3流体动力学(多媒体教案)

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1、BUCT第1.3节 流体动力学主要内容：主要内容：1.3.1 1.3.1 流体的流量与流速流体的流量与流速 1.3.2 1.3.2 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动 1.3.3 1.3.3 系统与控制体系统与控制体 1.3.4 1.3.4 连续定态流动系统的质量衡算连续定态流动系统的质量衡算 1.3.5 1.3.5 理想流体的机械能衡算理想流体的机械能衡算 1.3.6 1.3.6 实际流体的能量衡算实际流体的能量衡算 1 1.3.7 .3.7 例题例题1BUCT第1.3节 流体动力学1.3.1 流体的流量与流速1.3.1.1 流量单位时间内流体流经管道任一截面的流体量。（1）体积流量（

2、qV）单位时间内流体流经管道任一截面的流体体积单位为m3/s。（2）质量流量（qm）单位时间内流体流经管道任一截面的流体质量单位为kg/s。P16 - P26P16 - P262BUCT第1.3节 流体动力学（3）质量流量与体积流量之间的关系qm = qv1.3.1.2 流速 （1）点速度：是指单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离 （2）平均速度：流体在管道中的截面速度就是用体 积流量除以管道截面积 P16 - P26P16 - P263BUCT第1.3节 流体动力学（3）质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面的质量1.3.1.3 圆形管道直径的估算P16 - P26P16 - P26

3、4BUCT第1.3节 流体动力学uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费u d 设备费u流动阻力动力消耗操作费一般液体的流速为1-3m/s低压气体的流速为8-12m/sP16 - P26P16 - P265BUCT第1.3节 流体动力学1.3.2 定态流动与非定态流动P16 - P26P16 - P266BUCT第1.3节 流体动力学（1）定态流动 （液面高度不变）各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变 化，而不随时间变化；（2）非定态流动 （液面高度随时间变化）流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随 时间变化。P16 - P267BUCT第1.3节 流体动力学1.

4、3.3 系统与控制体（1）系统（物系）包含众多流体质点的集合。系统与外界可以有力的作用和能量的交换，但没有质量交换。系统的边界随着流体一起运动，因而系统的形状和大小都时间而变化。P16 - P26P16 - P268BUCT第1.3节 流体动力学（2）控制体当划定一固定的空间体积（比如某一化工设备）来考察问题，该空间体积称为控制体，构成控制体的界面称为控制面。控制面是封闭的固定界面流体可以自由进出控制体控制面上可以有力的作用与能量的交换P16 - P26P16 - P269BUCT第1.3节 流体动力学1.3.4 连续定态流动系统的质量衡算qm1qm21 212P16 - P26P16 - P

5、2610BUCT第1.3节 流体动力学（1）系统：连续定态流动，无流体增加和漏失的情况 （2）控制体：以1-1截面、2-2截面以及管内壁所围成的空间 （3）相关物流：qm1,qm2 （4）衡算方程：依据质量守恒定律，则qm1 = qm21u1A1 = 2u2A21u1A1 =2u2A2 = =uA = const连续性方程连续性方程qm2qm11212P16 - P26P16 - P2611BUCT第1.3节 流体动力学对于不可压缩流体，=const，则qv = u1A1 = u2A2 = uA = const 对于圆形管路，则u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2表明不可压缩性流体在圆形直

6、管中连续定态流动 时任意截面的流速与管内径的平方成反比。 讨论：表示的是一维连续定态流动的连续性方程在控制体内流体无增加和漏失的情况连续定态流动系统的管截面上流速变化规律不可压缩流体流速与管道的截面积成反比P16 - P26P16 - P2612BUCT第1.3节 流体动力学例：如图所示，管路由一段894mm的管1、一段 1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a 及3b连接而成。若水以910-3m3/s的体积流量流动， 且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的 流速。123a3bP16 - P26P16 - P2613BUCT第1.3节 流体动力学1.3.5 1.3.5 理想流

7、体的机械能衡算理想流体的机械能衡算 （1）研究对象理想流体：无粘性的流体称为理想流体。特点：流体在管截面上各质点的速度是均匀的，在流动过程中无能量损失（摩擦损失） （2）控制体选取截面（1-1截面和2-2截面）选取基准水平面（0-0截面）1-1和2-2截面以及管内壁所围成的空间为控制体。P16 - P26P16 - P2614BUCT第1.3节 流体动力学u1，A1 p1，100112Z22u2, A2 p2,2Z1P16 - P26P16 - P2615BUCT第1.3节 流体动力学（3）衡算基准质量为m kg的流体在管内作连续定态流动质量为1kg的流体在管内作连续定态流动 （4）区分进入量

8、与流出量进入量: 进入1-1截面的量（机械能） P16 - P26P16 - P261122Z100u1，A1 p1，1u2, A2 p2,2Z216BUCT第1.3节 流体动力学位能：流体受重力作用在不同高度所具有的能量质量为m kg的流体在1-1截面处的位能mgZ1质量为1 kg的流体在1-1截面处的位能gZ1注:基准水平面的选取P16 - P26P16 - P261122Z100u1，A1 p1，1u2, A2 p2,2Z217BUCT第1.3节 流体动力学动能：流体以一定的速度流动所具有的能量质量为m kg的流体在1- 1截面处的动能 质量为1kg的流体在1-1截面处的动能P16 -

9、P26P16 - P261122Z100u1，A1 p1，1u2, A2 p2,2Z218BUCT第1.3节 流体动力学静压能：要进入截面的流体必须具有使流体通过该截面进入系统所需的功相当的能量。质量为m kg、体积为V1 m3的流体进入1-1截面的静压能为 P16 - P26P16 - P26Z21122Z100u1，A1 p1，1u2, A2 p2,219BUCT第1.3节 流体动力学流出量：从2-2截面带出的量（机械能）机械能：位能、动能、静压能质量为1kg的流体所具有 的静压能为P16 - P26P16 - P261122Z100u2, A2 p2,2u1，A1 p1，1Z220BUC

10、T第1.3节 流体动力学（5）衡算方程根据能量守恒原则，对于控制体，输入的总机械 能必等于输出的总机械能。以m kg流体为基准的以1kg流体为基准的P16 - P26P16 - P2621BUCT第1.3节 流体动力学若为不可压缩性流体这就是不可压缩理想流体的机械能衡算这就是不可压缩理想流体的机械能衡算 式，称为伯努利方程。式，称为伯努利方程。 以单位重量流体为基准的P16 - P26P16 - P2622BUCT第1.3节 流体动力学（6）适用范围理想流体作连续定态流动。在流动过程中，控制体内与外界无外加能量。对于气体，只适用于管道两截面间压力差很小的情况。P16 - P26P16 - P2

11、623BUCT第1.3节 流体动力学（7）讨论重力射流说明位能与动能之间的相互转换AAhCC00P16 - P26P16 - P2624BUCT第1.3节 流体动力学ppa压力射流说明压强能与动能之间的相互转换112200P16 - P26P16 - P2625BUCT第1.3节 流体动力学驻点压强OS说明动能与压强能之间的相互转换P16 - P26P16 - P2626BUCT第1.3节 流体动力学Z=3mPau1u2112233例：流向判断水以7m3/h的流量如图 所示的文丘利管，在喉颈 处接一支管与下部水槽相 通。已知截面1处内径为 50mm，压强为1.96104Pa （表压），喉颈内径

12、为 15mm。试判断图中垂直支 管中水流的流向。设流动 无阻力损失，水的密度取 =1000kg/m3。P16 - P26P16 - P2627BUCT第1.3节 流体动力学1.3.6 1.3.6 实际流体的能量衡算实际流体的能量衡算 1.3.6.1 实际流体的伯努利方程（1）能量损失（ ）P16 - P26P16 - P26Z10011232328BUCT第1.3节 流体动力学用被流体吸收而使其升温。这一部分很小，通常忽 略不计。 通过管壁散失到周围介质中，这部分是损失掉了， 如何计算？用 表示单位质量流体损失的总能量。 单位为 。是一个过程函数，与所经的路径有关。 P16 - P26P16

13、- P2629BUCT第1.3节 流体动力学（2）外加功（ ）由于流体能够自发地从高能量向低能量处流动，但如果我们要求从能量低处向能量高处输送，我们就 需要外加功，这种外加功是由流体输送机械提供，流 体输送机械将机械能传给流体，我们将单位质量流体 从流体输送机械得到的能量用 来表示，单位为 。 P16 - P26P16 - P2630BUCT第1.3节 流体动力学1.3.6.2 伯努利方程的讨论（1） 位能动能静压能状态参数获得的能量消耗的能量过程函数P16 - P26P16 - P2631BUCT第1.3节 流体动力学（2）若输送的流体为理想流体，在1-1和2-2截面之间作连续定态流动，且无

14、外加能量，即：则： P16 - P26P16 - P2632BUCT第1.3节 流体动力学式中 ，说明该方程适用于不可压缩流体做连续定态流动。若是可压缩流体：当所取系统中两截面间的绝对压力变化小于原来绝对压力的20%，即 ，式中的密度 应以平均密度 来代替。P16 - P26P16 - P2633BUCT第1.3节 流体动力学若系统中的流体处于静止状态，即 ，因此流体没有运动，也没有能量损失，当然也不需要外加功， ,于是伯努利方程就要变为P16 - P26P16 - P2634BUCT第1.3节 流体动力学（3）12112212P16 - P26P16 - P2635BUCT第1.3节 流体动

15、力学结论：若 含有出口阻力损失，那么在选取2-2截面时，要取在出口外侧，此时的 ，因为流体脱离管道的束缚。若 不含有出口阻力损失，那么在选取2-2截面时要么取在出口内侧，此时的 为管道的流速，因为流体还未脱离管道的束缚。1122P16 - P26P16 - P2636BUCT第1.3节 流体动力学（4）是表示单位质量流体从流体输送机械所获得的 功，则单位时间流体输送机械所作的有效功（有效 功率）。 Ne = qm We实际上流体输送机械本身还有能量转换效率，则 流体输送机械实际消耗的功率应为N = Ne/P16 - P26P16 - P2637BUCT第1.3节 流体动力学（5）以单位质量流体为基准以单位重量流体为基准 以单位体积流体为基准 P16 - P26P16 - P2638BUCT第1.3节 流体动力学1.3.6.3 伯努利方程式的物理意义P16 - P26P16 - P2639BUCT第1.3节 流体动力学1.3.6.4 伯努利方程式的应用（1）画出流程，用箭头标出流动方向，指出