流体流动过程课件.ppt

1、2022-8-4121 一些基本概念一些基本概念 21.1 流体流体流体流体 气体气体 液体液体 质量传递热量传递动量传递三传 把流体视为由无数个把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型（或连续性假定）。团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型（或连续性假定）。流体微团（或流体质点）：流体微团（或流体质点）：宏观上足够小，宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时同时微观上足够大，微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已

2、经表现出大量分子它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。的统计学性质。2022-8-42 2可压缩性可压缩性 流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一定的改变，表现为流体密度大小的变化。定的改变，表现为流体密度大小的变化。工程上工程上：流体流体 可压缩流体可压缩流体 不可压缩流体不可压缩流体密度为常数密度为常数 流体的特征流体的特征 1易流动性易流动性 当流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。当流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。3无固定形状无固定形状 流体没有固定的形状，随容器的形状而

3、变化流体没有固定的形状，随容器的形状而变化2022-8-43 理想流体理想流体 指不具有指不具有粘度粘度，流动时不产生摩擦阻力的流体。，流动时不产生摩擦阻力的流体。理想液体理想液体 不具有粘度的液体，流动时不产生摩擦阻力的液体。不具有粘度的液体，流动时不产生摩擦阻力的液体。具有不可压缩、受热不膨胀的性质。具有不可压缩、受热不膨胀的性质。理想气体理想气体 不具有粘度的气体，流动时不产生摩擦阻力的气体。不具有粘度的气体，流动时不产生摩擦阻力的气体。服从理想气体状态方程服从理想气体状态方程.2022-8-44理想气体状态方程理想气体状态方程以当时条件与标准条件对比时：RTMmnRTpV00TVpTp

4、Vo2022-8-4521.2 流体的密度、相对密度和比容流体的密度、相对密度和比容1 1流体的密度流体的密度 获得方法：获得方法：（1）查物性数据手册）查物性数据手册nnmwww22111RTpM影响因素：影响因素：流体种类、浓度、温度、压力流体种类、浓度、温度、压力（2）公式计算：）公式计算：液体混合物：液体混合物：气体：气体：-理想气体状态方程理想气体状态方程气体混合物：气体混合物：流体的密度流体的密度单位体积流体的质量。用单位体积流体的质量。用 表示，属于物表示，属于物 性。性。国际单位用国际单位用kg/m3 Vm.2211xMxMMm2022-8-462.相对密度相对密度 是指给定条

5、件下某一物质的密度是指给定条件下某一物质的密度 1与另一参考物质的密度与另一参考物质的密度 2之比。之比。21d3.比容比容 是指单位质量的物料所具有的体积是指单位质量的物料所具有的体积,是密度的倒数。是密度的倒数。1mV2022-8-4721.3 流体的压强及其测量流体的压强及其测量 一、流体的压强一、流体的压强-流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体流体的压强的压强，用用p表示表示，工程上习惯称之为工程上习惯称之为压力压力。1 压强的单位压强的单位SI 制中制中，N/m2=Pa，称为帕斯卡称为帕斯卡物理学物理学（cgs制）中，绝对大气压（制）中，绝对大气压

6、（atm）；）；毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）；米水柱（）；米水柱（m水柱水柱）等）等工程单位制中，工程单位制中，kgf/cm2,称为工程大气压（称为工程大气压（at）。）。2022-8-481at(工程大气压）工程大气压）=1 kgf/cm2 =735.6mmHg =10mH2O =98.07 103 Pa (1kgf=9.81N)1 atm(标准大气压标准大气压)=1.013105 Pa =760 mmHg =10.33 mH2O2022-8-492 压强的基准压强的基准压强大小的两种表征方法压强大小的两种表征方法绝对压力绝对压力表压表压-以绝对真空为基准 表压绝对压力当地大气压表压绝对压

7、力当地大气压真空度当地大气压绝对压力真空度当地大气压绝对压力绝对压强绝对压强表压表压大气压大气压真空度真空度绝对压强绝对压强绝对零压线绝对零压线大气压线大气压线21.3 流体的压强及其测量流体的压强及其测量2022-8-410 二、流体静力学基本方程式二、流体静力学基本方程式流体所受到的力流体所受到的力质量力质量力表面力表面力如重力、离心力等，属如重力、离心力等，属于非接触性的力。于非接触性的力。法向力法向力切向力切向力(剪力剪力)(压力压力)静止流体所受到的力静止流体所受到的力质量力质量力法向力法向力-单位面积上的压力称为压强单位面积上的压力称为压强,习惯上称为静压力。习惯上称为静压力。-重

8、力场中单位质量流体所受重力场中单位质量流体所受 质量力质量力,即为重力加速度。即为重力加速度。2022-8-411p0z2p1p2Gz1z0 如图所示：容器中盛有如图所示：容器中盛有密度为密度为 的静止液的静止液体。现从液体内部任意划出体。现从液体内部任意划出一底面积为一底面积为A的的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为别为z1和和z2，以以p1和和p2分别表示高度为分别表示高度为z1和和z2处处的压力，的压力，液面上方的压力为液面上方的压力为p0。分析垂直方向上液柱的受力：

9、分析垂直方向上液柱的受力：向上：向上：p2A向下向下：p1AG gA(z1-z2)2022-8-412 当液柱处于相对静止状态时，说明作用在此液柱上诸力的合力为零，当液柱处于相对静止状态时，说明作用在此液柱上诸力的合力为零，即：即：p2A p1A gA(z1-z2)0化简得：化简得：p2 p1 g(z1-z2)(1)或：或：(2)若液柱上表面取在液面上，令若液柱上表面取在液面上，令 z1-z2=h，则上式可写为：则上式可写为：p2 p0 g h (3)(4)上述式子均称为上述式子均称为流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式。它。它反映了反映了流体不受水平外力流体不受水平外力作用，只在重力作用

10、下流体作用，只在重力作用下流体内部压力（压强）的变化规律。内部压力（压强）的变化规律。2112zzgpphgpp022022-8-4131.当容器液面上方的压强当容器液面上方的压强p0 一定时，静止液体内任一点压强的大一定时，静止液体内任一点压强的大小，与液体本身的密度小，与液体本身的密度 和该点距液面的深度和该点距液面的深度 h 有关。因此，在有关。因此，在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压强静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压强都相等。此压强相等的面，都相等。此压强相等的面，称为称为等压面等压面。2.当当p0 改变时，液体内部各点的压强也将发生同样大小

11、的改变改变时，液体内部各点的压强也将发生同样大小的改变 帕斯卡原理。帕斯卡原理。3.压强或压强差的大小可用液柱高度来表示。压强或压强差的大小可用液柱高度来表示。4.将将(2)式移项整理得：式移项整理得：(5)或或适用场合适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体三三.流体静力学基本方程式的讨论流体静力学基本方程式的讨论gpzgpz2211常数gpz2022-8-414四四.流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用 1.压力计压力计(1)单管压力计单管压力计p1 pa=p1(表表)=g R(2)U形压力计形压力计指示液 p1=pa+0 gR g

12、h A1apRpa A 1 1h R 2 3 02022-8-415p1p2mRAA)(1RmgppAgRgmppA02AAppgRgmpRmgp021)(gRpp)(021指示液的密度为指示液的密度为0，被测流体的密度为，被测流体的密度为A与与A面面 为等压面，即为等压面，即2压差计压差计（1）U型管压差计型管压差计2022-8-416(2)微差压力计微差压力计 1 1略小于略小于 2 2 p1 p2 z1 1 z1 R 2 读数放大读数放大 p1-p2=(2-1)g R 在在U形微差压计两侧臂的上端装有扩张室，形微差压计两侧臂的上端装有扩张室，其直径与其直径与U形管直径之比大于形管直径之比

13、大于10。当测压管中。当测压管中两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分别 为别 为 1 和和 2 的 两 种 指 示 剂。的 两 种 指 示 剂。微压差微压差 p 存在时，两扩大室液面高差很存在时，两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个型管内却可得到一个较大的较大的 R 读数。读数。2022-8-417例例 如附图所示，水在管道中流动。为测得如附图所示，水在管道中流动。为测得A-AA-A、B-BB-B截面的压力差，截面的压力差，在管路上方安装

14、一在管路上方安装一U U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R R150mm150mm，试计算，试计算A-AA-A、B-BB-B截面的压力差。已知水与水银的密度分别为截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m1000kg/m3 3和和13600 kg/m13600 kg/m3 3。解：解：图中，图中，1-1面与面与2-2面间面间为静止、连续的同种流体，且为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压处于同一水平面，因此为等压面，即面，即11pp 22pp gmppA1又又2022-8-418gRRmgpgRpgRppB002021)

15、(gRRmgpgmpBA0)(所以所以 gRppBA)(0整理得整理得 由此可见，由此可见，U形压差计所测形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数剂的密度、读数R有关，而与有关，而与U形形压差计放置的位置无关压差计放置的位置无关 2022-8-41921.4 流量和流速流量和流速1流量和流速流量和流速 流量流量体积流量体积流量qVVtm3/s质量流量质量流量mqmtkg/sqm qV体积流速体积流速uqVA质量流速质量流速平均流速平均流速m/sqmwAkg/(m2 s)w uqm w A uA流速流速摩尔流量摩尔流量nqntmol/s摩尔流速摩尔流速q

16、nGAmol/(m2 s)2022-8-4202.管径的初选管径的初选 在管径的选择中，如果选用较小的管径，可以降低基建费用，但在管径的选择中，如果选用较小的管径，可以降低基建费用，但在一定的流量条件下，管径越小，流动阻力也随之增大，能耗也将相在一定的流量条件下，管径越小，流动阻力也随之增大，能耗也将相应增大。因此，合理的管径应综合多方面的因素来确定。一般条件下，应增大。因此，合理的管径应综合多方面的因素来确定。一般条件下，可根据选用的流速来对管径进行初步选择，再在此基础上进行多方面可根据选用的流速来对管径进行初步选择，再在此基础上进行多方面的评比来确定实用的管径。的评比来确定实用的管径。2d

17、4vvqAquuqdv4即：2022-8-42121.5 定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动1 定态流动定态流动 流体流动过程流体流动过程中，任一截面上与中，任一截面上与流动相关的物理量流动相关的物理量(流速、压强、密度流速、压强、密度等等)不随时间变化的不随时间变化的流动。流动。2022-8-4222 非定态流动非定态流动 在流动过程中，流在流动过程中，流体在任一截面上的物理体在任一截面上的物理量量既随位置变化又随时既随位置变化又随时间而变化的流动。间而变化的流动。21.5 定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动2022-8-42322 流体定态流动时的衡算流体定态流动时的衡算22.

18、1 流体定态流动时的物料衡算流体定态流动时的物料衡算连续性方程式连续性方程式 连续性方程是连续性方程是质量守恒定律质量守恒定律的一种表现形式，本节的一种表现形式，本节通过物料通过物料衡算衡算进行推导。进行推导。流体流动过程中流体流动过程中 涉及三大守恒定律：涉及三大守恒定律：质量守恒质量守恒 质量衡算质量衡算动量守恒动量守恒能量守恒能量守恒2022-8-424对于在控制体内作稳态流动的流体，对于在控制体内作稳态流动的流体，根据质量守恒定律有：根据质量守恒定律有：22.1 流体定态流动时的物料衡算流体定态流动时的物料衡算21mmqq 控制体 2 1 1 2 qm1qm2v1v2222111uAu

19、A2022-8-425 讨讨 论论 对于不可压缩的流体对于不可压缩的流体 即即:常数，可得到常数，可得到2211uAuA对于在对于在圆管圆管内作内作稳态流动稳态流动的不可压缩流体的不可压缩流体适用条件适用条件 流体流动的连续性方程式流体流动的连续性方程式仅适用于仅适用于稳定流动时的连续性流体。稳定流动时的连续性流体。1221AAuu或或222211dudu2022-8-426思考：思考：如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？m 1 m m 2 21mmm2211AuAuuA2022-8-42722.2 流体定态流动时的能量衡算流体定态流

20、动时的能量衡算位能：位能：是指流体因距所选的基准面有一定距离，由于重力作是指流体因距所选的基准面有一定距离，由于重力作 用而具有的能量用而具有的能量1.流体流动时的机械能形式：流体流动时的机械能形式：动能动能：流体因流动而具有的能量流体因流动而具有的能量机械能：机械能：是位能、动能、静压能的总和是位能、动能、静压能的总和mgH221mu静压能：静压能：是流体处于当时压力是流体处于当时压力p下所具有的能量，即指流体因下所具有的能量，即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力，其值等于被压缩而能向外膨胀作功的能力，其值等于pV ()mV 2022-8-428（1）理想流体伯努利方程式：理想流体伯努利方

21、程式：设在设在1 1、2 2截面间没有外界能量输入，液体也没有向外界作功，截面间没有外界能量输入，液体也没有向外界作功，则则mkg理想液体所具有的机械能为定值。理想液体所具有的机械能为定值。2.流体流动的能量衡算伯努利（方程式流体流动的能量衡算伯努利（方程式 Qe 2 换热器换热器 2 1 H2 流体入流体入 泵泵 H1 He 流体出流体出 2222121122pmummgHpmummgH2022-8-4292222121122pugHpugH两边除以两边除以m，得：，得：两边除以两边除以mg，得：，得：gpguHgpguH2222121122表示每千克流体所具有得能量，单位表示每千克流体所具

22、有得能量，单位1kgJ表示每重力单位（牛顿）流体所具有的能量，单位表示每重力单位（牛顿）流体所具有的能量，单位mNJ1工程上将每牛顿流体所具有工程上将每牛顿流体所具有的各种形式的能量统称为压的各种形式的能量统称为压头，头，H称为位压头等称为位压头等伯努利方程伯努利方程2022-8-430（2）实际流体伯努利方程式：实际流体伯努利方程式：当在当在1、2截面间的系统中有外界能量截面间的系统中有外界能量He输入，且为实际流体输入，且为实际流体时，则有摩擦阻力时，则有摩擦阻力Hf,则伯努利方程为：则伯努利方程为：（3）功率的计算功率的计算功率是指单位时间耗用的能量，可按下式求算：功率是指单位时间耗用的

23、能量，可按下式求算：Pa，Pe-分别为实际功率和理论功率（有效功率），单位为分别为实际功率和理论功率（有效功率），单位为kW;-输送的效率。输送的效率。eveagHqppfehpugHWpugH2222121122(1kg)feHgpguHHgpguH2222121122(1N)2022-8-431（1 1）适用条件适用条件 在衡算范围内是在衡算范围内是不可压缩、连续稳态流体不可压缩、连续稳态流体，同时要注意，同时要注意是实际是实际流体还是理想流体流体还是理想流体，有无外功有无外功加入。加入。（2 2）衡算基准衡算基准 3.伯努利方程的讨论及应用注意事项伯努利方程的讨论及应用注意事项22221

24、21122pugHpugH1kggpguHgpguH22221211221NJ/kgfeHgpguHHgpguH2222121122实际流体实际流体m液柱液柱2022-8-432 (3)式中各项能量所表示的意义式中各项能量所表示的意义 式中式中 是指在是指在某截面上某截面上流体本身所具有的能量；流体本身所具有的能量；Hf是指流体在是指流体在两截面两截面之间所消耗的能量；之间所消耗的能量；He是输送设备对单位是输送设备对单位质量流体所作的质量流体所作的有效功有效功。由由He可计算可计算有效功率有效功率(理论功率）理论功率）pugH、22(4)各物理量取值及采用单位制各物理量取值及采用单位制 方程

25、中的压强方程中的压强p、速度、速度v是指整个截面的平均值，各物理量必须是指整个截面的平均值，各物理量必须采用一致的单位制。尤其采用一致的单位制。尤其两截面的压强不仅要求单位一致，还要求两截面的压强不仅要求单位一致，还要求表示方法一致，表示方法一致，即均用绝对压、表压或真空度。即均用绝对压、表压或真空度。2022-8-433(5)截面的选择截面的选择截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要，选取截面应使：截面的正确选择对于顺利进行计算至关重要，选取截面应使：（a）两截面间流体必须连续、均质；两截面间流体必须连续、均质；（b）两截面与流动方向相垂直（平行流处，不要选取阀门、弯）两截面与流动方向相垂直

26、（平行流处，不要选取阀门、弯 头等部位）；头等部位）；（c）所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现；）所求的未知量应在截面上或在两截面之间出现；（d）截面上已知量较多（除所求取的未知量外，都应是已知的或能计算出来，）截面上已知量较多（除所求取的未知量外，都应是已知的或能计算出来，且两截面上的且两截面上的u、p、H与两截面间的与两截面间的Hf都应相互对应一致都应相互对应一致)。(6)选取基准水平面选取基准水平面 原则上基准水平面可以任意选取，但为了计算方便，常取确定系统的两个截原则上基准水平面可以任意选取，但为了计算方便，常取确定系统的两个截面中的一个作为基准水平面。如衡算系统为水平管道，则基

27、准水平面通过管道的面中的一个作为基准水平面。如衡算系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线中心线 若所选计算截面平行于基准面，以两面间的垂直距离为位压头若所选计算截面平行于基准面，以两面间的垂直距离为位压头H值；若所选计值；若所选计算截面不平行于基准面，则以截面中心位置到基准面的距离为算截面不平行于基准面，则以截面中心位置到基准面的距离为H值。值。H1，H2可正可负，但要注意正负。可正可负，但要注意正负。2022-8-434 例：例：如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为塔内的压力均

28、为大气压。送液管为452.5mm的钢管，要求送液量为的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为。设料液在管内的压头损失为1.2m，（不包括出口能量损失），（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？试问高位槽的液位要高出进料口多少米？解：解：如图所示，如图所示，取高位取高位槽液面为槽液面为1-1截面，进料管出截面，进料管出口内侧为口内侧为2-2截面，以过截面，以过2-2截面中心线的水平面截面中心线的水平面0-0为基为基准面。准面。在在1-1和和2-2截面间列截面间列柏努利方程柏努利方程（由于题中已知（由于题中已知压头损失，用式（压头损失，用式（1-22a）以）

29、以单位重量流体为基准计算比单位重量流体为基准计算比较方便）较方便）2022-8-435feHgpugHHgpugH222212112121 计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此2-2截面截面应取管出口内侧。若选应取管出口内侧。若选2-2截面为管出口外侧，计算过程有所不同。截面为管出口外侧，计算过程有所不同。)/(796.004.0785.036006.34222smdquv)(23.12.1796

30、.081.9212mh其中：其中：H1=h；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流速比管内因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流速比管内流速小得多，流速小得多，可以忽略不计可以忽略不计，即即u10；p1=0（表压）；（表压）；He=0 H2=0；p2=0（表压）；（表压）；Hf=1.2m将以上各值代入上式中，可确定高位槽液位的高度2022-8-436 2 2 气体气体 洗涤塔洗涤塔 5m 泵泵 气体气体 3 3 1m 1 1m 1 河水河水 例：如图所示，用泵将河水打入洗涤例：如图所示，用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道管道内径均为管道内径均

31、为0.1m，流量为流量为84.82m3/h，水在塔前管路中流动的总摩擦损失水在塔前管路中流动的总摩擦损失(从管从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计子口至喷头进入管子的阻力忽略不计)为为10J/kg，喷头处的压强较塔内压强高喷头处的压强较塔内压强高0.02MPa，水从塔中流到下水道，若泵水从塔中流到下水道，若泵的效率为的效率为65%，求泵的轴功率。，求泵的轴功率。泵所作的功不全是泵所作的功不全是有效的，考虑其效有效的，考虑其效率率，则泵轴消耗，则泵轴消耗的功率（轴功率）的功率（轴功率）PaPe/2022-8-437柏努利方程柏努利方程He=?塔内压强？塔内压强？截面的选取？截面的选取？解：解：取

32、塔内水面取塔内水面3-3为基准面，为基准面，取河水表面为取河水表面为1-1截面，截面，喷头内侧为喷头内侧为2-2截面，在截面，在1-1和和2-2截面间列柏努利方程。截面间列柏努利方程。eveagHqpp分析：分析：求求Pa求求He注意：注意：2022-8-438fehpugHWpugH2222221211式中式中：mHmh6121，01uAquV2表压），(01P（表压）621002.0p，kgJhf/10?eW21.04360082.84sm/32022-8-439将已知数据代入柏努利方程式将已知数据代入柏努利方程式 kgJWe/4.91meeqWp VeqW 1000360082.844.

33、91W2153泵的功率：泵的功率：eapp 65.02153W3313kW3.32022-8-44023 实际流体的流动实际流体的流动1.牛顿型流体牛顿型流体 流体在运动状态下，有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为流体在运动状态下，有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘粘性性。流体不管在静止还是在流动状态下，都具有粘性，。流体不管在静止还是在流动状态下，都具有粘性，但只有在流体但只有在流体流动时才能显示出来流动时才能显示出来。随流体状态的不同，粘性的差别非常悬殊。粘。随流体状态的不同，粘性的差别非常悬殊。粘性是流动性的反面。性是流动性的反面。由于由于粘性粘性存在，流体在管内流动时，存在，流体在

34、管内流动时，管内任一截面上各点的速度并不相同管内任一截面上各点的速度并不相同（1）粘性）粘性2-3.1粘度粘度feHgpguHHgpguH22221211222022-8-441(2)牛顿粘性定律牛顿粘性定律2022-8-442 实验证明实验证明,对于一定的液体对于一定的液体,内摩擦力内摩擦力F与两流体层的速度差与两流体层的速度差du成正比；与两层之间的垂直距离成正比；与两层之间的垂直距离d成反比成反比,与两层间的接触面与两层间的接触面积积A成正比，即成正比，即:dduAFdduAF比例系数，即流体的比例系数，即流体的动力动力粘度，单位为粘度，单位为Pas-剪应力，单位为剪应力，单位为pa此式

35、所显示的关系，称此式所显示的关系，称牛顿粘性定律牛顿粘性定律 满足牛顿粘性定律的流体称为满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体牛顿型流体(2)牛顿粘性定律牛顿粘性定律2022-8-443（a）定义式）定义式ddu 粘度的物理意义是粘度的物理意义是促使流体流动产生促使流体流动产生单位速度梯度单位速度梯度的剪应力。的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系粘度总是与速度梯度相联系,只有在运动时才显现出来只有在运动时才显现出来在在SI中中,粘度的为单位粘度的为单位:Pas此外，常用单位还有泊（此外，常用单位还有泊（P)、厘泊（、厘泊（cP）表示。）表示。cPPSPa1000101（3）粘度）粘度(b)单位单位

36、2022-8-444(c)影响因素影响因素 液体：液体：f（t）,与压强与压强p无关无关,温度温度t,。水（水（20），），1.005cP；油的粘度可达几十、到几百；油的粘度可达几十、到几百Cp。气体：气体：气体的粘度随压强增加而增加得很少气体的粘度随压强增加而增加得很少,在一般工程计算中可在一般工程计算中可予以忽略予以忽略,只有在极高或极低的压强下只有在极高或极低的压强下,才需考虑压强对气体粘度的影才需考虑压强对气体粘度的影响。响。p40atm时时f（t）与）与p无关，无关，温度温度t，理想流体理想流体（实际不存在）（实际不存在），流体无粘性，流体无粘性0（d）数据获取）数据获取 粘度是流体

37、物理性质之一，粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定其值由实验测定；某些某些常用流体的粘度常用流体的粘度,可以从本教材附录或可以从本教材附录或有关手册中查得。有关手册中查得。2022-8-445 流体流动型态有两种截然不同的类型，流体流动型态有两种截然不同的类型，一种是滞流（或层流）；另一种是滞流（或层流）；另一种为湍流（或紊流）。一种为湍流（或紊流）。两种流型在内部质点的运动方式，流动速度分两种流型在内部质点的运动方式，流动速度分布规律和流动阻力产生的原因都有所不同，但其布规律和流动阻力产生的原因都有所不同，但其根本的区别根本的区别还在于质点还在于质点运动方式的不同。运动方式的不同。2-3.

38、2 流体流动的型态流体流动的型态2022-8-446（1）雷诺实验）雷诺实验为了直接观察流体流动时内为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响动状况的影响,可安排如图所示的可安排如图所示的实验。这个实验称为实验。这个实验称为雷诺实验。雷诺实验。2022-8-447滞流（也称为层流）：滞流（也称为层流）：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转流动，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而转移，不产生流体质点的宏观混合。移，不产生流体质点的宏观混合。202

39、2-8-448湍流（也称为紊流）：湍流（也称为紊流）：流体在管内作湍流流动时，其质点作不流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，一层滑过一层的黏性流动情况基本消失，质规则的杂乱运动，一层滑过一层的黏性流动情况基本消失，质点间相互碰撞，产生大大小小的旋涡。点间相互碰撞，产生大大小小的旋涡。2022-8-449不稳定的过渡区：不稳定的过渡区：在该区域，可能是层流，也可能是湍流。在该区域，可能是层流，也可能是湍流。较易受外界条件的影响，很容易发生流型的转变。较易受外界条件的影响，很容易发生流型的转变。2022-8-450 实验证明实验证明，流体的流动状况是由多方面因素决定的，流体的流动状况

40、是由多方面因素决定的，流速流速u能能引起流动状况改变引起流动状况改变,而且而且管径管径d、流体的粘度、流体的粘度和密度和密度也可以。通过也可以。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为一个复合数群，进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为一个复合数群，此类数群称为特征数。此类数群称为特征数。（2）雷诺准数）雷诺准数duReRe准数是一个无因次数群准数是一个无因次数群。组成此数群的各物理量。组成此数群的各物理量,必须用一致必须用一致的单位表示。因此的单位表示。因此,无论采用何种单位制无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的只要数群中各物理量的单位一致单位一致,所算出的所算出的Re值必

41、相等。值必相等。此数群称为此数群称为雷诺数，雷诺数，以以Re表示，可判别流体的流动形态表示，可判别流体的流动形态2022-8-451对直管内的流动而言：对直管内的流动而言：Re 2000 层流区层流区 2000 Re 4000 湍流区湍流区 对于非圆形管道，计算对于非圆形管道，计算Re时，应以时，应以当量直径当量直径de代替代替特征数特征数中的中的直径直径d。当量直径的定义为：。当量直径的定义为：流体润湿的周边流体流过的横截面积 4ed（3）流型的判断）流型的判断圆形管道：圆形管道：de=d长方形管道（边长为长方形管道（边长为a、b):de=2ab/(a+b)套管（直径套管（直径d1、d2）：

42、）：de=d2-d12022-8-452流体流动受固体壁面影响（能感受到固体壁面存在）的区域流体流动受固体壁面影响（能感受到固体壁面存在）的区域（4）边界层）边界层边界层：边界层：流体的流速低于未受壁面影响的流速的流体的流速低于未受壁面影响的流速的99%的区域的区域(a)平板上的流动边界层平板上的流动边界层主流区：主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域在边界层以外，速度梯度接近为零的区域2022-8-453层流边界层：层流边界层：边界层内的流动类型为层流边界层内的流动类型为层流湍流边界层：湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流边界层内的流动类型为湍流层流内层：层流内层：边界层内近壁面处一薄

43、层，无论边界层内的流型为层流边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流。或湍流，其流动类型均为层流。层流内层层流内层的厚度虽然的厚度虽然不大，但黏附在壁面，成为传热和传质的不大，但黏附在壁面，成为传热和传质的主要阻力主要阻力。（4）边界层）边界层2022-8-454（b）圆管入口处的流动边界层发展）圆管入口处的流动边界层发展内摩擦：内摩擦：一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层：边界层：受内摩擦影响而产生速度梯度受内摩擦影响而产生速度梯度稳定段长度：稳定段长度：从管口到形成边界层所经历的管长，其长度与管从管

44、口到形成边界层所经历的管长，其长度与管的形状、管壁粗糙度及雷诺准数等因素有关的形状、管壁粗糙度及雷诺准数等因素有关2022-8-455边界层发展：边界层发展：边界层厚度边界层厚度 随流动距离增加而增加随流动距离增加而增加流动充分发展：流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也维持不变，充分边界层不再改变，管内流动状态也维持不变，充分发展的管内流型属层流还是湍流发展的管内流型属层流还是湍流取决于取决于汇合点处边界层内的流动属汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流层流还是湍流（b）圆管入口处的流动边界层发展）圆管入口处的流动边界层发展2022-8-456（c）流体在圆管内的速度分布）流体在圆管内的

45、速度分布滞流时的速度分布滞流时的速度分布 理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，如图所示。截面上各点速度的平均值等于管中心处最规律分布，如图所示。截面上各点速度的平均值等于管中心处最大速度大速度umax的的0.5倍。倍。2022-8-457湍流时的速度分布湍流时的速度分布 湍流时流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方湍流时流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律。法得出湍流时的速度分布规律。经实验测定经实验测定，湍流时圆管内的速度分布，湍流时圆管内的速度分布曲线如图所

46、示。速度分布比较均匀，速度分布曲线不再是严格的抛物线。曲线如图所示。速度分布比较均匀，速度分布曲线不再是严格的抛物线。管内流体的平均流速为管中央最大流速的管内流体的平均流速为管中央最大流速的0.8倍左右。倍左右。2022-8-458（d）流体流过曲面或障碍时的边界层分离）流体流过曲面或障碍时的边界层分离A点点流速为零流速为零压强最大压强最大驻驻点点加速减压加速减压C点点(umax，pmin)减速加压减速加压S点点(u=0，pmax)边界层分离边界层分离边界层的分离会边界层的分离会导致流体流动阻导致流体流动阻力的增大力的增大ABS 2022-8-45924 流体在圆管内流动时的阻力计算流体在圆管

47、内流动时的阻力计算24.1 滞流时的摩擦阻力滞流时的摩擦阻力 滞流滞流是流体作一层滑过一层的流动，是流体作一层滑过一层的流动，流动阻力流动阻力主要是流体主要是流体的的内部摩擦力。内部摩擦力。在流动过程中，阻力服从在流动过程中，阻力服从牛顿黏性定律。牛顿黏性定律。2022-8-460由压力差产生的推力由压力差产生的推力 221)(rpp流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力 drudrldudAF.)2(drudrlrpp.221)2()(流体柱所受的推力其表面滑动的摩擦力相等而方向相反流体柱所受的推力其表面滑动的摩擦力相等而方向相反因管半径为因管半径为R，整理并积分，得：，整理并积分，得：Ruldu

48、rdrp00022022-8-461将将u0=2u,d=2R,代入上式，整理得：代入上式，整理得：此式称为此式称为泊肃叶方程泊肃叶方程。将。将Re代入上式得：代入上式得：2Re642udlp或或232dulpPaPagudlHf2Re642m流体柱流体柱2022-8-46224.2 湍流时的摩擦阻力湍流时的摩擦阻力根据多方面得实验并进行适当数据处理后，得到如下公式：根据多方面得实验并进行适当数据处理后，得到如下公式：22udlpgudlHf22或或以上两式称为以上两式称为范宁公式。范宁公式。-称为称为摩擦阻力系数摩擦阻力系数。),(dudf2022-8-463 0.10 0.09 0.08 0

49、.07 0.05 0.04 0.06 0.03 0.05 0.02 0.015 0.04 0.01 0.008 0.006 0.03 0.004 0.025 d 0.002 0.02 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.015 0.0002 0.0001 0.00005 0.01 0.009 0.00001 0.008 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 103 104 105 106 107 108 0.000005 0.000001 雷诺数 du Re莫莫狄狄（Moody）图图层层流流区区湍湍流流区区Re64 过渡区阻力平方

50、区 d Re,d 水水力力光光滑滑管管 Re gudlHf222022-8-4641）摩擦因数图）摩擦因数图 a)层流区：层流区：Re2000，与与Re成直线关系，成直线关系，=64/Re。b)过渡区：过渡区：2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而管内流动随外界条件的影响而 出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。c)湍流区：湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，且在图中虚线以下处时，值随值随Re数的数的 增增大而减小。大而减小。d)完全湍流区：完全湍流区：图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随图中虚线以上的区域，摩擦系数基本上不随Re的变