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1、第一章第一章流体流动流体流动掌握内容掌握内容1.流流体体的的密密度度和和黏黏度度的的定定义义、单单位位、影影响响因因素素及数据的求取；及数据的求取；2.压强的定义、表示法及单位换算；压强的定义、表示法及单位换算；3.流流体体静静力力学学基基本本方方程程、连连续续性性方方程程、柏柏努努利利方程及应用；方程及应用；4.流流动动型型态态及及其其判判断断，雷雷诺诺准准数数的的物物理理意意义义及及计算；计算；5.流体在管内流动时流动阻力计算；流体在管内流动时流动阻力计算；6.简单管路的设计计算；简单管路的设计计算；7.因次分析法的原理、依据、结果及应用。因次分析法的原理、依据、结果及应用。第第1章章流体
2、流动流体流动了解内容了解内容1.牛顿型流体与非牛顿型流体；牛顿型流体与非牛顿型流体；2.层流内层与边界层，边界层的分离。层流内层与边界层，边界层的分离。1.流流体体的的连连续续性性和和压压缩缩性性、定定态态流流动动与与非非定态流动；定态流动；2.层流与湍流的特征；层流与湍流的特征；3.管内流体速度分布公式及应用；管内流体速度分布公式及应用；4.哈根哈根-泊谡叶方程式的推导；泊谡叶方程式的推导；5.复杂管路计算；复杂管路计算；6.正确使用各种数据图表；正确使用各种数据图表；7.边界层的概念。边界层的概念。熟悉内容熟悉内容讲授内容讲授内容流体静力学基本方程流体静力学基本方程1.1流体流动的基本方程
3、流体流动的基本方程1.2流体流动现象流体流动现象1.3管路计算管路计算1.5流速和流量测量流速和流量测量1.6流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力1.41.1流体静力学基本方程流体静力学基本方程本节本节讲授讲授内容内容3 3流体静力学方程流体静力学方程流体静力学方程流体静力学方程2 2流体的压强流体的压强流体的压强流体的压强1 1流体的密度流体的密度流体的密度流体的密度4 4流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用重点：重点：静静力力学学基基本本方方程式及其应用程式及其应用本节的重本节的重点及难点点及难点难点：难点：U形形压压差差计计的的测测量量，液
4、液位位测测量量1.1流体静力学基本方程流体静力学基本方程一、流体的密度一、流体的密度1.流体密度的定义流体密度的定义2.单位体积流体所具有的质量，单位体积流体所具有的质量，;SI单位单位kg/m3。2.影响影响的主要因素的主要因素液体：液体：不可压缩性流体不可压缩性流体（体积不随压力变化）（体积不随压力变化）气体：气体：可压缩性流体可压缩性流体流流体体3.气体密度的计算气体密度的计算理想气体在标况下的密度为：理想气体在标况下的密度为：例如：标况下的空气，例如：标况下的空气，操作条件下操作条件下（T,P）下的密度：下的密度：由理想气体方程求得操作条件（由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度
5、下的密度4.混合物的密度混合物的密度1）液体混合物的密度）液体混合物的密度m取取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:液体混合物密度计算式液体混合物密度计算式假设混合后总体积不变：假设混合后总体积不变：2）气体混合物的密度）气体混合物的密度取取1m3的气体为基准，令各组分的体积分率为的气体为基准，令各组分的体积分率为:xVA,xVB,xVn,其中其中:i =1,2,.,n混合物中各组分的质量为：混合物中各组分的质量为：当当V总总=1 m3时，时，若混合前后，气体的质量不变：若混合前后，气体的质量不变：当当V总总=1m3时时,气体混合物密度计
6、算式气体混合物密度计算式5.与密度相关的几个物理量与密度相关的几个物理量1）比比 容容：单单 位位 质质 量量 的的 流流 体体 所所 具具 有有 的的 体体 积积，用用 v表表 示示，单单 位位 为为m3/kg。2）比重（相对密度）：）比重（相对密度）：某物质的密度与某物质的密度与4下的水的密度的比下的水的密度的比值，用值，用d 表示。表示。在数值上在数值上:二、流体的静压强二、流体的静压强1.压强的定义压强的定义流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强静压强，简称，简称压强压强。SI制单位：制单位：N/m2，即即Pa。其它常用单位有：其它常用单
7、位有：atm（标标准准大大气气压压）、工工程程大大气气压压kgf/cm2、bar；流体柱高度（流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。等）。F 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；F 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；F 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。压力的特性：压力的特性：换算关系为：换算关系为：2.压强的表示方法压强的表示方法1）绝对压强（绝压）：）绝对压强（绝压）：体系的真实压强称为绝对压强。体系的真实压强称为绝对压强。2）表压）表压强（表压）
8、：强（表压）：压力表上读取的压强值称为表压。压力表上读取的压强值称为表压。表压强表压强=绝对压强大气压强绝对压强大气压强3）真空度：）真空度：真空表的读数真空表的读数真空度真空度=大气压强绝对压强大气压强绝对压强=表压表压当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：如：4103Pa（真空度）、真空度）、200kPa（表压）。表压）。绝对压强、真空度、表压强的关系：绝对压强、真空度、表压强的关系：绝对零压线绝对零压线大气压强线大气压强线A绝绝对对压压强强表表压压强强B绝对压强绝对压强真空度真空度表压真空度动画表压真空度动画三、流体静力学方程三、流体静力
9、学方程1.方程的推导方程的推导（1）在）在1-1截面受到垂直向下的压力截面受到垂直向下的压力：（2）在）在2-2截面受到垂直向上的压力：截面受到垂直向上的压力：（3）微元体本身所受的重力（向下）：）微元体本身所受的重力（向下）：设流体不可压缩，设流体不可压缩，Constant。取微元体。取微元体dxdydz。重力场中对微元体进行受力分析：重力场中对微元体进行受力分析：p2p1z1z2Gp0 xzy令令若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为p0，取下底面在距离液面取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为处，作用在它上面的压强为p因为因为微
10、元体微元体处于静止状态：处于静止状态：两边同时除两边同时除A流体的静力学方程流体的静力学方程表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。2.方程的讨论方程的讨论1）液体内部压强液体内部压强p 随随p0和和h的改变而改变：的改变而改变：2）当当容容器器液液面面上上方方压压强强p0一一定定时时，静静止止液液体体内内部部压压强强p仅与垂直距离仅与垂直距离h有关：有关：处于连续同一介质同一水平面上各点的压强相等。处于连续同一介质同一水平面上各点的压强相等。3）当当液液面面上上方方的的压压强强改改变变时时，液液体体内内部部的的压压强强也也随随之之改改变变，
11、即即：液液面面上上所所受受的的压压强强能能以以同同样样大大小小传传递递到到液液体体内部的任一点内部的任一点。4）从从流流体体静静力力学学的的推推导导可可以以看看出出，它它们们只只能能用用于于静静止止的的连连通通着着的的同同一一种种流流体体的的内内部部，对对于于间间断断的的并并非非单单一一流流体的内部体的内部则不满足这一关系。则不满足这一关系。5）可以改写成可以改写成压压强强差差的的大大小小可可利利用用一一定定高高度度的的液液体体柱柱来来表表示示，这这就就是是液液体体压压强强计计的的根根据据，在在使使用用液液柱柱高高度度来来表表示示压压强强或或压压强强差差时，需指明何种液体。时，需指明何种液体。
12、6）方方程程是是以以不不可可压压缩缩流流体体推推导导出出来来的的，对对于于可可压压缩缩性性的的气体，只适用于压强变化不大的情况。气体，只适用于压强变化不大的情况。例例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密度密度，水层高度，水层高度h2=0.6m，密度为密度为1）判断下列两关系是否成立：）判断下列两关系是否成立：PAPA，PBPB。2）计算玻璃管内水的高度计算玻璃管内水的高度h。解：解：（1）判断题给两关系是否成立：）判断题给两关系是否成立：A，A在在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上静止的连通着的同一种液体的同一水平面上因因B，B虽虽
13、在在同同一一水水平平面面上上，但但不不是是连连通通着着的的同同一一种种液液体体，即截面即截面B-B不是等压面，故不是等压面，故（2）计算水在玻璃管内的高度）计算水在玻璃管内的高度hPA和和PA又分别可用流体静力学方程表示。又分别可用流体静力学方程表示。设大气压为设大气压为Pa，则有：，则有：四、静力学方程的应用四、静力学方程的应用1.压强与压强差的测量压强与压强差的测量1）U型管压差计型管压差计根据流体静力学方程，有：根据流体静力学方程，有：当被测的流体为当被测的流体为气体气体时，时，可忽略可忽略,则则，两点间压差计算公式两点间压差计算公式若若U型型管管的的一一端端与与被被测测流流体体相相连连
14、接接，另另一一端端与与大大气气相相通通，那那么么读读数数R就就反反映映了了被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强与与大大气气压压之之差差，也也就是被测流体的就是被测流体的表压表压。当当p1p2值值较较小小时时，R值值也也较较小小，若若希希望望读读数数R清清晰晰，可可采采取取三三种种措措施施：两两种种指指示示液液的的密密度度差差尽尽可可能能减减小小、采采用用倾倾斜斜U型管压差计、型管压差计、采用微差压差计。采用微差压差计。当管子平放时：当管子平放时：假假设设垂垂直直方方向向上上的的高高度度为为Rm，读读数数为为R1，与水平倾斜角度与水平倾斜角度2）倾斜）倾斜U型管压差计型管压差计根据流体静力学方程
15、可以导出：根据流体静力学方程可以导出：微差压差计两点间压差计算公式微差压差计两点间压差计算公式3）微差压差计微差压差计U型型管管的的两两侧侧管管的的顶顶端端增增设设两两个个小小扩扩大大室室，其其内内径径与与U型型管管的的内内径径之之比比10，装装入入两两种种密密度度接接近近且且互互不不相相溶溶的的指指示示液液A和和C，且且指指示液示液C与被测流体与被测流体B亦不互溶。亦不互溶。例例：用：用3种压差计测量气体的微小压差种压差计测量气体的微小压差试问：试问：1）用普通压差计，以苯为指示液，其读数）用普通压差计，以苯为指示液，其读数R为多少？为多少？2）用倾斜）用倾斜U型管压差计，型管压差计，=30
16、，指示液为苯，其读指示液为苯，其读数数R为多少？为多少？3）若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大）若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大室截面积远远大于室截面积远远大于U型管截面积，此时读数型管截面积，此时读数R为多少？为多少？R为为R的多少倍？的多少倍？已知：苯的密度已知：苯的密度水的密度水的密度计算时可忽略气体密度的影响。计算时可忽略气体密度的影响。解：解：1）普通管）普通管U型管压差计型管压差计2）倾斜）倾斜U型管压差计型管压差计3）微差压差计）微差压差计故：故：2.液位的测定液位的测定液液位位计计的的原原理理遵遵循循静静止止液液体体内内部部压压强强变变化化的的规规律律
17、,是静力学基本方程的一种应用。是静力学基本方程的一种应用。液柱压差计测量液位的方法：液柱压差计测量液位的方法：由由压压差差计计指指示示液液的的读读数数R可可以以计算出容器内液面的高度。计算出容器内液面的高度。当当R0时时，容容器器内内的的液液面面高高度度将将达达到到允允许许的的最最大大高高度度，容容器器内内液面愈低，压差计读数液面愈低，压差计读数R越大。越大。远距离控制液位的方法远距离控制液位的方法：压缩氮气自管口压缩氮气自管口经调节阀通入，调经调节阀通入，调节气体的流量使气节气体的流量使气流速度流速度极小极小，只要，只要在鼓泡观察室内看在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出出有气泡缓慢逸出即可。即
18、可。压差计读数压差计读数R的大小，反映出贮罐内液面的高度的大小，反映出贮罐内液面的高度。例例：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两相界面位置，已知两吹气管出口的间距为相界面位置，已知两吹气管出口的间距为H1m，压差计中压差计中指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为800kg/m3、1000kg/m3、13600kg/m3。求当压差计指示求当压差计指示R67mm时，界时，界面距离上吹气管出口端距离面距离上吹气管出口端距离h。解解：忽略吹气管出口端到：忽略吹气管出口端到U型管两侧的气体流动阻型管两侧
19、的气体流动阻力造成的压强差，则：力造成的压强差，则：（表）（表）(表）表）3.液封高度的计算液封高度的计算液封的作用：液封的作用：若若设设备备内内要要求求气气体体的的压压力力不不超超过过某某种种限限度度时时，液液封封的的作作用用就就是：是：当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为为安全性液封安全性液封。若设备内为负压操作，其作用是：若设备内为负压操作，其作用是：液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流体静力学流体静力学基本方程式基本方程式。防止外界空气进入设备内防止外界空气进入设备内例例：如图所
20、示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是表压），需在炉外装有安全液封，其作用是当炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉当炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。解解：过液封管口作基准水平面：过液封管口作基准水平面o-o，在其上取在其上取1，2两点。两点。例例2：真空蒸发器操作中产生的水蒸气，往往送入本题附图：真空蒸发器操作中产生的水蒸气，往往送入本题附图所示的混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持
21、操作所示的混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持操作的真空度，冷凝器的上方与真空泵相通，不时将器内的不凝的真空度，冷凝器的上方与真空泵相通，不时将器内的不凝气体（空气）抽走。同时为了防止外界空气由气压管漏入，气体（空气）抽走。同时为了防止外界空气由气压管漏入，致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽中，致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定高度水即在管内上升一定高度h，这种措施称为这种措施称为液封液封。若真空表。若真空表读数为读数为80104Pa，试求气压管内水上升的高度试求气压管内水上升的高度h。解解：设气压管内水面上方的绝对压强为：设气压管内水面上方的绝对压强为P，作用于液封作用于液封槽内水面的压强为大气压强槽内水面的压强为大气压强Pa，根据流体静力学基本方程根据流体静力学基本方程式知：式知：第一章第一章 全部全部作业作业小结?