5-1.4流体流动的内部结构

第一章 流体流动主要内容：流体静力学及其应用；流体流动中的守衡原理；流体流动的内部结构；阻力损失；流体输送管路的计算；流速、流量测量；非牛顿流体的流动。

重点内容：流体静力学基本方程及其应用；连续性方程，柏努利方程及其应用；管内流体流动助力；管路计算。

难点内容：机械能衡算式——柏努利方程；复杂管路的计算。

基本要求：熟练掌握机械能衡算式——柏努利方程， 课时安排：24第一节 流体的重要性质--流体静力学基本概念： 1．流体：具有流动性的液体和气体统称为流体。

2．连续性介质假定：流体是由连续的流体质点组成的。

3．流体静力学—研究流体处于静止平衡状态下的规律及其应用； 4．流体动力学—研究流体在流动状态下的规律及其应用。

5．不可压缩流体和可压缩流体 一、流体的密度：单位体积流体的质量 ρ=m/V [kg/m 3]重度—工程单位制中，表示密度的单位，其数值与密度相同。

3-⋅m kgf比重—物料密度与纯水（227K ）密度之比，其数值的一千倍等于密度的数值。

比容——密度的倒数ρ1=v 。

1.纯流体的密度液体的密度随压强变化小，但随温度稍有变化；气体的密度随压强、温度变化大。

理想气体ρ（t 不太低，p 不太高的气体，可用理想气体状态方程）PV=nRT RT PM V m ==ρ 或004.22TP PT M ⨯=ρ 对t 低，p 高的气体，可用真实气体状态方程计算 2.混合流体的密度（1）液体混合物的m ρ（1kg 基准）∑=iimw ρρ1(假设为理想溶液)ρi 液体混合物中各纯组分的密度。

W i ：液体混合物中各组分的质量分率。

（2）气体混合物m ρ（1m 3基准） ii m y ∑=ρρy i ：气体混合物中各组分的体积分率。

二、流体的静压强1． 静压强定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。

AP p =2． 压强的单位（1）直接按压强定义：N/m 2，Pa （帕斯卡）（2）间接按流体柱表示：m H 2O 柱，mm Hg 柱（3）与大气压作为计量单位：标准大气压(atm)，工程大气压（at ） 单位换算：1atm=1.0133×105Pa =760mmHg=10.33m H 2O=1.033kgf/cm 21 at =9.807×104Pa =735.6mmHg= 10m H 2O=1 kgf/cm 23表示压强的基准（1） 绝对压强—以绝对真空为基准测得的压强；（2） 相对压强—以当地大气压为基准测得的压强：表压和真空度p >当地大气压， 表压强=绝对压强-大气压强 p <当地大气压， 真空度=大气压强-绝对压强三、流体静力学基本方程式——研究流体柱内压强沿高度变化的规律 a) 推导：在垂直方向上，力的平衡：p 1绝对真空p 2A=p 1A+G=p 1A+ρgA （Z 1-Z 2） p 2=p 1+ρg （Z 1-Z 2）若Z 1面在水平面上 p 2=p 0+ρgh 2．讨论（1） 静止液体内任一点压强，与深度有关，越深，压强越大；（2） 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点，因深度相同，压强也相同；（3） 巴斯葛原理—液面上方p 0发生变化，内部各点压强发生同样的变化。

第四节流体在管内的流动阻力实际上理想流体是不存在的。

流体在流动过程中需要消耗能量来克服流动阻力，本节讨论流体流动阻力的产生、影响因素及其计算。

§1.4.1牛顿粘性定律与流体的粘度1、牛顿粘性定律设有间距很小的两平行板，两平板间充满液体(如图)。

下板固定，上板施加一平行于平板的切向力F，使上板作平行于下板的等速直线运动。

紧贴上板的液体层以与上板相同的速度流动，而紧贴固定板的液体层则静止不动。

两层平板之间液体的流速分布则是从上到下为由大到小的渐变。

此两板间的液体可看成为许多平行于平板的流体层，这种流动称为层流，而层与层之间存在着速度差，即各液层之间存在着相对运动。

运动较快的液层对与之相邻的运动较慢的液层作用着一个拖动其向运动方向前进的力；而与此同时，运动较慢的液层对其上运动较快的液层也作用着一个大小相等方向相反的力，从而阻碍较快的液层的运动。

这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力（粘滞力）。

流体流动时产生内摩擦力的这种特性称为粘性。

在上图中，若某层流体的速度为u，在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为u+du，则du/dy表示速度沿法线方向上的变化率，称为速度梯度。

实验证明，内摩擦力F与两流体层间的接触面积S成正比，与速度梯度du/dy成正比。

即：F∝S·du/dy亦即：F=μS·du/dy剪应力τ：单位面积上的内摩擦力，即F/S, 单位N/㎡于是：τ=F/S=μ·du/dy——牛顿粘性定律μ为比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度说明：①牛顿粘性定律可表达为剪应力与法向速度梯度成正比，与法向压力无关，流体的这一规律与固体表面的摩擦力的变化规律截然不同。

②牛顿粘性定律的使用条件：层流时的牛顿型流体。

③根据此定律，粘性流体在管内的速度分布可以预示为：如图紧贴壁面的流体受壁面固体分子力的作用而处于静止状态，随着离壁距离的增加，流体的速度连续地增大，至管中心处速度达到最大。

第5章圆管流动一.学习目的和任务1.本章学习目的（1）掌握流体流动的两种状态与雷诺数之间的关系；（2）切实掌握计算阻力损失的知识，为管路计算打基础。

2.本章学习任务了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；掌握圆管层流基本规律，了解紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论；了解尼古拉兹实验和莫迪图的使用，掌握阻力系数的确定方法；理解流动阻力的两种形式，掌握管路沿程损失和局部损失的计算；了解边界层概念、边界层分离和绕流阻力。

二.重点、难点重点：雷诺数及流态判别，圆管层流运动规律，沿程阻力系数的确定，沿程损失和局部损失计算。

难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。

由于实际流体存在黏性，流体在圆管中流动会受到阻力的作用，从而引起流体能量的损失。

本章将主要讨论实际流体在圆管内流动的情况和能量损失的计算。

5.1 雷诺(Osborne Reynolds)实验和流态判据5.1.1 雷诺实验1883年，英国科学家雷诺通过实验发现，流体在流动时存在两种不同的状态，对应的流体微团运动呈现完全不同的规律。

这就是著名的雷诺实验，它是流体力学中最重要实验之一。

图5－1 雷诺(Osborne Reynolds)实验图5－2 雷诺实验结果105如图5－1所示为雷诺实验的装置。

其中的阀门T1保持水箱A 内的水位不变，使流动处在恒定流状态；水管B 上相距为l 处分别装有一根测压管，用来测量两处的沿程损失f h ，管末端装有一个调节流量的阀门T3，容器C 用来计量流量；容器D 盛有颜色液体，T2控制其流量。

进行实验时，先微开阀门T3，使水管中保持小速度稳定水流，然后打开颜色液体阀门T2放出连续的细流，可以观察到水管内颜色液体成一条直的流线，如图5－2（a ）所示；从这一现象可以看出，在管中流速较小时，它与水流不相混和，管中的液体质点均保持直线运动，水流层与层间互不干扰，这种流动称为层流（Laminar flow ）。

第四节流体在管内的流动阻力实际上理想流体是不存在的。

流体在流动过程中需要消耗能量来克服流动阻力，本节讨论流体流动阻力的产生、影响因素及其计算。

§1.4.1牛顿粘性定律与流体的粘度1、牛顿粘性定律设有间距很小的两平行板，两平板间充满液体(如图)。

下板固定，上板施加一平行于平板的切向力F，使上板作平行于下板的等速直线运动。

紧贴上板的液体层以与上板相同的速度流动，而紧贴固定板的液体层则静止不动。

两层平板之间液体的流速分布则是从上到下为由大到小的渐变。

此两板间的液体可看成为许多平行于平板的流体层，这种流动称为层流，而层与层之间存在着速度差，即各液层之间存在着相对运动。

运动较快的液层对与之相邻的运动较慢的液层作用着一个拖动其向运动方向前进的力；而与此同时，运动较慢的液层对其上运动较快的液层也作用着一个大小相等方向相反的力，从而阻碍较快的液层的运动。

这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力（粘滞力）。

流体流动时产生内摩擦力的这种特性称为粘性。

在上图中，若某层流体的速度为u，在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为u+du，则du/dy表示速度沿法线方向上的变化率，称为速度梯度。

实验证明，内摩擦力F与两流体层间的接触面积S成正比，与速度梯度du/dy成正比。

即：F∝S·du/dy亦即：F=μS·du/dy剪应力τ：单位面积上的内摩擦力，即F/S, 单位N/㎡于是：τ=F/S=μ·du/dy——牛顿粘性定律μ为比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度说明：①牛顿粘性定律可表达为剪应力与法向速度梯度成正比，与法向压力无关，流体的这一规律与固体表面的摩擦力的变化规律截然不同。

②牛顿粘性定律的使用条件：层流时的牛顿型流体。

③根据此定律，粘性流体在管内的速度分布可以预示为：如图紧贴壁面的流体受壁面固体分子力的作用而处于静止状态，随着离壁距离的增加，流体的速度连续地增大，至管中心处速度达到最大。

《化工原理B》教学知识点小结Principles of Chemical Engineering (B) 80学时（其中理论教学56学时，实验24学时）0 绪论（0.5学时）化工单元操作历史梗概，本门课程的性质、地位和要回答的问题。

1 流体流动[教学目的]学习流体流动的宏观规律，理解流体流动的内部结构，掌握因次论指导下的实验研究法、阻力损失计算、流体输送管路计算，能够运用流体流动原理进行流速流量测量。

[教学重点与难点]机械能衡算和阻力损失计算；流体流动内部结构和因次分析法。

[教学时数]11.5学时[教学方法与手段]流体静力学和守恒原理等简单问题严格推导，湍流基本特征和阻力计算等复杂问题简化处理，压强测量、管路计算和流速流量测量采用定性分析与定量计算相结合的方法，强化基本原理、基本方程工程应用训练。

在多媒体教室采用电子课件进行课堂讲授.[教学内容]1.1 概述流体流动的两种考察方法；流体流动中的作用力；流体流动中的机械能。

1.2流体静力学静压强在空间的分布；压强能和位能；压强的表示方法；压强的静力学测量方法。

1.3 流体流动中的守恒原理质量守恒；机械能守恒；动量守恒×。

1.4 流体流动中的内部结构流动的型态；湍流的基本特征；圆管内流体运动的数学描述。

1.5阻力损失两种阻力损失；湍流时直管阻力损失的实验研究方法；直管阻力损失的计算式；局部阻力损失。

1.6流体输送管路的计算阻力对管内流动的影响；管路计算；可压缩流体的管路的计算。

1.7流速和流量的测量毕托管（测速管）；孔板流量计；转子流量计。

2 流体输送机械[教学目的]将流体力学原理应用于工程实际；将“流体输送机械”作为单元操作进行讨论。

[教学重点和难点]离心泵（泵的选择和操作）；离心泵基本方程的推导和离心泵安装高度。

[教学时数]4学时讲解管路特性、离心泵基本方程、安装高度等内容应尽可能地运用和巩固“流体流动“一章已学过的原理和公式；从单元操作的目的着手，讨论达到输送目的所能调动的工程手段，探讨实现输送所需的设备或机械结构及其操作性能，以及能量使用的经济性等问题。