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1、会计学1理学第一章流体理学第一章流体(lit)流动流动第一页，共119页。2023/2/272第1页/共119页第二页，共119页。2023/2/273 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间间隙隙的的流流体体质质点点（或或微微团团）所所组组成成(z(z chn)chn)的的连连续续介介质。质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。
2、流体。第2页/共119页第三页，共119页。2023/2/274 流体流体(lit)(lit)的可压缩性的可压缩性 不不可可压压缩缩性性流流体体：流流体体的的体体积积不不随随压压力力(yl)变变化化而变而变 化，如液体；化，如液体；可可压压缩缩性性流流体体：流流体体的的体体积积随随压压力力(yl)发发生生变变化，化，如气体。如气体。第3页/共119页第四页，共119页。2023/2/275一、压力一、压力(yl)流流体体垂垂直直作作用用于于单单位位面面积积上上的的力力，称称为为(chn(chn wi)wi)流体的静压强，习惯上又称为流体的静压强，习惯上又称为(chn wi)(chn wi)压力
3、。压力。1.压压力力(yl)的的单单位位 SI制：制：N/m2或或Pa；标准大气压：标准大气压：1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33m H2O第一节第一节 流体静力学流体静力学第4页/共119页第五页，共119页。2023/2/2762.压力压力(yl)的表示方法的表示方法 绝绝对对压压力力 以以绝绝对对真真空空(zhnkng)(zhnkng)为为基基准准测测得得的的压力。压力。表表压压或或真真空空(zhnkng)(zhnkng)度度 以以大大气气压压为为基基准准测测得得的压力。的压力。第5页/共119页第六页，共119页。2023/2/277表表 压压=绝绝对对(jud
4、u)压压力力 大大气压力气压力真真 空空 度度=大大 气气 压压 力力 绝绝 对对(judu)压力压力绝绝 对对 压压力力 绝绝 对对 压压力力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 大气压大气压 第6页/共119页第七页，共119页。2023/2/278 流流体体压压力力与与作作用用面面垂垂直直(chuzh)(chuzh)，并并指指向向该该作用面；作用面；任任意意界界面面两两侧侧所所受受压压力力，大大小小相相等等、方方向向相相反；反；作作用用于于任任意意点点不不同同方方向向上上的的压压力力在在数数值值上上均均相相同。同。3.静压力静压力(yl)的特性的特性第7页/共119页第八页，共11
5、9页。2023/2/279二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积（一）密度（一）密度 单位单位(dnwi)体积流体的质量。体积流体的质量。kg/m3 1.单组分密度单组分密度(md)液液体体 密密度度(md)仅仅随随温温度度变变化化（极极高高压压力力除除外外），其变其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。第8页/共119页第九页，共119页。2023/2/2710 气气体体 当当压压力力不不太太高高、温温度度(wnd)不不太太低低时时，可可按按理想理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算：注意：手册中查得的气体注意：手册中查得的气体(qt)密度均为一定压力与温度密度均为一定压力
6、与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。第9页/共119页第十页，共119页。2023/2/27112.混合物的密度混合物的密度(md)混合气体混合气体 各组分在混合前后各组分在混合前后(qinhu)质量不变，则质量不变，则有有 气体混合物中各组分气体混合物中各组分(zfn)的体积分数。的体积分数。或或混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量；气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔(体积体积)分数。分数。第10页/共119页第十一页，共119页。2023/2/2712 混混合合液液体体 假假设设各各组组分分(zfn)在在混混合合前前后后体体积
7、积不不变变，则则有有 液液体体混混合合物物中中各各组组分分(zfn)的的质量分数。质量分数。（二）比体积（二）比体积单位质量单位质量(zhling)流体的体积。流体的体积。m3/kg第11页/共119页第十二页，共119页。2023/2/2713重重力力场场中中对对液液柱柱进进行行(jnxng)受受力力分分析：析：（1）上上端端面面(dunmin)所受总压力所受总压力 （2）下下端端面面(dunmin)所所受总压力受总压力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力设流体不可压缩，设流体不可压缩，p0p2p1z1z2G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下三、三、流体静力学基本方程式流体静力学
8、基本方程式 第12页/共119页第十三页，共119页。2023/2/2714液液柱柱处处于于静静止止时时，上上述述(shngsh)(shngsh)三三力力的的合合力力为为零零:静力学基本(jbn)方程 式压压 力力(yl)形式形式能量形式能量形式第13页/共119页第十四页，共119页。2023/2/2715讨讨论论(toln)：（1）适适用用于于重重力力场场中中静静止止、连连续续的的同同种种(tn zhn)不不可可压缩性流体；压缩性流体；（2）物理意义：）物理意义：单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kg；单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J
9、/kgJ/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换压能各不相同，但二者可以转换(zhunhun)(zhunhun)，其总和保，其总和保持不变持不变 。第14页/共119页第十五页，共119页。2023/2/2716（3）在在静静止止的的、连连续续的的同同种种(tn zhn)流流体体内内，处处于于同同一一水水平平面面上上各各点点的的压压力力处处处处相相等等。压压力力相相等等的的面面称为等压面。称为等压面。（4）压压力力具具有有传传递递性性：液液面面上上方方压压力力变变化化时时，液液体体内内部各点的压力也将发生相应的
10、变化。部各点的压力也将发生相应的变化。第15页/共119页第十六页，共119页。2023/2/2717四、静力学基本方程四、静力学基本方程(fngchng)(fngchng)的应用的应用 （一一）压压力力(yl)测量测量 1.U形管液柱压差形管液柱压差(y ch)计计 设指示液的密度为设指示液的密度为 ，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，即而而p1p2mRAA第16页/共119页第十七页，共119页。2023/2/2718所所 以以(suy)整整理理(zhngl)得得若被测流体是气体，若被测流体是气体，则有，则有第17页/共119页第十八页，共119页。2
11、023/2/2719讨讨 论论(toln)：U U形形管管压压差差计计可可测测系系统统内内两两点点的的压压力力差差，当当将将U U形形管管一一端端(ydun)(ydun)与与被被测测点点连连接接、另另一一端端(ydun)(ydun)与与大大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；气相通时，也可测得流体的表压或真空度；指示液的选取：指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。应应根根据据(gnj)(gnj)被被测测流流体体的的种种类类及及压压差差的的大大小小选选择择指指示液。示液。第18页/共11
12、9页第十九页，共119页。2023/2/27202.倒倒U形管压差形管压差(y ch)计计 指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，如空气如空气(kngq)作为指示剂作为指示剂 第19页/共119页第二十页，共119页。2023/2/27213.斜管压差斜管压差(y ch)计计 适用于压差适用于压差(y ch)较小的情况。较小的情况。值值越越小小，读读数数(dsh)(dsh)放放大大倍倍数数越越大。大。第20页/共119页第二十一页，共119页。2023/2/2722 密密度度(md)(md)接接近近但但不不互互溶溶的的两两种种指指示示 液液A A和和C C ；4.微差压差微差
13、压差(y ch)计计 扩扩大大(kud)(kud)室室内内径径与与U U管管内内径径之之比应大于比应大于10 10。第21页/共119页第二十二页，共119页。2023/2/2723（二二）液液 位位 测测 量量(cling)1.1.近距离液位测量近距离液位测量(cling)(cling)装置装置 压压 差差 计计 读读 数数 R R反反 映映(fnyng)(fnyng)出容器出容器内的液面高度。内的液面高度。液液面面越越高高，h越越小小，压压差差计计读读数数R越越小小；当当液液面面达到最高时，达到最高时，h为零，为零，R亦为零。亦为零。第22页/共119页第二十三页，共119页。2023/2
14、/27242.2.远距离液位测量远距离液位测量(cling)(cling)装置装置 管管道道中中充充满满氮氮气气，其其密密度度(md)(md)较较小小，近似认为近似认为 而而所所 以以(suy(suy)AB第23页/共119页第二十四页，共119页。2023/2/2725（三）（三）液封高度液封高度(god)的计算的计算 液封作用：液封作用：确确保保设设备备安安全全：当当设设备备内内压压力力超超过过规规定定值值时时，气气体体从液封管排出；从液封管排出；防防止止(fngzh)(fngzh)气气柜柜内内气气体泄漏。体泄漏。液液封封高高度度(god)：第24页/共119页第二十五页，共119页。20
15、23/2/2726第第二二节节 管管内内(un(un ni)ni)流体流动的基本方程流体流动的基本方程 1.体积流量体积流量 单位单位(dnwi)时间内流经管道任意截面的流体体积。时间内流经管道任意截面的流体体积。qVm3/s或或m3/h2.质量流量质量流量 单位单位(dnwi)时间内流经管道任意截面的流体质量。时间内流经管道任意截面的流体质量。qmkg/s或或kg/h。二二 者者 关关 系系(gun x)：（一）流量（一）流量一、一、流量与流速流量与流速第25页/共119页第二十六页，共119页。2023/2/2727（二）流速（二）流速(li s)2.2.质量流速质量流速 单位时间单位时间
16、(shjin)(shjin)内流经管道单位截面积的流体质量。内流经管道单位截面积的流体质量。1.1.流速流速 （平均流速）（平均流速）2.2.单单位位时时间间内内流流体体质质点点在在流流动动方方向向(fngxing)(fngxing)上上所所流流经经的距离。的距离。kg/（m2s）流量与流速的关系：流量与流速的关系：m/s第26页/共119页第二十七页，共119页。2023/2/2728对对于于(duy)(duy)圆圆形形管道：管道：流流量量qVqV一一般般(ybn)(ybn)由由生生产产任任务务决定。决定。流流速速(li s)选选择：择：3.管径的估算管径的估算 d 设备费用设备费用 流动阻
17、力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均均衡衡考考虑虑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第27页/共119页第二十八页，共119页。2023/2/2729 二、稳态流动(lidng)与非稳态流动(lidng)稳稳态态流流动动：各各截截面面上上的的温温度度(wnd)(wnd)、压压力力、流流速速等等物物理理量仅随位置变化，而不随时间变化；量仅随位置变化，而不随时间变化；非非稳稳态态流流动动：流流体体在在各各截截面面上上的的有有关关物物理理量量既既随随位位置置(wi zhi)(wi zhi)变化，也随时间变化。变化，也随时间变化。第28页/共119页第二十九页，共119页
18、。2023/2/2730三、三、连续性方程式连续性方程式 对对于于稳稳态态流流动动系系统统，在在管管路路中中流流体体(lit)(lit)没没有有增增加加和和漏失的情况下：漏失的情况下：推推广广至至任任意意(rny)(rny)截面截面 连续性方程式连续性方程式11 2 2第29页/共119页第三十页，共119页。2023/2/2731不不 可可 压压 缩缩 性性 流流 体体(lit)(lit)，圆圆形形管管道道(gundo)(gundo)：即即不不可可压压缩缩流流体体在在管管路路中中任任意意截截面面的的流流速速与与管管内内径径(ni jn)(ni jn)的平方成反比的平方成反比 。第30页/共1
19、19页第三十一页，共119页。2023/2/2732四、伯四、伯努利方程式努利方程式（一）伯努利方程式（一）伯努利方程式dxpA(p+dp)A gdmdz在在x方向方向(fngxing)上对微元段受力分析：上对微元段受力分析：（1）两两端端面面所所受受压压力力(yl)分别为分别为及及（2）重力）重力(zhngl)的分量的分量故合力为故合力为第31页/共119页第三十二页，共119页。2023/2/2733动动量量(dngling)变化率变化率动动量量(dngling)原理原理伯努利方程式伯努利方程式 不不 可可 压压 缩缩 性性 流流 体体(lit)(lit)，（1）第32页/共119页第三十
20、三页，共119页。2023/2/2734（二）伯努利方程式的物理（二）伯努利方程式的物理(wl)意义意义单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kg；单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kg；单位质量流体所具有的动能，单位质量流体所具有的动能，J/kg。各项意义各项意义(yy)：第33页/共119页第三十四页，共119页。2023/2/2735将将(1)(1)式式各各项项同同除除重重力力(zhngl)(zhngl)加加速度速度g:g:（2）式式 中中 各各 项项 单单 位位(dnwi)为为z 位压头位压头动压头动压头静压头静压头总压头总压头第34页/共1
21、19页第三十五页，共119页。2023/2/2736 式式（1）为为以以单单位位质质量量流流体体为为基基准准的的机机械械能能衡衡算算式式，式式（2）为为以以重重量量流流体体为为基基准准的的机机械械能能衡衡算算式式，表表明明理理想想流流体体在在流流动动过过程程中中任任意意截截面面上上总总机机械械能能、总总压压头头为为常常数数，三三种能量形式可以种能量形式可以(ky)相互转换。相互转换。第35页/共119页第三十六页，共119页。2023/2/2737Hz2210第36页/共119页第三十七页，共119页。2023/2/2738五、实际流体五、实际流体(lit)的机械能衡算式的机械能衡算式（一）实
22、际（一）实际(shj)流体机械能衡算式流体机械能衡算式第37页/共119页第三十八页，共119页。2023/2/2739（2）外加功（外加压头）外加功（外加压头）1kg流流体体(lit)从从流流体体(lit)输输送送机机械械所所获获得得的的能能量量为为W(J/kg)。（1）能能量量(nngling)损损失失（压压头头损损失）失）设设1kg流体流体(lit)损失的能量为损失的能量为hf（J/kg）。）。（3）（4）或或伯努利方程式伯努利方程式 第38页/共119页第三十九页，共119页。2023/2/2740其其 中中(qzhng)He外外加加压压头头或或有有效效(yuxio)压压头头，m;hf
23、压头压头(y tu)损失，损失，m。（二）伯努利方程的讨论（二）伯努利方程的讨论（1 1）若若流流体体处处于于静静止止，u=0，hf=0，W=0，则则柏柏努努利利方程变为方程变为 说说明明柏柏努努利利方方程程即即表表示示流流体体的的运运动动规规律律，也也表表示示流流体静止状态的规律体静止状态的规律。第39页/共119页第四十页，共119页。2023/2/2741 W、hf 在在两两截截面面间间单单位位质质量量(zhling)流流体体获获得得或消耗的能量。或消耗的能量。（2）zg、某某截截面面上上单单位位质质量量流流体体所所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能；有有效效(yuxio)
24、(yuxio)功功率率 ：轴功率轴功率：第40页/共119页第四十一页，共119页。2023/2/2742（3）伯努利方程）伯努利方程(fngchng)式适用于不可压缩性流体。式适用于不可压缩性流体。对对于于可可压压缩缩性性流流体体，当当 时时，仍仍可可用用该该方方程程(fngchng)计计算算，但但式式中中的的密密度度应应以以两两截截面面的的平平均均密密度度m代替。代替。第41页/共119页第四十二页，共119页。2023/2/2743（三三）伯伯努努利利方方程程(fngchng)(fngchng)的的应应用用 管内流体的流量；管内流体的流量；输送设备的功率；输送设备的功率；管路中流体的压力
25、；管路中流体的压力；容容器器(rngq)间间的的相相对对位置等。位置等。利利用用(lyng)伯伯努努利利方方程程与与连连续续性性方方程程，可可以以确定：确定：第42页/共119页第四十三页，共119页。2023/2/2744（1）根根据据题题意意画画出出流流动动系系统统的的示示意意图图，标标明明流流体体(lit)的的流流动动方方向向，定定出出上上、下下游游截截面面，明明确确流流动动系统的衡算范围系统的衡算范围；（2）位能基准面的选取）位能基准面的选取 必须必须(bx)与地面平行；与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面；若若截截面面不不是是水水平平面面，而而是
26、是垂垂直直于于地地面面，则则基基准准面面应应选选过管中心线的水平面。过管中心线的水平面。第43页/共119页第四十四页，共119页。2023/2/2745（4）各各物物理理量量的的单单位位应应保保持持一一致致，压压力力(yl)表表示示方方法法也也应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。（3）截面的选取）截面的选取 与流体的流动方向相垂直与流体的流动方向相垂直(chuzh)；两截面间流体应是定态连续流动；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。第44页/共119页第四十五页，共119页。2023/2/2746（一一）牛牛顿
27、顿(ni dn)粘粘性定律性定律 或或Fuududy式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N；剪应力，剪应力，Pa；法向速度梯度，法向速度梯度，1/s；比例系数，称为流体的粘度，比例系数，称为流体的粘度，Pas 。一、流体一、流体(lit)的粘度的粘度 第三节第三节 管内流体管内流体(lit)流动流动现象现象第45页/共119页第四十六页，共119页。2023/2/2747（二）流体（二）流体(lit)的粘度的粘度（动力粘度）（动力粘度）1.1.粘度的物理意义粘度的物理意义 流流体体流流动动时时在在与与流流动动方方向向垂垂直直的的方方向向上上产产生生单位单位(dnwi)(dnwi)速度梯度所需的剪
28、应力。速度梯度所需的剪应力。液体液体:T 气体气体:一般一般T 超高压超高压p 粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动(yndng)与碰撞。与碰撞。第46页/共119页第四十七页，共119页。2023/2/27482.粘度粘度(zhn d)的单位的单位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)物理物理(wl)制：制：cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP10-3 Pas3.运动粘度运动粘度(zhn d)粘度粘度(zhn d)与密度与密度之比。之比。m2/s第47页/共119页第四十八页，共119页。2023/2/2749（三三）剪剪 应应 力力 与与
29、动动 量量(dngling)通量通量 分分子子动动量量传传递递是是由由于于(yuy)流流体体层层之之间间速速度度不不同同，动动量量由速度大处向速度小处传递。由速度大处向速度小处传递。动动量量通通量量：单单位位时时间间、通通过过单单位位面面积积(min j)传传递递的的动量。动量。剪应力动量通量剪应力动量通量第48页/共119页第四十九页，共119页。2023/2/2750动动量量(dngling)浓浓度梯度度梯度运运动动粘粘度度(zhn d)或或动动量量扩扩散系数散系数动动量量(dngling)通通量量动动量量(dngling)扩扩散系数散系数动量动量(dngling)浓度梯度浓度梯度第49页
30、/共119页第五十页，共119页。2023/2/2751牛牛顿顿型型流流体体：剪剪应应力力与与速速度度(sd)(sd)梯梯度度的的关关系系符符合合牛顿牛顿 粘性定律的流体；粘性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。（四四）牛牛顿顿(ni dn)型型流流体体与与非非牛牛顿顿(ni dn)型型流流体体 第50页/共119页第五十一页，共119页。2023/2/2752二二、流流体体(lit)(lit)流流动动类类型型与与雷雷诺诺数数 （一一）雷雷 诺诺 实实 验验(shyn)第51页/共119页第五十二页，共119页。2023/2/2753 层
31、层流流（或或滞滞流流）：流流体体(lit)质质点点仅仅沿沿着着与与管管轴轴平平行行的的方方向向作作直直线线运运动动，质质点点无无径径向向脉脉动动，质质点点之间互不混合；之间互不混合；湍湍流流（或或紊紊流流）：流流体体质质点点除除了了沿沿管管轴轴方方向向向向前前(xin qin)流流动动外外，还还有有径径向向脉脉动动，各各质质点点的的速速度度在在大大小小和和方方向向上上都随时变化，质点互相碰撞和混合。都随时变化，质点互相碰撞和混合。（二二）流流型型判判据据(pn j)雷诺准数雷诺准数 无因次数群无因次数群第52页/共119页第五十三页，共119页。2023/2/27541.判断判断(pndun)
32、流型流型2.Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；3.Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；4.2000 Re 4000 时时，流流动动可可能能是是层层流流，也也可可能能是是湍湍流，该区称为不稳定的过渡区。流，该区称为不稳定的过渡区。2.物理物理(wl)意义意义 Re反反映映(fnyng)了了流流体体流流动动中中惯惯性性力力与与粘粘性性力力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。第53页/共119页第五十四页，共119页。2023/2/2755三三、流流体体(lit)(lit)在
33、在圆圆管管内内的的速速度度分布分布（一一）层层流流(cn(cn li)li)时时的的速度分布速度分布 第54页/共119页第五十五页，共119页。2023/2/2756由由压压力力(yl)(yl)差差产产生生的的推力推力 流流体体(lit)(lit)层层间间内内摩摩擦力擦力 管壁处管壁处rR时，时，0，可得速度分布方程，可得速度分布方程 第55页/共119页第五十六页，共119页。2023/2/2757管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即r0时，时，umax 管管截截面面(jimin)(jimin)上上的的平平均均速度速度:即即层层流流流流动动(lidng)(lidng)时时的的平平均均速
34、速度度为为管管中中心心最最大大速速度度的的1/21/2。即流体在圆形直管内层流流动即流体在圆形直管内层流流动(lidng)时，其速度呈抛物线分布。时，其速度呈抛物线分布。第56页/共119页第五十七页，共119页。2023/2/2758（二）湍流时的速度（二）湍流时的速度(sd)(sd)分布分布 剪应力剪应力：e为湍流粘度，与流体为湍流粘度，与流体(lit)的流动状况有关。的流动状况有关。湍湍 流流 速速 度度(sd)分分 布布 的的经验式：经验式：第57页/共119页第五十八页，共119页。2023/2/2759n与与Re有关有关(yugun)，取值如下：，取值如下：1/7次方定律次方定律当
35、当 时，流体的平均速度时，流体的平均速度:第58页/共119页第五十九页，共119页。2023/2/2760湍流湍流(tunli)流动时：流动时：第59页/共119页第六十页，共119页。2023/2/2761湍流流动时沿径向分为湍流流动时沿径向分为(fn wi)三层：三层：湍流主体湍流主体 过渡层过渡层 层流内层层流内层第60页/共119页第六十一页，共119页。2023/2/2762第四节第四节 管内流体管内流体(lit)流动的流动的摩擦阻力损失摩擦阻力损失直直管管阻阻力力：流流体体流流经经一一定定直直径径的的直直管管时时由由于于(yuy)(yuy)内内摩摩擦擦而而 产生的阻力；产生的阻力
36、；局局部部阻阻力力：流流体体流流经经管管件件、阀阀门门等等局局部部地地方方由由于于(yuy)(yuy)流流速速 大小及方向的改变而引起的阻力。大小及方向的改变而引起的阻力。一、直管阻力一、直管阻力(zl)（一）阻力的表现形式（一）阻力的表现形式 第61页/共119页第六十二页，共119页。2023/2/2763流流体体在在水水平平等等径径直直(jngzh)管管中中作作定定态态流动。流动。第62页/共119页第六十三页，共119页。2023/2/2764若若管管道道(gundo)(gundo)为为倾倾斜斜管管，则则 流体的流动流体的流动(lidng)(lidng)阻力表现为静压能的减少；阻力表现
37、为静压能的减少；水水平平安安装装时时，流流动动(lidng)(lidng)阻阻力力恰恰好好等等于于两两截截面的静压能之差。面的静压能之差。第63页/共119页第六十四页，共119页。2023/2/2765（二二）直直管管阻阻力力(zl)的的通通式式 由于由于(yuy)(yuy)压力差而产生的推动力：压力差而产生的推动力：流体流体(lit)(lit)的摩擦力：的摩擦力：令令 定态流动时定态流动时第64页/共119页第六十五页，共119页。2023/2/2766直管阻力直管阻力(zl)通式（范宁通式（范宁Fanning公式）公式）其其 它它(qt)形式：形式：摩擦系数（摩擦因数）摩擦系数（摩擦因数
38、）则则 J/kg压头损失压头损失m压力损失压力损失Pa 该公式层流与湍流均适用；该公式层流与湍流均适用；注意注意 与与 的区别。的区别。第65页/共119页第六十六页，共119页。2023/2/2767（三）层流（三）层流(cn li)时的摩擦系数时的摩擦系数 速速 度度 分分 布布(fnb)方程方程又又哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方 程(fngchng)第66页/共119页第六十七页，共119页。2023/2/2768能能量量(nngling)损失损失 层层流流(cn(cn li)li)时时阻阻力力与与速速度度的的一一次次方成正比方成正比 。变变 形形(bin xng)：
39、比较得比较得第67页/共119页第六十八页，共119页。2023/2/2769（四）湍流（四）湍流(tunli)时的摩擦系数时的摩擦系数1.量纲分析法量纲分析法 目的目的(md)：（：（1）减少实验工作量；）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。）结果具有普遍性，便于推广。基础：量纲一致性基础：量纲一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且而且(r qi)(r qi)每一项都应具有相同的量纲。每一项都应具有相同的量纲。第68页/共119页第六十九页，共119页。2023/2/2770基本定理：白金汉（基本定理：白金汉（Buckingham
40、Buckingham）定理定理 设设影影响响某某一一物物理理现现象象的的独独立立(dl)(dl)变变量量数数为为n n个个，这这些些变变量量的的基基本本因因次次数数为为m m个个，则则该该物物理理现现象象可可用用N N（n nm m）个个独独立立(dl)(dl)的的无无量量纲纲数群表示。数群表示。湍流时压力损失的影响因素：湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：）流体性质：，（2）流流动动(lidng)的的几几何何尺尺寸寸：d，l，（管管壁壁粗粗糙度）糙度）（3）流动）流动(lidng)条件：条件：u第69页/共119页第七十页，共119页。2023/2/2771物理变量物理变量 n n 7
41、 7基本量纲基本量纲(lin n)m(lin n)m3 3无量纲无量纲(lin n)(lin n)数群数群 N Nn nm m4 4 无无 量量(wling)纲化处理纲化处理式中：式中：欧拉（欧拉（Euler）准数准数即该过程即该过程(guchng)可用可用4个无量纲数群表示。个无量纲数群表示。第70页/共119页第七十一页，共119页。2023/2/2772相对粗糙度相对粗糙度管道的几何尺寸管道的几何尺寸雷诺数雷诺数根根据据实实验验可可知知，流流体体流流动动(lidng)(lidng)阻阻力力与与管管长长成成正正比比，即即 或或第71页/共119页第七十二页，共119页。2023/2/277
42、3莫莫狄狄（Moody）摩摩擦擦(mc)因因数数图：图：第72页/共119页第七十三页，共119页。2023/2/2774（1）层流区（）层流区（Re 2000）与与 无关，与无关，与ReRe为直线关系，即为直线关系，即 ,即即 与与u的一次方成正比。的一次方成正比。（2 2）过渡）过渡(gud)(gud)区（区（2000Re4000)2000Re4000)将将湍湍流流(tunli)(tunli)时时的的曲曲线线延延伸伸查查取取值值 。（3 3）湍湍流流区区（Re4000Re4000以以及及虚虚线线(xxin)(xxin)以以下下的的区域）区域）第73页/共119页第七十四页，共119页。20
43、23/2/2775（4 4）完完全全湍湍流流(tunli)(tunli)区区 （虚虚线线以以上上的区域）的区域）与与Re无关，只与无关，只与 有关有关。该区又称为阻力该区又称为阻力(zl)平方区。平方区。一定时，一定时，经经 验验(jngyn)(jngyn)公公 式式 ：柏拉修斯（柏拉修斯（BlasiusBlasius）式：式：适用光滑管，适用光滑管，Re2.5103105第74页/共119页第七十五页，共119页。2023/2/27762.管壁管壁(un b)粗糙度对摩擦系数的影响粗糙度对摩擦系数的影响 光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙粗糙(c
44、co)(cco)管：钢管、铸铁管等。管：钢管、铸铁管等。绝对粗糙度绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管内径的比值。：绝对粗糙度与管内径的比值。层流流动时：层流流动时：流流速速较较慢慢，与与管管壁壁无无碰碰撞撞，阻阻力力与与 无无关关，只与只与Re有关。有关。第75页/共119页第七十六页，共119页。2023/2/2777 湍流湍流(tunli)流动时：流动时：水力光滑管水力光滑管 只与只与Re有关，与有关，与 无关无关 完全湍流粗糙管完全湍流粗糙管 只与只与 有关，与有关，与Re无关无关第76页/共119页第七十七页，
45、共119页。2023/2/2778（五五）非非圆圆形形管管内内(un ni)的的流流动动阻力阻力 当当量量(dnglin(dngling)g)直径：直径：套套管管(to(to un)un)环环隙隙，内内管管的的外外径径为为d1d1，外外管管的的内内径为径为d2:d2:边长分别为边长分别为a、b的矩形管的矩形管:第77页/共119页第七十八页，共119页。2023/2/2779说明：说明：（1）Re与与hf中的直径用中的直径用de计算计算(j sun)；（2）层流时：）层流时：正方形正方形 C57套套管管(to un)环环隙隙 C96（3）流流速速用用实实际际流流通通(litng)面面积积计计算
46、算。第78页/共119页第七十九页，共119页。2023/2/2780二二、局局部部(jb)阻阻力力（一一）阻阻力力(zl)(zl)系系数数法法 将将局局部部阻阻力力表表示示为为动动能能(dngnng)(dngnng)的的某某一一倍倍数。数。或或 局部阻力系数局部阻力系数 J/kgJ/N=m第79页/共119页第八十页，共119页。2023/2/27811.突然突然(trn)扩大扩大第80页/共119页第八十一页，共119页。2023/2/27822.突然突然(trn)缩小缩小第81页/共119页第八十二页，共119页。2023/2/27833.管进口管进口(jn ku)及出口及出口进口进口(
47、jn ku)：流体自容器进入管内。：流体自容器进入管内。进进口口(jn ku)=0.5 进进口口(jn ku)阻阻力力系系数数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。空间。出口出口=1 出口阻力系数出口阻力系数4.管件与阀门管件与阀门第82页/共119页第八十三页，共119页。2023/2/2784第83页/共119页第八十四页，共119页。2023/2/2785第84页/共119页第八十五页，共119页。2023/2/2786蝶阀蝶阀第85页/共119页第八十六页，共119页。2023/2/2787第86页/共119页第八十七页，共119页
48、。2023/2/2788第87页/共119页第八十八页，共119页。2023/2/2789（二）当量（二）当量(dngling)长度法长度法 将将流流体体流流过过管管件件或或阀阀门门的的局局部部阻阻力力(zl)(zl)，折折合合成成直直径径相同、长度为相同、长度为lele的直管所产生的阻力的直管所产生的阻力(zl)(zl)。le 管件或阀门管件或阀门(f mn)的当量长度，的当量长度，m。第88页/共119页第八十九页，共119页。2023/2/2790三、流体在管路三、流体在管路(un l)中的总阻力中的总阻力减少流动阻力减少流动阻力(zl)的途径：的途径：管管路路尽尽可可能能短短，尽尽量量
49、走走直直线线，少少拐拐弯弯(guiwn)；尽量不安装不必要的管件和阀门等；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。管径适当大些。第89页/共119页第九十页，共119页。2023/2/2791第五节第五节 管路管路(un l)计算计算 一一、简简单单(jindn)管路管路（一一）特特 点点(tdin)(tdin)（1）流流体体通通过过各各管管段段的的质质量量流流量量不不变变，对对于于不不可可压压缩流体，则体积流量也不变。缩流体，则体积流量也不变。(2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。qV1,d1qV3,d3qV2,d2不可压缩流体不可压缩
50、流体第90页/共119页第九十一页，共119页。2023/2/2792（二二）管管路路(un l)计计算算（1 1）摩擦）摩擦(mc)(mc)损失计算损失计算 已已知知：流流量量(liling)qV(liling)qV、管管长长l l，管管件件和和阀阀门门 ，管径，管径d d，粗糙度粗糙度 求：求：hfhf第91页/共119页第九十二页，共119页。2023/2/2793 已知：管子已知：管子d 、l，管件和阀门管件和阀门 ，供液点，供液点z z1.1.p p1 1，需液点的需液点的z z2.2.p p2 2，输送机械输送机械 W；求：流体的流速求：流体的流速u及供液量及供液量qV。（2 2）