流体力学， 泵与风机

1. 流体力学，泵与风机

2. 流体力学： • 研究流体的运动和平衡规律，以及流体与固体之间相互作用的一门科学。 • 换句话说，流体力学的主要任务是研究流体与物体之间的相互作用，以及流体在静止或运动时所遵循的基本规律。

3. 目录 • 1.流体的物理性质 • 2.流体的机械能守恒 • 3.流动阻力及管路特性曲线 • 4. 流体机械的分类和结构 • 5. 流体压力的测量

4. 1.流体的基本物理性质 • (1)粘性 • (2)可压缩性 • (3)易流动性 • （即受剪切力作用可产生变形）

5. 1.1 流体作为连续介质的假设 • 在研究宏观的流体流动时不考虑流体分子之间的间隙，而将流体看作是由无数流体质点连续地、无空隙地充满的介质。

6. 1.2 流体的压力，密度 • 压力： 流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压力，简称压力P（Pa）。其表达式： • P=F/A • 单位：Pa (1Pa=1N/m2) • 单位换算： • 1MPa=106Pa • 1bar=0.1Mpa • 1mmH2O=0.918Pa • 1atm=1.0133*105Pa

7. 压力流体的性质 • （1）流体压力的方向总是于作用面垂直，并指向作用面 • （2）静止流体内部任意点处的流体静压力在各方向上是相等的。

8. 流体的密度: • 流体的密度指单位体积流体的质量。密度随流体种类、压力而变化。 流体的比体积—流体密度的倒数称为比容。

9. 1.3 压缩性与膨胀性 • 流体的压缩性：流体受到压缩体积就要变小的特性。 • 在一般工程中，通常把气体作为可压缩流体来处理。 • 流体的膨胀性：物体具有热胀冷缩的性质，流体也不例外，称为流体的膨胀性。

10. 1.4 流体的粘性 两板间的流体速度u呈线性分布 μ为比例系数，通常称作动力粘度，是个物性系数，与流体的种类、温度有关。

11. 牛顿内摩擦定律 • 单位面积的摩擦阻力： • 牛顿内摩擦定律：单位面积的摩擦力与速度梯度成正比，其比例系数为μ。

12. 粘性流体 • 实际流体均具有粘性，即μ≠0，所以实际流体又称为粘性流体。 • μ＝0的流体则称为理想流体。 • 静止流体，粘性表现不出来，所以对流体力学而言，静止流体既可作为理想流体，也可作为粘性流体。

13. 2 流体力学基础 • 流动的几个基本概念 • 层流与紊流 • 管内流速分布 • 流体动力学基本方程

14. 2.1 流体流动的几个基本概念 • 迹线 ——某一流体质点在一段时间内运动的轨迹。 • 流线―流线是一条空间曲线，在某一瞬时，此曲线上每一点的速度矢量总是在该点与此曲线相切。

15. 流线： • 在定常流动条件下，任意一流体质点总有自己确定的轨迹，流线不能相交，因为在同一瞬时，同一空间点上不可能有几个流动方向。 定常流动时，流线与迹线重合，且流线形状及位置始终不变。而在非定常流动时，流线要随时间变化。

16. 有效截面: • 若截面与流束中每一流线都正交，此截面称为有效截面。 • 对不同的截面，有效截面可以如图选取。

17. 流量——单位时间通过有效截面的流体量。 • 体积流量 m3/s • 重量流量 N/s • 质量流量 kg/s

18. 2.2 流体的机械能守恒 • 机械能：由流体的位置、压力和运动所决定的位能、压力能和动能。 • 位能：mgz • 压力能：mp/ • 动能：mv2/2 • 比机械能：1kg流体所具有的位能、压力能和动能的总和。 • 比位能：gz • 比压力能：p/ • 比动能：v2/2

19. 流体的机械能守恒 • 静止流体和运动流体都遵循能量的守恒原理，用一个统一的关系式进行描述。 • 位置1流体比机械能 • = 位置2流体比机械能+1和2间比能量损失

20. 理想流体的伯努利方程 • 如果质量力仅仅是重力f=mg • z为单位重量流体具有的位势能，又称位置高度或位置水头； • 为单位重量流体具有的压强势能，又称压强高度或压强水头； • 为单位重量流体具有的动能，又称速度水头或动压头。

21. 整个流场所有各点的总机械能为一常数。 能量方程中，压强标准要一致。

22. 流体中总水头线是沿程下降的，而测压管水头线可沿程上升、下降或不变。流体中总水头线是沿程下降的，而测压管水头线可沿程上升、下降或不变。

23. 2.3 流体动力学基本方程 • （1） 流体流动的连续性方程 ： • 流入控制面的流体质量 • ＝ 流出控制面的流体质量

24. （2）能量方程 • 理想流体的伯努利方程 • 粘性流体总流的伯努利方程 • 流体力学的基本方程： • 连续性方程 • 伯努利方程

25. 粘性流体总流的伯努利方程 • 对于粘性流体，由于存在摩擦阻力，耗掉了流体的部分机械能，所以总机械能逐步减少。 • 粘性流体管流，测压管水头线沿程的变化可能上升，下降，或保持不变。

26. 流体流动基本方程的应用 • 求流速 • 求压力 • 同时求流速和压力

27. 3 流动阻力及管路特性曲线 • 流态的判断 • 流动阻力 • 管路特性曲线

28. 3.1 层流与紊流:

29. 流动状态的判定 • 雷诺数 Re：反映惯性力与粘性力的对比关系 • 临界雷诺数 Re • 层流 • 湍流

30. 3.2 管内流速分布 • 一般情况下，某一截面（例如：管内流动的某一截面）的流体速度分布并非线性函数，而是曲线分布。

31. 圆管内的速度分布 • 工程计算中,使用界面平均速度v。 • 对于圆管内的层流流动： • 对于圆管内的湍流流动：

32. 3.3 管路能量损失 • 粘性流体沿管道流动的总流伯努里方程为 • hw是粘性流体从截面1流到截面2处，单位重量流体所损失的能量，它等于所有沿程损失和局部损失之和，即：

33. 沿程损失hf是在每段缓变流区域内单位重量流体沿流程的能量损失。沿程损失hf是在每段缓变流区域内单位重量流体沿流程的能量损失。 • λ为沿程损失系数，它与流体的粘度，流速、管道内径和管壁粗糙度等因素有关，是一个无量纲系数，除层流流动外，一般需要由试验确定。

34. 局部损失 • 局部损失hj是当管道中因截面面积或流动方向的改变所引起的流动急剧变化时，单位重量流体的能量损失，通常表示为 • 式中 称为局部损失系数，也是一个无量纲系数，根据引起流动的各种管件，由试验来确定。

35. 总损失 • 总损失hw等于各段沿程损失hf和局部损失hj之和。 • 若求沿程损失hf和局部损失hj，就必须确定沿程损失系数λ和局部损失系数 。

36. 3.4 圆管中的层流流动 • 圆管中层流流动过流断面上的流速分布为旋转抛物面，流速分布： • 圆管中层流流动沿程压强损失与速度的一次方成正比。沿程能量损失，简称沿程损失为：

37. 非圆截面管路沿程损失的计算 • 非圆截面管道的沿程损失， • 当量直径则定义为： • A—过水截面面积； • x—湿周； • R—水力半径。

38. 非圆截面管道 • 对充满流体的矩形截面管道 • 充满流体的环形截面管道 • 充满流体的管束（流动为垂直于纸面方向的纵掠）。

39. 3.5 管路中的局部损失 • 当流体流过阀门、变截面管道（例如管道截面突然扩大和缩小）、弯管等管件时，由于流动状态急剧变化，流体质点之间发生碰撞、产生旋涡等原因，在管件附近的局部范围内产生的能量损失，称为局部损失或局部阻力。

40. 局部损失 • 管道截面突然扩大

41. 弯管 • 弯管也是管路系统中的常用管件，弯管可引起另外一种典型的局部损失，但弯管只改变流体的流动方向，不改变平均流速的大小。 • 弯管的局部阻力主要包括两部份：（1）旋涡损失；（2）二次流损失。

42. 减小局部损失的措施 • 1.管道进口：尽量将管道的进口加工成圆滑的进口，实验证明，圆滑的进口可减少局部损失系数90%以上。

43. 2．弯管 • 避免在弯管的内外侧产生较大的旋涡区，又可减小二次流的范围。

44. 3．三通 • 为减小流体流过三通的局部损失，可在总管中安装合流板与分流板，如下图所示。或者尽可能地减小支管与合流管之间的夹角。

45. 减少局部损失的方法： • 主要思想： • 尽量将管件转角加工成圆角，使突然扩大和突然缩小改变成逐渐扩大与逐渐缩小，并选择最佳的扩散角。并尽量使管件的边壁接近流线型，以避免旋涡的产生。

46. 3.6 管路计算 • 因为管路系统的能量损失，包括沿程损失和局部损失两种，通常根据这两种能量损失在总能量损失中所占比例的大小而将管道分为长管与短管。 • 按结构形式分：管径及流量沿程没有发生变化的管路，为简单管路；而管径及流量沿程没有发生变化的为复杂管路；

47. 所谓长管即计算管路总能量损失时，以沿程损失为主，速度水头与局部损失之和小于沿程损失的5%，即 • 所谓短管即局部损失和速度水头之和占总能量损失中相当大的一部分。

48. 用于管路计算的公式也有三个，即： • （1）连续方程 • （2）伯努利方程 • 其中E为管路系统的外加能量，例如管路中串联一台泵，则E为泵的扬程。

49. （3）管路能量损失公式

50. 简单管路 • 简单管路就是管路直径不变，没有支管分出的管路。在简单管路中流速沿流程不变。