qiáng)，人將減小，當(dāng)Re增大到某一數(shù)值后，λ基本不變，此時沿程阻力與速度的平方成正比，故稱這一區(qū)域?yàn)樽枇ζ椒絽^(qū)。3．非圓形音內(nèi)的沿程阻力以上所研究的都是流體在圓管內(nèi)的沿程阻力。化工生產(chǎn)中會碰到非圓形的管道，例如有些氣體輸送管是矩形的，偶爾流體味在內(nèi)外兩管之間的環(huán)隙內(nèi)流過等。1．2．4局部阻力產(chǎn)生的緣故和計(jì)算主意1．局部阻力產(chǎn)生的緣故局部阻力產(chǎn)生的根本緣故在于流體的流速或流動方向驟然發(fā)生變化，從而導(dǎo)致邊界層分離和渦流而產(chǎn)生。詳細(xì)細(xì)分，局部阻力產(chǎn)生的緣故有渦流損失、加速損失、轉(zhuǎn)向損失和撞擊損失4種類型。l）渦流損失流體在流動中若碰到局部障礙時，往往產(chǎn)生大量旋渦，這些渦流內(nèi)部和渦流與壁面之間的摩擦損失就是渦流損失。．2）加速損失流體在流動中若碰到局部障礙時，往往存在流動通道的變小再變大，從而引起流速的加速再減速，隨之導(dǎo)致壓力變小再變大。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，實(shí)際流體的這種減速擴(kuò)壓流動會發(fā)生能量損失，這個損失就是加速損失.3）轉(zhuǎn)向損失流體在流動中若碰到局部障礙時，局部部位的流股的流動方向往往發(fā)生改變，這時會消耗掉一部分能量，這就是轉(zhuǎn)向損失。4）撞擊損失流體在流動中若碰到局部障礙時，往往會和固體壁面發(fā)生碰撞，因?yàn)閷?shí)際流體并非理想的彈性體，于是碰撞的結(jié)果就要產(chǎn)生能量損失，此即撞擊損失。2．局部阻力計(jì)算主意因?yàn)橐鹁植磕Σ翐p失機(jī)理的復(fù)雜性，惟獨(dú)少數(shù)情況可舉行理論分析，多數(shù)情況需要用實(shí)驗(yàn)主意決定。局部阻力有兩種近似算法，它們所得結(jié)果不會徹低一致。但從工程角度看，兩種主意均可。l）局部阻力系數(shù)法此法近似認(rèn)為局部阻力是平均動能的某一個倍數(shù)，即wf=ζu2/2式中ζ是局部阻力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測定。常用管件和閥件的ζ值可查相關(guān)數(shù)據(jù)手冊。注重，計(jì)算時，式（1．26）中流速要用較小管道中的值。2）當(dāng)量長度法此法近似地將局部阻力看作與某一長度為le的同直徑的管道所產(chǎn)生的摩擦損失相當(dāng)，此折合的管道長度人稱為當(dāng)量長度。于是，局部阻力計(jì)算式為wf=λleu2/d2式中l(wèi)e值由實(shí)驗(yàn)決定。異常地，對驟然擴(kuò)大中的異常情況——管出口，其局部阻力系數(shù)ζo＝l。驟然縮小中的異常情況——管人口，其局部阻力系數(shù)ζi＝0．5。1．2．5減小局部阻力的措施為了減小局部阻力，應(yīng)盡量做到以下幾點(diǎn)。（l）對彎曲管道，應(yīng)盡量避免采用中央角過大的死彎，即曲率半徑R與管道直徑d之比不可太小。另外，還可考慮在彎管處加合理形狀的導(dǎo)流葉片。（2）對截面變化之處，盡量采用漸變結(jié)構(gòu)，以削弱邊界層分離和渦流的產(chǎn)生。（3）對三通，可在總管中按照支管的流量安裝合流板或分流板；對于三通支管，要盡可能不與總管垂直銜接，且