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中国农业大学_848工程流体力学_教案5

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工程流体力学-电子教案第一至三章

工程流体力学-电子教案第一至三章
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适用范围
• 本书为高等学校自动化专业以及相近专业的工程流 体力学课程的教材，也可做为热能与动力工程，建 筑环境与设备工程，土木工程，环境工程，轻化工 程等专业的少学时工程流体力学课程教材．同时可 作为高等函授热能与动力类专业的教材及工厂和设 计部门中有关工程技术人员的参考书．
前言
• 工程流体力学是一门重要的专业基础课程，该课程 的目的是为了学习专业课以及从事技术工作提供必 要的基础理论和实践技能．
• 本教材由东北电力学院博士生导师周云龙教授和洪 文鹏副教授合编．导论，第一、四、六章和第七章 中的第一、二、三节以及流体力学词汇英汉对照由 周云龙编写．
前言
• 第二、三、五章和第七章中的第四、五节由洪文鹏 编写．全书最后由周云龙教授统稿．华北电力大学 博士生导师王松岭教授任主审．王松 岭教授对书 稿逐字逐句进行了认真的审阅，提出了许多宝贵的 意见和建议，使本教材的质量得以提高，在此表示 衷心感谢！
• 东北电力学院流体力学教研室的张玲、李岩、孙斌 也审阅了书稿，提出了修改意见，在此一并表示感 谢！
2020/4/9
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目 录
2020/4/9
第一章 导 论 第二章 流体静力学 第三章 流体动力学基础
第四章 不可压缩流体的有旋流动和二维无旋流动
第五章 不可压缩流体二维边界层概述 第六章 黏性流体的一维定常流动 第七章 气体一维高速流动
2020/4/9
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微小变形以抗拒外力，一直达到平衡为止。只要作用力保 持不变，固体的变形就不再变化。
流体和固体具有上述不同性质是由于分子间的作用力不 同造成的。在相同体积的固体和流体中，流体所含的分子 数目比固体少得多，分子间的空隙就大得多，因此流体分 子间的作用力小，分子运动强烈，从而决定了流体具有流 动性和不能保持一定形状的特性。 流体中所包括的液体和 气体除具有上述共同特性外，还具有如下的不同特性：液 体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的，当对液体 加压时，只要分子距稍有缩小，分子间的斥力就会增大以 抵抗外压力。所以，液体的分子距很难缩小，即液体很不 易被压缩，以致一定重量的液体具有一定的体积，液体的 形状取决于容器的形状，并且由于分子间吸引力的

工程流体力学

工程流体力学

o x
第二章 流体静力学
y
z
p
dz
p p dx x 2
M
p dx x 2
N
o' dy dx
o x
以x方向为例，利用泰勒级数展式：
dx p dx M ( x , y, z ) : pM p 2 x 2 N (x dx p dx , y, z ) : p N p 2 x 2
第二章 流体静力学
三、等压面 1 .定义
平衡流体中压强相等(p=c或dp=0)的点所组成的平面 或曲面,称为等压面。
2 .微分方程
dp ( f x dx f y dy f z dz )
由定义得： f x dx f y dy f z dz 0
或 式中：


f d s 0
p Aabs gh1 pa gh2
空气 A 水
故A点的真空压强为:
pv pa p Aabs g (h2 h1 ) 1000 9.8 (2 1) 9800 Pa
h1
水
说明：高差较小的空气压强变化一般可忽略不计。
第二章 流体静力学
h2
三、水头和单位势能
第二章 流体静力学
1 f p 0

第二章 流体静力学
1 f p 0

适用范围：所有静止流体或相对静止的流体。
第二章 流体静力学
二、欧拉平衡微分方程的综合式（全微分形式）
将欧拉平衡微分方程各分式分别乘以dx、dy、dz，然 后相加，得
p p p dx dy dz ( f x dx f y dy f z dz ) x y z
§2.3

中国农业大学_848工程流体力学_《工程流体力学》复习题

中国农业大学_848工程流体力学_《工程流体力学》复习题

压强为１atm；Ｆ. 水在常温下不会沸腾； Ｇ. 液体中的压力越大则汽化压强越大。 51．以下哪几种流体为非牛顿流体 Ａ. 空气；Ｂ. 清水；Ｃ. 血液； Ｄ. 酒精；Ｅ. 泥浆。 52．静止液体中存在 Ａ. 压应力； Ｂ. 压应力和拉应力； Ｃ. 压应力和切应力； Ｄ. 压应力 、 切应力和拉应力； 53．相对压强的起量点是 A. 绝对真空； B. 1 个标准大气压； C. 当地大气压；D. 液面压强。 54．金属压力表的读数是 A. 绝对压强 ； B. 相对压强 ； C. 绝对压强加当地大气压强； D. 相对压强加当地大 气压强。 55．绝对压强 pabs、相对压强 p 、真空值 pv、 当地大气压强 pa 之间的关系是 A. pabs=p+pv ； B. p=pabs+pa ； C. pv=pa－pabs 。 56．在密闭的容器上装有 U 形水银测压计，其中 1、2、3 点位于同一水平面上，其压强关 系为 A. A. p1=p2=p3 ； B. p1>p2>p3 ；C. p1<p2<p3 。
49．以下哪几种流体为牛顿流体 Ａ. 空气；Ｂ. 清水；Ｃ. 血浆； Ｄ. 汽油； Ｅ. 泥浆。 50．以下关于流体汽化压强的论述中，不正确的是 Ａ. 液体的温度升高则汽化压强增大； Ｂ. 液体的温度升高则汽化压强减小； Ｃ. 液体 的汽化压强随海拔而变化； Ｄ. 20ºC 的水的汽化压强为１atm； Ｅ. 100ºC 的水的汽化
65．等直径水管，Ａ－Ａ为过流断面，Ｂ－Ｂ为水平面，１、２、３、４为面上各点，各点 的运动物理量有以下关系 A ． p1=p2 ； B. p3=p4 ；
C．
+
=
+
；
D．
+
=

中国农业大学_848工程流体力学_教案4

中国农业大学_848工程流体力学_教案4

所以也称为长度损失。 在边界急剧变化的区域，阻力主要地集中在该区域内及其附近，这中集中分布的阻力称 为局部阻力。克服局部阻力的能量损失称为局部损失。例如图 5-1 中的管道进口、变径管和 阀门等处，都会产生局部阻力。 h ma ， h mb ， h mc 就是相应的局部水头损失。引起局部阻力的原 因是由于旋涡区的产生和速度方向和大小的变化。 整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和各局部损失的总和。即 hl=Σ hf+Σ hm 对于图 5-1 所示流动系统，能量损失为 h l =h fab +h fbc +f fcd +h ma +h mb +h mc
上述实验观察到了两种不同的流态， 以及在管 B 管径和流动介质 - 清水不变的条件下得到 流态与流速有关的结论。雷诺等人进一步的实验表明：流动状态不仅和流速 v 有关，还和管 径 d 、流体的动力粘滞系数 μ 和密度 ρ 有关。 以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用 Re 表示。
Re= υ d ρ / μ = υ d/ ν （ 5-5 ）
第一节
水头损失的概念及其分类
水头损失是流体与固壁相互作用的结果。固壁作为流体的边界层会显著地影响这一系统 的机械能与热能的转化过程。在工程的设计计算中，根据流体接触的边壁沿程是否变化，把 能量损失分为两类：沿程损失 h f 和局部损失 h m 。它们的计算方法和损失机理不同。
一、流动阻力和能量损失的分类
图 5-2
流态试验装置
若实验时的流速由大变小，则上述观察到的流动现象以相反程序重演，但由紊流转变为 层流的临界流速 υ 界流速。 实验进一步表明：对于特定的流动装置上临界流速 υ ′ k 是不固定的，随着流动的起始条 件和实验条件的扰动程度不同， υ ′ k 值可以有很大的差异；但是下临界流速 υ 流速。 在管 B 的断面 1 、2 处加接两根测压管，根据能量方程，测压管的液面差即是 1 、2 断面 间的沿程水头损失。用阀门 C 调节流量，通过流量测量就可以得到沿程水头损失与平均流速 的关系曲线 h f -v 。如图 5-3 所示。

完整版工程流体力学教案

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流体力学教案。

工程流体力学教案—第03讲

工程流体力学教案—第03讲

教 学 内 容 （讲稿）（包括：教学手段、时间分配、临时更改等）第2章 流体静力学1．研究任务：流体在静止状态下的平衡规律及其应用。

根据平衡条件研究静止状态下压力的分布规律，进而确定静止流体作用在各种表面的总压力大小、方向、作用点。

2．静止：是一个相对的概念，流体质点对建立的坐标系没有相对运动。

①绝对静止：流体整体相对于地球没有相对运动。

②相对静止：流体整体（如装在容器中）对地球有相对运动，但液体各部分之间没有相对运动。

共同点：不体现粘性，无切应力 3．适用范围：理想流体、实际流体无论理想流体或实际流体，在静止状态下，流体层与层之间都没有相对运动。

实际立重力 压力重力 压力重力 直线惯性力 压力重力 离心惯性力 压力质量力质量力教 学 内 容 （讲稿）（包括：教学手段、时间分配、临时更改等）有一静止流体微团，用任意平面将其切割为两部分，取阴影部分为隔离体。

设切割面上任一点m 处静压强方向不是内法线方向，则它可分解为n p 和切应力τ。

而静止流体既不能承受切应力，也不能承受拉应力，如果有拉应力或切应力存在，将破坏平衡，这与静止的前提不符。

所以静压强p 的方向只能是沿着作用面内法线方向。

2．静止流体中任何一点上各个方向的静压强大小相等，而与作用面的方位无关，即p 只是位置的函数),,(z y x p p =——大小特性。

（各向相等） 证明思路：1、选取研究对象（微元体）2、受力分析（质量力与表面力）3、导出关系式 ∑=0F4、得出结论1．选取研究对象（微元体）从静止流体中取出一微小四面体OABC ，其坐标如图，三个垂直边的长度分别为dx 、dy 、dz ，设x p 、y p 、z p 、n p （n方向是任意的）分别表示作用在△OAC 、△OBC 、△OAB 、△ABC 表面上的静压强，n p 与x 、y 、z 轴的夹角为α、β、γ。

2．受力分析（质量力与表面力）流体微元所受力分为两类：表面力和质量力。

中国农业大学食品工程原理教案

第1章流体力学基础第一次课(100min)讲授内容：1 基础知识与概念1.1 物理量的单位1.2 量纲分析1.3流体的压缩性和膨胀性1.3.1 体积压缩系数1.3.2 体积膨胀系数1.3.4 流体压强的表示方法第二次课(100min)讲授内容：2流体的粘性与粘度2.1 牛顿内摩擦（粘性）定律2.2牛顿流体与理想流体3 流体流动能量平衡3.1稳定流动体系的能量平衡3.2 稳定流动体系能量方程与柏努利方程第三次课(100min)讲授内容：4 管中流动4.1 管中稳定流动连续性方4.2 雷诺实验与雷诺数4.3 水力直径(当量直径)4.4 圆管中的层流4.4.1 速度分布与流量4.4.2 平均流速和最大流速4.4.3 沿程损失4.5 圆管中的湍流4.6 管路中的沿程阻力4.7 管路中的局部阻力L f，第四次课(100min)讲授内容：5 管路计算与流量测量5.1 管路计算5.1.1 简单管路计算5.1.2 复杂管路计算5.2 流量测量5.2.1 测速管5.2.2 孔板流量计5.2.3 文丘里流量计5.2.4 转子流量计第五次课(100min)讲授内容：6 液体输送设备6.1 泵的类型6.2 叶片泵的主要性能和特性6.2.1 离心泵的主要性能参数6.2.2 正位移泵的主要性能参数6.2.3 泵的特性曲线6.2.4离心泵的性能参数的改变与换算6.3 泵的安装高度第六次课(100min)讲授内容：6.4 管路特性6.5 泵的工作点与流量调节7 气体输送原理7.1离心式通风机和鼓风机7.1.1 离心通风机7.1.2 鼓风机第2章传热第一次课(100min)讲授内容：1 传热的基本概念1.1 传热的基本方式1.2 温度场与温度梯度1.2.1 温度场1.2.2 温度梯度1.3 传热速率与热通量1.4 载热体1.5 换热器第二次课(100min)讲授内容：2 热传导2.1 傅立叶导热定律与热导率2.2 通过单层壁的稳定热传导2.2.1 单层平壁的稳定热传导2.2.2 单层圆筒壁的热传导2.3 通过多层壁的稳定热传导2.3.1 多层平壁的稳定热传导第三次课(100min)讲授内容：3 对流传热3.1 牛顿冷却定律与对流传热系数3.2 对流传热系数关联式的建立方法3.2.1 对流传热系数的获取途径3.2.2 对流传热过程的因次分析3.3 流体对流传热系数关联式3.7 大空间自然对流传热3.8 蒸汽冷凝放热3.8.1 冷凝传热过程分析3.8.2 膜状冷凝传热系数的关联式3.8.3 影响冷凝传热的因素及强化3.9 沸腾传热3.9.1 液体沸腾的分类3.9.2 液体沸腾曲线第四次课(100min)讲授内容：4 辐射传热4.1 基本概念4.2 物体的辐射能力4.3 两固体表面间的辐射传热4.4 对流与辐射的综合传热第五次课(100min)讲授内容：5 稳定传热过程计算5.1 热量衡算5.2 总传热速率方程5.3 总传热系数5.3.1 总传热系数的计算5.3.2 污垢热阻5.4 传热的平均温度差ΔT m5.4.1 恒温传热时的平均温度差5.4.2 变温传热时的平均温度差5.5 传热面积的计算第六次课(100min)讲授内容：6 不稳定传热6.1 流体的间歇式换热6.2 导热微分方程6.3 集总参数分析法6.4 不稳定导热的图解法6.4.1 一维不稳定导热6.4.2 多维不稳定导热第七次课(100min)讲授内容：7 换热器7.1 间壁式换热器的类型7.1.1 管式换热器第4章颗粒与流体之间的相对流动第一次课(100min)讲授内容：1 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动1.1 颗粒床层的特性1.1.1 单个颗粒的特性1.1.2 颗粒群的特性1.1.3 床层特性1.2 流体绕球形颗粒的流动1.3 流体通过颗粒床层的流动第二次课(100min)讲授内容：2 颗粒在流体中的运动2.1球形颗粒的沉降2.1.1重力沉降2.1.2 实际沉降速度u t，第三次课(100min)讲授内容：3 固体流态化与气力输送3.1 固体流态化3.1.1 固体流态化的基本概念3.1.2 流化床的流体力学3.1.3 流化床中的传热3.1.4 流化床中的结构形式第四次课(100min)讲授内容：3.2 气力输送3.2.1 概述3.2.2 气力输送的原理4 非均相混合物的分离4.1 沉降4.1.1 重力沉降的应用与设备4.1.2 离心沉降第五次课(100min)讲授内容：4.2过滤4.2.1 过滤操作的基本概念4.2.2 过滤设备4.2.3 过滤基本方程4.2.4间歇过滤操作的计算4.2.5连续式过滤计算第7章吸收与蒸馏第一次课(100min)讲授内容：1 传质学基础1.1 混合物组成的表示方法1.2 扩散现象与分子扩散速率计算1.2.1 分子扩散与Fick定律1.2.2 稳定分子扩散速率1.2.3 扩散系数1.3 对流传质与相间传质1.3.1 对流传质1.3.2 相间传质的双膜理论1.4 传质设备简介第二次课(100min)讲授内容：2 吸收与解吸2.1 概述2.2 汽液相平衡2.2.1 气体在液体中的溶解度2.2 汽液相平衡2.2.1 气体在液体中的溶解度2.2.2 亨利定律2.3 总传质速率方程第三次课(100min)讲授内容：3 吸收塔的计算3.1 物料衡算与操作线方程3.2 吸收剂的用量与最小液气比3.3 塔径的确定3.4 填料层高度的计算3.4.1 填料层高度的基本计算式3.4.2 传质单元数的计算方法第四次课(100min)讲授内容：4 蒸馏4.1 双组分溶液的汽液相平衡4.1.1 相律和拉乌尔定律4.1.2 两组分理想溶液的汽液平衡4.1.3 相对挥发度与汽液平衡方程4.2蒸馏与精馏原理4.2.1 平衡蒸馏4.2.2 简单蒸馏4.2.3 精馏原理第五次课(100min)讲授内容：5 双组分连续精馏塔的计算5.1 理论板的概念及恒摩尔流假定5.1.1 理论板5.2 物料衡算与热量衡算5.2.1 全塔物料衡算5.2.2 进料板及进料热状态参数5.3 操作线方程5.3.1 精馏段操作线方程5.3.2 提馏段操作线方程5.3.3 q线方程与操作方程的图示5.4 理论板的确定与实际板的讨论5.4.1 理论板的确定第六次课(100min)讲授内容：5.4.2 板效率与实际板数5.5 回流比的影响与选择5.5.1 全回流与最少理论板数5.5.2 最小回流比5.5.3适宜回流比5.6 双组分精馏的操作计算5.7 精馏装置的热量衡算5.7.1 冷凝器的热负荷Q C5.8 其他有关实例的讨论5.8.1 直接水蒸汽加热5.8.2 提馏塔5.8.3 侧线出料和多股进料第8章液体吸附与离子交换第一次课(100min)讲授内容：1 液体吸附1.1 吸附作用和吸附剂1.1.1 吸附作用1.1.2 吸附剂及其性能1.2 吸附理论1.2.1 吸附平衡1.2.2 吸附速率1.3 吸附操作1.3.1 吸附操作步骤第二次课(100min)讲授内容：1.4 吸附计算1.4.1 分级接触式吸附1.4.2 连续式吸附2 离子交换2.1 离子交换概念和离子交换树脂2.1.1 基本概念2.1.2 离子交换剂2.1.3 离子交换树脂的性能2.2 离子交换机理2.2.1 离子交换平衡2.2.2 离子交换机理2.3 离子交换速率2.3.1 外扩散速率2.3.2 内扩散速率第三次课(100min)讲授内容：2.3.3 总传质速率和总传质系数2.4 离子交换操作及设备2.4.1 离子交换操作2.4.2 离子交换装置分类2.5 离子交换操作计算2.5.1 交换柱的直径和高度2.5.2 树脂用量、正洗水用量和时间2.5.3 树脂的工作交换容量ω0和有效工作容量ωe 2.5.4 交换柱工作时间和反洗水的用量2.5.5 再生剂用量第8章浸出和萃取第一次课(100min)讲授内容：1 浸出1.1 浸出理论1.1.1 浸出体系组成的表示方法1.1.2 浸出系统的平衡关系1.1.3 溢流与底流平衡关系的表达1.1.4 杠杆规则1.1.5 单级浸出过程的表示1.2 浸出速率第二次课(100min)讲授内容：1.3 浸出操作的流程1.4 浸出操作计算1.5 浸出装置2 萃取2.1 液—液相平衡关系2.2 萃取过程的计算2.2.1 单级萃取的计算第三次课(100min)讲授内容：2.2.2 多级错流萃取2.2.3 多级逆流萃取2.3 萃取操作的设备第11章溶液浓缩第一次课(100min)讲授内容：1 蒸发操作与特点2 单效蒸发2．1溶液的沸点和温度差损失2.2 单效蒸发的计算2.2.1 蒸发器的物料衡算2．2．2 蒸发器的热量衡算2.2.3 传热面积S02.2.4 管内沸腾传热系数αi的关联式第二次课(100min)讲授内容：3 多效蒸发3.1 多效蒸发的原理3.2 多效蒸发的流程3.3 多效蒸发的计算3.3.1 基本情况3.3.33.3.4 传热面积S3.3.5 重新分配各效温差及重算传热面积第三次课(100min)讲授内容：4 多效蒸发效数的限制5 蒸发设备5.1蒸发器结构5.1.1 非膜式蒸发器5.1.2 膜式蒸发器5.2 蒸发器的选用5.3 蒸发器的辅助装置6 冷冻浓缩6.1冷冻浓缩操作原理6.2冷冻浓缩计算第12章食品干燥原理第一次课(100min)讲授内容：1湿空气的热力学性质1.1湿含量（湿度）H1.2相对湿度1.3湿空气的比热容C H和湿比容υH1.4 湿空气的热含量(焓)I1.5 干球温度t和湿球温度t m1.6 露点t d第二次课(100min)讲授内容：2 湿空气的湿焓图及使用方法2.1 湿空气的湿焓图（H－I图）2.2湿焓图的应用3 湿空气的基本状态变化过程3.1 间壁式加热和冷却以及冷（却）凝减湿过程3.2 不同状态湿空气的混合过程3.3 绝热冷却增湿过程第三次课(100min)讲授内容：4 湿物料的基本性质4.1 湿物料的形态和物理性质4.2 湿物料中水分存在形式和表示法4.3 平衡水分5 湿物料常压热风干燥过程5.1 热风干燥过程计算5.2 干燥器的热效率5.3热风干燥基本过程的变型第四次课(100min)讲授内容：6 对流干燥理论6.1 物料干燥机理6.2 干燥速率和干燥特性曲线6.3干燥时间6.3.1恒速干燥时间t16.3.2 降速干燥时间t2第五次课(100min)讲授内容：7 干燥设备7.1干燥器的分类7.2 干燥器。

中国农业大学_848工程流体力学_教案3


（一）斯特劳哈（ Strouhal ）相似准数 S r l vt
运动相似是建立在几何相似基础上的，在尺度比例系数一定的情况下，运动相似只要确 定时间比例系数 t 就可以了，所以运动相似也称为时间相似，几何相似也称为空间相似。这 样， 其他一些运动学物理量的比例系数均可表示为尺度比例系数和时间比例系数的不同组合， 例如，加速度比例系数 a 和角速度比例系数 可以表示为
a l t2
t1
（ 4-4 ） 运动粘度系数、流量都具有运动学的量纲，因此运动粘度比例系数 、流量比例系数 q 可以分别表示为

p l2 t1 m
qp qm
1 3 l t
q
（ 4-5 ）
三、动力相似
动力相似是指原型流动和模型流动中对应点上作用着同名的力，各同名力的方向相同且 具有同一比例。设 F 为力比例系数
F
Fp Fm
（ 4-6 ）
力比例系数也可写成
2 2 2 F m a ( 3 l )(l t ) l v
同样，可以写出其它力学量的比例系数，如力矩 M 、功率 P 、压强 p 、动力粘度 的比 例系数可分别表示为
（ 4-7 ）
M
( Fl ) p ( Fl ) m
x p l x m ; t p t t m ; p m ;
y p l y m
z p l z m p p p pm ; f p f fm
v xp v v xm ; v yp v v yxm ; v zp v v zm
xp xm
第四章 相似理论与量纲分析
在一些流动问题的研究中，单纯采用理论分析的方法难以解决问题，必须借助实验手段 来研究流体运动规律的物理本质。工程流体力学中的实验主要有两种：一种是探索性的观察 实验；另一种是工程性的模型实验。实验研究与理论分析、数值计算一样都是求解流体力学 问题必不可少的手段，实验既是发展理论的依据也是检验理论的准绳。 借助相似理论，我们既可以采用水和空气进行实验，而把实验结果应用于一些不便进行 实验的流体，如氢气，水蒸汽，油等；也可以按照实际流动尺寸制作缩小或放大模型进行模 型实验， 从而减少实验费用。而借助量纲分析方法可以对某一流动现象中若干变量进行组合， 选择能方便操作和测量的变量进行实验，这样可以大幅度减少实验工作量，而且使实验数据 的整理和分析变得比较容易。因此相似理论和量纲分析不仅在流体力学实验有许多应用，而 且也广泛地应用于其他工程领域的研究中。

《工程流体力学》 Engineering fluid mechanics


3.实验报告和作业一起算平时成绩，占总评的20% ；
第一章 绪论 第二章 流体静力学 第三章 一元流体动力学基础 第四章 流动阻力和能量损失 第五章 孔口管嘴管路流动 第六章 离心泵与风机的理论基础 第七章 离心泵与风机的性能
应用流体力学的概念及发展历史
一、物质的三态
在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。
工程流体力学课程的学习要求
1.掌握流体力学的基本理论，基本原理； 2.能运用流体力学的基本理论解决工程实际中的问题； 3.掌握流体力学的基本计算技巧，熟练运用“三大方程” 进 行实际工程的计算和设计； 4.了解水泵(风机)的类型、性能及结构特点； 5.掌握水泵(风机)各种性能参数(流量、扬程、功率)的计算； 6.能根据工程的设计要求进行水泵(风机)选型、安装和调节。
葛洲坝水利枢纽是长江干流上新建的第一座水利枢 纽，被誉为长江第一明珠；
葛洲坝水利枢纽奠基于70年代初，竣工于80年代， 工程总投资48.48亿元人民币； 大江电厂、二江电厂总装机21台，总容量271.5万KW ，年均发电量153亿KW.h； 截至1999年电厂累计发电2320亿KW.h，人均创造劳 动产值71.8万元； 战胜大于45000m3/s特大洪水43次，1998年8月在长 江发生特大洪水期间三次超常规拦蓄洪峰，为缓解 长江中下游灾情、避免荆江分洪做出了突出贡献。
主讲：华中农业大学工程技术学院 杨锐 电子信箱 yr163comzy@
适用专业：机械制造、农业机械化专业 授课对象： 本科生 选用教材 :《流体力学泵与风机》（第四版）
蔡增基主编 中国建筑工业出版社 1999.12
工程流体力学课程的学习安排
1.内容简介
从课程名称来讲《工程流体力学》，即流体力学在实际 工程中的运用，其内容包括两部分：流体力学基础、流体机 械（泵与风机）。

中国农业大学_848工程流体力学_教案1

第一章绪论（基本概念及参数）第一节流体的连续介质模型流体是由无数分子构成的，实质是不连续的，为了能够应用高等数学连续函数来描述流的运动规律，将本来不连续的流体看成是有没有间隙的流体微团（质点）构成的。

在连续性介质假设之下，流体的各种参数都可以看成空间和时间的单值连续函数:在宏观上，流体微团足够小，以至于其体积可以忽略不计。

在微观上要足够大，使得所包容的流体分子的平均物理属性有意义。

当流体流动所涉及到的物体的尺寸能够和分子的平均自由行程和脂分子间的距离相比拟时，流体的连续介质模型不再适用。

第二节作用在流体的力作用在流体上的力有两类：一类是某重力场作用的结果，称为质量力，也称体积力，其大小流体的质量（体积）成正比。

重力场中的重力是质量力，在用动静法来研究有关问题时虚加在流体质点上的惯性力也是质量力。

单位流体的质量力可表示为：其单位为加速度单位：m/s2。

另一类是表面力，是分离体以外的其他物体通过分离体的表面作用在分离体上的力。

一个是剪切应力，一个是法向应力。

在液体与异相物质接触的自由表面上还有表面张力，它是一种特殊类型的表面力，它不是接触面以外物质的作用结果，而恰恰是由液体内的分子对处于表面层的分子的吸引而产生的。

液体自由表面上单位长度的流体线所受到的拉力称为表面张力系数，记作σ，单位是N/m。

液体与固体壁面接触时，在液体表面与固壁面的交界处作液体表面的切面，此切面与固壁面在液体内部所夹的角度θ称为接触角。

当液体表面发生弯曲时，液体内部的压强p与外部的流体介质的压强p0之差与曲面的两个主曲率半径R1 和R2有关：此式称为拉普拉斯表面张力方程。

第三节流体的粘性流体粘性：流体流动时流体质点发生相对滑移产生摩擦力的性质，称为流体的黏性。

动力粘度：流体的粘性大小可用流体的动力粘度来表示，即牛顿内摩擦定律中的比例系数。

上式即为牛顿内摩擦定律，该式表明，各层流间的切向应力和速度梯度成正比，比例系数为流体的动力粘度。

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2 2 α1V 1 V ( c ζ ) c 2g 2g
（ 6-3 ）
2 α1V 1 ，代入上式整理得 2g
令作用于液面的总水头为 H 0 H
Vc
1
c ζ
1
2 gH 0 2 gH 0
（ 6-4 ）
式中：
c ζ

1 称为流速系数， 表示能量损失时收缩断面的理想流速值 2 gH 0 与 1 ζ
第六章 孔口、管嘴和有压管道流动
前面我们学习了流体运动的基本规律和理论，从本章开始，将重点介绍实际工程中常见 的各种典型流动现象，并运用前面的基础理论知识分析这些流动的计算原理和方法。 孔口、管嘴和有压管道流动是实际工程中常见的流动典型问题，例如给水排水工程中的 取水、泄水闸孔，通风工程中管道漏风，某些液体流量设备等就是孔口出流问题；水流经过 路基下的有压短涵管、水坝中泄水管、农业灌溉用喷头、冲击式水轮机、消防水枪等都有管 嘴出流的计算问题；有压管道流动非常广泛，如环境保护、给水排水、农业灌溉、建筑环境 与设备、市政建设等工程。 本章将运用前几章中的流体力学基础知识，主要是总流的连续性方程、能量方程及能量 损失规律，来研究孔口、管嘴与有压管道的过流能力（流量） 、流速与水头损失的计算及其工 程应用；在分析有压管道流动时，将主要讨论不可压的流动问题。 孔口、管嘴和有压管道流动现象可近似看作是从短管（孔口、管嘴）到长管（有压管道） 的流动，将它们归纳在一类讨论，可以更好地理解和掌握这一类流动现象的基本原理和相互 之间的区别。
（ 6-8 ）
式（ 6-8 ）与式（ 6-4 ）形式完全相同，其中 H 0 表示上、下游液面高差，即 H 0 H 1 H 2 ，
流量系数表示成
1 。 1 ζ
图 6-3
当孔口上下游控制流体都在有压管道内流动，如图 6-3 所示，实际上也是淹没出流现象。 此时只需将 gH 0 换成
p1 p 2
H1
pa


2 1V 1
2g
H2
pa


2 2V 2
2g
ζ
Vc V ζE 2 2g 2g
2
2
2
（ 6-6 ）
整理上式，可得
(H1
2 1V 1
2g
) (H 2
2V 2 2
) (ζ ζ E ) V c 2g 2g
（ 6-7 ）
式中： H 1 +
2 1 V 1
2g
、H2 +
2 V 2 2
2g
分别表示断面 1 1和 2 2 的总水头，通常因孔口两侧容器较
大，有 V1 0 、 V2 0 ，水流收缩局部系数 ζ 可取 0.06 ，水流突然扩大局部损失系数 ζ E 可取 1 ，则式（ 6-7 ）经整理得
Vc
1 2 g (H1 H 2 ) 2 gH 0 1 ζ
H
pa


2 1V 1
2g
0
pc


2 cV c
2g
hw
（ 6-1 ）
因水箱内的水头损失与孔口局部损失比较可以忽略，故
hw h 为流经孔口的局部阻力系数。 在小孔口自由出流情况下，可认为 pc pa ，于是式 6-1 经整理得
H
实际流速值 V c 之比。
通过孔口的流量可表示为
q Vc Ac εA 2 gH 0 A 2 gH 0
式中： ε 称为孔口的流量系数。
（ 6-5 ）
式（ 6-4 ）和式（ 6-5 ）即为计算小孔口出流的基本关系式。 （ 2 ）淹没出流
图 6-2
如图 6-2 所示，在淹没出流情况下，水流经收缩 c c 后会迅速扩散，此时的局部水头损 失包括两部分：水流收缩产生的局部损失与水流扩散产生的局部损失。其中，前者与孔口自 由出流相同， 而后者可按突然扩大来计算。 在容器内离孔口相当距离处取控制面 1 1、2 2 ， 孔口中心的水平线 0 0 为基准线，以断面 1 1和 2 2 与基准线 0 0 的交点取为控制计算点 列出伯努利方程
> 0.1，称为大孔口。
图 6-1 （将
pa 改为
V12 pa 、 1 2g
改为
1V12
2g
）
在容器内离孔口相当距离处取控制面 1 1，并取收缩断面 c c 为下游控制面，以过孔口 中心的水平线为基准线 0 0 ，把 1 1面与液面交点和 c c 面与基准线 0 0 交点取为控制计 算点列出伯努利方程
第一节 孔口及管嘴恒定出流
流体经过孔口及管嘴出流是实际工程中广泛应用的问题。本节将要介绍孔口和管嘴出流 的计算原理。
一、孔口出流的计算
在盛有流体的容器上开孔后，流体会通过孔口流出容器，称这类流动为孔口出流。流体 经孔口流入大气的出流，称为自由出流，如图 6-1 所示；若孔口流出的水股被另一部分流体 所淹没，称为淹没出流，如图 6-2 所示。若孔口内为锐缘状，容器壁的厚度较小，或出流流 体与孔口边壁成线状接触（ l / d 2 ） ，而不影响孔口出流，称这种孔口为薄壁孔口。本节将 主要讨论薄壁孔口出流。 根据孔口尺寸的大小，可以将孔口分成小孔口与大孔口。 圆形薄壁孔口的实验研究表明， 如图 6-1 所示，当 d / H 0.1 ，称为小孔口；当 d / H 1 ．薄壁小孔口恒定出流 （ 1 ）自由出流 以图 6-1 为例，当流体流经薄壁孔口时，由于流体的惯性作用，流动通过孔口后会继续 收缩， 直至最小收缩断面 c c 。 下面对作用水头 H 不随时间条件下的恒定孔口出流进行分析。
，而流速系数 和流量系数 取决于孔口局部阻力系数 ζ 和收缩系数 ε 。在工程中经常遇
到的孔口出流，雷诺数 Re 足够大，因此孔口局部阻力系数 ζ 和收缩系数 ε 主要与边界条件有 关。 一般来讲，收缩系数 ε 取决于孔口形状、孔口边缘情况和孔口在壁面上的位置。实践证 明，薄壁小孔口形状对于流量系数 的影响甚小。而孔口在壁面上的位置对收缩系数 有直 接影响，继而也影响流量系数 的值。 图 6-4 表示孔口在壁面上的位置。当孔口离容器的各个壁面都有一定的距离时，流束在 孔口四周各方向上均能发生收缩，称此现象为全部收缩，如图 6-4 中的孔口 1 和 2 ；否则当 孔口与容器的壁面存在重合时，称为不全部收缩，如图 6-4 中的孔口 3 和 4 。

，其孔口出流公式为
Vc
2( p1 p 2 )

（ 6-9 ）
q A
2( p1 p 2 )

（ 6-10 ）
应用时要注意这里 p1 和 p 2 的单位是 Pa 。 （ 3 ）收缩系数及流量系数 由以上分析可知，表征孔口出流性能主要是孔口的收缩系数 ε 、流速系数 和流量系数