环境工程原理第三章节.ppt

本章主要内容第一节第一节 流体静力学方程流体静力学方程第二节第二节 稳定流动系统的衡算方程稳定流动系统的衡算方程第三节第三节 流体流动的内摩擦力流体流动的内摩擦力第四节第四节 边界层理论边界层理论第五节第五节 流体流动的阻力损失流体流动的阻力损失第六节第六节 管路计算管路计算第七节第七节 流体测量流体测量第三章 流体流动 第一页，共四十七页第一页，共四十七页第一节 流体静力学方程流体静力学方程一、流体的性质一、流体的性质1 1不能承受拉力，具有流动性；不能承受拉力，具有流动性；3 3受外力作用时内部产生相对运动受外力作用时内部产生相对运动2 2无固定形状，随容器形状而变化；无固定形状，随容器形状而变化；不可压缩流体：不可压缩流体：流体体积不随流体体积不随压力压力压力压力变化而变化，一般变化而变化，一般 指液体；指液体；可压缩流体：可压缩流体：流体体积随压力变化而变化，一般指流体体积随压力变化而变化，一般指 气体；气体；第二页，共四十七页第二页，共四十七页物质的宏观性质由物质内部的微观结构和分子间作用力所物质的宏观性质由物质内部的微观结构和分子间作用力所决定决定分子的热运动和相分子的热运动和相互碰撞互碰撞给分子以动能使之给分子以动能使之趋于飞散趋于飞散 分子间相互作用力分子间相互作用力的约束的约束 以势能的作用使之趋以势能的作用使之趋于团聚于团聚 两种力竞争的结果决定了物质的外在宏观性质。

而这两种力的大小与两种力竞争的结果决定了物质的外在宏观性质而这两种力的大小与分子间距有很大关系分子间距有很大关系第三页，共四十七页第三页，共四十七页约约为为110-8 cm（分分子子尺尺度度的的量量级级），分分子子间间相相互互作作用用势势能能出出现现一一个个极极值值称称为为“势势阱阱”，即即分分子子结结合合能能，其其值值远远远远大大于于分分子子平平均均动动能能分分子子力力占占主主导导地地位位，分分子子呈呈固固定定排排列列，分分子子热热运运动动仅仅表现为平衡位置附近的振荡有一定形状且不易变形表现为平衡位置附近的振荡有一定形状且不易变形液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞争势均力敌，分液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞争势均力敌，分子间距比固体大子间距比固体大1/3左右不可压缩、易流动不可压缩、易流动气气体体：分分子子间间距距约约为为3.310-7cm（为为分分子子尺尺度度的的10倍倍）分分子子平平均均动动能能远远远远大大于于分分子子间间相相互互作作用用势势能能，分分子子近近似似作作自自由的无规则运动易流动、可压缩由的无规则运动易流动、可压缩超临界流体、等离子体超临界流体、等离子体流体固体第四页，共四十七页。

第四页，共四十七页二、连续介质假定二、连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连，彼此假定流体是由无数内部紧密相连，彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质连续介质 所谓质点是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于所谓质点是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程这些质点在流体内部设备尺寸，但却远大于分子自由程这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质第五页，共四十七页第五页，共四十七页 当当把把流流体体看看作作是是连连续续介介质质后后，流流体体微微团团连连续续布布满满整整个个流流体体空空间间，流流体体的的物物理理性性质质和和运运动动参参数数成成为为空空间间的的连连续续函函数数，可可以以引引用用连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律该该假假定定对对绝绝大大部部分分工工程程技技术术问问题题都都适适用用但但当当流流动动体体系系的的特特征征尺尺度度与与分分子子的的平平均均自自由由程程相相当当时时，例例如如高高真真空空稀稀薄薄气气体体的的流流动动，连连续续介介质质假假定定受受到到限限制制，需需要要用用分分子子动动力力学学理理论论的的微微观方法来研究。

本书只研究连续介质的力学规律观方法来研究本书只研究连续介质的力学规律 第六页，共四十七页第六页，共四十七页三、流体的受力三、流体的受力三、流体的受力三、流体的受力1、场场力：非接触力，大小与流体的力：非接触力，大小与流体的质质量成正比，例量成正比，例 如：重如：重 力，离心力，力，离心力，电电磁力等 2、表面力：接触力，大小与和流体接触物体、表面力：接触力，大小与和流体接触物体(包括流包括流 体本身体本身) 的表面的表面积积成正比，例如：成正比，例如：压压强强和和应应力 处于重力场中的流体，处于重力场中的流体，处于重力场中的流体，处于重力场中的流体， 无论运动与否都受到力的作用，连无论运动与否都受到力的作用，连无论运动与否都受到力的作用，连无论运动与否都受到力的作用，连续介质的受力服从牛顿定律续介质的受力服从牛顿定律续介质的受力服从牛顿定律续介质的受力服从牛顿定律第七页，共四十七页第七页，共四十七页2 2）压力）压力( (强强) )的两种表征方法的两种表征方法（1 1）压压强强被被视视为为外外部部作作用用力力（包包括括流流体体柱柱自自身身的的重重力力），在在流流体体中中传传播播，其其方方向向始始终终与与作作用用面面相相垂垂直直；无无论论流流体体运运动动与与否否，压压强强始始终终存存在在，静静止止流流体体中中的的压压强强称称为为静静压压强强。

在在流流体体空空间间任任一点处，各方向的静压强相等一点处，各方向的静压强相等压力的大小常以两种不同的基准来表示：压力的大小常以两种不同的基准来表示：一是绝对真空一是绝对真空；另一个是大气压力另一个是大气压力基准不同，表示方法也不同基准不同，表示方法也不同以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，是流体的真实压力；真空为基准测得的压力称为绝对压力，是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度第八页，共四十七页第八页，共四十七页真空度真空度= p0 p 绝对压强绝对压强 表压表压 = p p0绝对压强绝对压强绝对压强、表压和真空度间的关系绝对压强、表压和真空度间的关系绝对绝对真空真空 p=0大气大气压压强强 p0绝对压绝对压强强 p p0绝对压绝对压强强 p p0p第九页，共四十七页第九页，共四十七页例例：某某水水泵泵进进口口管管处处真真空空表表读读数数为为650mmHg柱柱，出出 口口管管处处压压力力表表读读数数为为250Kpa，当当地地大大气气压压为为 1atm，试试求求水水泵进出口处的绝对压力各为多少？泵进出口处的绝对压力各为多少？解：解： 第十页，共四十七页。

第十页，共四十七页四、流体静力学基本方程四、流体静力学基本方程 容容器器内内装装有有密密度度为为的的液液体体，在在液液体体中中取取一一截截面面积积为为A的的液液柱柱，液液柱柱的的上上、下下表表面面与与容容器器底底的的距距离离分分别别为为Z1和和Z2作作用用在在上上、下下表表面面的的压压强强分分别为别为P1和和P2 垂直方向对液柱进行受力分析：垂直方向对液柱进行受力分析：液柱重力液柱重力G = gA(Z1Z2) ，上表面受到向下的压力上表面受到向下的压力F1 = p1A，下表面受到向上的压力下表面受到向上的压力F2 = p2A ，第十一页，共四十七页第十一页，共四十七页液柱处于静止状态，所受合力为零，液柱处于静止状态，所受合力为零，压力形式压力形式（1-1）能量形式能量形式（1-2）将液柱的上表面取在容器内的液面上，设液面上方的压强将液柱的上表面取在容器内的液面上，设液面上方的压强为为p0 ，液柱高度为，液柱高度为h ，则式（，则式（1-1）可改写为）可改写为（1-3）流体静流体静力学基力学基本方程本方程第十二页，共四十七页第十二页，共四十七页1、静静力力学学方方程程适适用用于于在在重重力力场场中中静静止止、连连续续且且连连通通的的同同种种不不可压缩流体，可压缩流体，如液体。

如液体适用范围：适用范围：2、对对于于气气体体，密密度度随随压压力力变变化化，若若气气体体的的压压力力变变化化不不大大，密密度度近近似似地地取取平平均均值值且且视视为为常常数数时时，式式(1-1)、(1-2)和和 (1-3)也也适用 讨论：讨论： （1）Zg 、 分别为单位质量流体所具有的位能和静压分别为单位质量流体所具有的位能和静压能能，即即在在同同一一静静止止流流体体中中，处处在在不不同同位位置置流流体体的的位位能能和和静静压压能能各各不不相相同同，但但Zg和和 可以转换可以转换，其总和为常量其总和为常量 因因此此，静静力力学学基基本本方方程程也也反反映映了了静静止止流流体体内内部部能能量量守守恒恒与与转转换的关系换的关系第十三页，共四十七页第十三页，共四十七页2）式（）式（1-2）可改写为）可改写为 压力或压力差可用液柱高度表示压力或压力差可用液柱高度表示，但需注明液体的种类但需注明液体的种类 （3）在静止、连续的同种液体内，在静止、连续的同种液体内，同一水平面各点的压强处处相同一水平面各点的压强处处相等压强相等的面称为等压面压强相等的面称为等压面 系统中任意一点只有一个压强；系统中任意一点只有一个压强； 与大气连同的两个液面必定是等压面。

与大气连同的两个液面必定是等压面第十四页，共四十七页第十四页，共四十七页五、静力学基本方程的五、静力学基本方程的应应用用 利用静力学基本原理可以利用静力学基本原理可以测测量流体的量流体的压压力、容器中的力、容器中的液位及液位及计计算液封的高度等算液封的高度等第十五页，共四十七页第十五页，共四十七页第二节 稳定流动系统的衡算方程 化化工工及及环环境境工工程程中中常常采采用用管管道道输输送送流流体体管管流流系系统统的的质质量量衡衡算算和和能能量量衡衡算算方方程程是是解解决决管管路路计计算算、流流体体输输送送机机械械的的选选择择及及流流量量测测定定等等实实际际问问题题的的重重要要基基础础和和方方法法本本节节学学习流体流动的规律，重点研究流体在管道内的流动规律习流体流动的规律，重点研究流体在管道内的流动规律第十六页，共四十七页第十六页，共四十七页一、流动系统的质量衡算方程一、流动系统的质量衡算方程二、流动系统的能量衡算方程二、流动系统的能量衡算方程本节主要内容本节主要内容第二节 稳定流动系统的衡算方程第十七页，共四十七页第十七页，共四十七页一、流体流动的状态一、流体流动的状态 在流动流体系统中，物理量是空间坐标和时间的函数。

在流动流体系统中，物理量是空间坐标和时间的函数稳态流动：稳态流动：流体流动系统中，各截面上的压力、流体流动系统中，各截面上的压力、 流速、流量等物理量仅随位置变化，流速、流量等物理量仅随位置变化， 而不随时间变化而不随时间变化 非稳态流动：非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随流体在各截面上的有关物理量既随 位置变化，又随时间变化位置变化，又随时间变化qV2、u2、p2qV1、u1、p1qV2、u2、p2(a) 恒位槽恒位槽(稳定流动稳定流动)(b)普通贮槽普通贮槽(不稳定流动不稳定流动)第十八页，共四十七页第十八页，共四十七页 二、流动系统的质量衡算方程二、流动系统的质量衡算方程在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算1、衡算范围：3、衡算基准：取管内壁截面取管内壁截面1-1 与与2-2 间的管段间的管段1s (单单位位时间时间) 输入系统的质量流量：输出系统的质量流量：4、写出质量衡算方程：(3.1.1)2、衡算对象：管段内的流体管段内的流体第十九页，共四十七页第十九页，共四十七页 对于稳态过程对于稳态过程 对不可压。