空气在管道中流动的基本规律

2.2 流动流体的基本规律2.2.1 流动的基本概念流体和连续性假设流体是气体和液体的统称。

气体和液体的共同点是不能保持一定形状，具有流动性；而其不同点表现在液体具有一定的体积，几乎不可压缩；而气体可以压缩。

当所研究的问题并不涉及到压缩性时，所建立的流动规律，既适合于液体也适合于气体，通常称为流体力学规律；此时通常不明确区分气体和液体而泛称为流体。

当计及压缩性时，气体和液体就必须分别处理。

空气是由分子构成，在标准状态下（即在气体温度15℃、一个大气压的海平面上），每一立方毫米的空间里含有2.7×1016个分子。

空气分子的自由行程很小，大约为6×10-6cm。

当飞行器在这种空气介质中运动时，由于飞行器的外形尺寸远远大于空气分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，空气分子之间的距离完全可以忽略不计，即把空气看成是连续的介质。

这就是空气动力学研究中常说的连续性假设。

随着海拔高度的增加，空气的密度越来越小，空气分子的自由行程越来越大。

当飞行器在40km以下高度飞行时，可以认为是在稠密大气层内飞行，这时空气可看成连续的。

在120~150km高度上，空气分子的自由行程大约与飞行器的外形尺寸在同一个量级范围之内；在200km高度以上，气体分子的自由行程有好几千米。

在这种情况下，大气就不能看成是连续介质了。

运动的转换在空气动力学中，为了简化理论和试验研究，广泛采用运动的转换原理运动的转换原理，是根据加利略所确定的运动的相对原理而建立的。

相对原理，即如果在一个运动的物体系上附加上一个任意的等速直线运动，则此附加的等速直线运动并不破坏原来运动的物体系中各物体之间的相对运动，也不改变各物体所受的力。

利用运动的转换原理，使问题的研究大为简化。

设飞机以速度v∞在静止空气中运动(图2.2.1)，根据相对原理，可以给该物体系(飞机与周围空气)加上一个与速度v∞大小相等方向相反的速度。

这样得到的运动是，飞机静止不动，无穷远处气流以速度v∞流向飞机。

第一章空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。

涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。

通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。

由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的理论基础。

本章中心内容是工程流体力学基本知识，主要是空气的基本特性及运动时的基本规律。

1.1 空气的基本特性及流动的基本概念流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。

而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体（主要是空气）可视为连续体，即所谓连续性的假设。

这意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。

研究证明，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。

因此在工程应用上，用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。

1.1.1 空气的基本特性1．密度和重度单位体积空气所具有的空气质量称为空气密度，用符号ρ表示。

其表达式为：（1-1）式中：ρ——空气的密度（kg/m3）；m——空气的质量（kg）；V——空气的体积（m3）。

单位体积空气所具有的空气重量称为空气重度，用符号表示。

其表达式为：（1-2）式中：——空气的重度（N/m3）；——空气的重量（N）；——空气的体积（m3）。

对于液体而言，重度随温度改变而变化。

而对于气体而言，气体的重度取决于温度和压强的改变。

由公式（1-2）两边除以，可以得出空气的密度与重度存在如下关系；（1-3）式中：——当地重力加速度，通常取9.81（m/s2）。

2．温度温度是标志物体冷热程度的参数。

就空气而言，温度和空气分子热运动的平均动能有关。

第一章空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。

涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。

通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。

由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的理论基础。

本章中心内容是工程流体力学基本知识，主要是空气的基本特性及运动时的基本规律。

1.1空气的基本特性及流动的基本概念流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。

而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体（主要是空气）可视为连续体，即所谓连续性的假设。

这意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。

研究证明，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。

因此在工程应用上，用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。

1.1.1空气的基本特性1．密度和重度单位体积空气所具有的空气质量称为空气密度，用符号ρ表示。

其表达式为：????????????? ??????????? ???????????????? ???????????????? ?????????（1-1）式中：ρ——空气的密度（kg/m3）；???????????m ——空气的质量（kg）；V——空气的体积（m3）。

单位体积空气所具有的空气重量称为空气重度，用符号表示。

其表达式为：????????????? ???????????? ???????????????? ???????????????? ??????????（1-2）式中：——空气的重度（N/m3）；?????????——空气的重量（N）；——空气的体积（m3）。

流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律一、流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律第一章流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。

涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。

通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。

由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的基础。

本章中心内容是叙述工程流体力学基本知识，主要是空气的物理性质及运动规律。

一、流体及其空气的物理性质(一) 流体通风除尘与气力输送涉及的流体主要是空气。

流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。

但在流体力学中，一般不考虑流体的微观结构而把它看成是连续的。

这是因为流体力学主要研究流体的宏观运动规律它把流体分成许多许多的分子集团，称每个分子集团为质点，而质点在流体的内部一个紧靠一个，它们之间没有间隙，成为连续体。

实际上质点包含着大量分子，例如在体积为10-15厘米的水滴中包含着3×107个水分子，在体积为1毫米3的空气中有2.7×1016个各种气体的分子。

质点的宏观运动被看作是全部分子运动的平均效果，忽略单个分子的个别性，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。

然而，也不是在所有情况下都可以把流体看成是连续的。

高空中空气分子间的平均距离达几十厘米，这时空气就不能再看成是连续体了。

而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体均可视为连续体。

所谓连续性的假设，首先意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。

有了这个假设就可以用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。

空气在管道中流动的基本规律Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT第一章空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。

涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。

通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。

由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的理论基础。

本章中心内容是工程流体力学基本知识，主要是空气的基本特性及运动时的基本规律。

空气的基本特性及流动的基本概念流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。

而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体（主要是空气）可视为连续体，即所谓连续性的假设。

这意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。

研究证明，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。

因此在工程应用上，用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。

1.1.1空气的基本特性1．密度和重度单位体积空气所具有的空气质量称为空气密度，用符号ρ表示。

其表达式为：（1-1）式中：ρ——空气的密度（kg/m3）；m——空气的质量（kg）；V——空气的体积（m3）。

单位体积空气所具有的空气重量称为空气重度，用符号表示。

其表达式为：（1-2）式中：——空气的重度（N/m3）；——空气的重量（N）；——空气的体积（m3）。

对于液体而言，重度随温度改变而变化。

而对于气体而言，气体的重度取决于温度和压强的改变。

由公式（1-2）两边除以，可以得出空气的密度与重度存在如下关系；（1-3）式中：——当地重力加速度，通常取（m/s2）。

分析气体在管道中的压力波传播特性气体在管道中的压力波传播特性是研究气体流动和传递过程中的重要内容之一。

了解气体在管道中的压力波传播特性可以帮助我们更好地设计和优化管道系统，确保其安全、高效运行。

本文将从气体流动的基本原理、压力波的形成机制以及传播特性等角度进行分析。

首先，气体在管道中的流动是由于压力差的存在。

当气体从高压区域流向低压区域时，会形成气体流动。

在这个过程中，由于气体具有一定的弹性，当气体流动的速度发生突然变化时，会引发压力波。

压力波是由气体的振动引起的一种波动现象，它会沿着管道传播。

其次，压力波的形成机制主要包括阀门操作、泵送操作和管道破裂等因素。

当阀门突然关闭或打开时，会引起气体流动速度的突变，从而形成压力波。

同样，当泵送操作开始或结束时，也会导致气体速度的突变，引发压力波。

此外，如果管道发生破裂，由于气体的突然释放，也会形成压力波。

因此，我们在设计管道系统时，需要考虑这些因素，避免不必要的压力波。

然后，压力波在管道中的传播特性是我们分析的重点。

在气体流动中，压力波的速度通常远大于气体流动速度。

这是因为压力波的传播速度取决于两个因素：管道中的气体性质和管道的几何形状。

一般来说，气体的传播速度在空气中约为343米/秒，这是声速，而在管道中通常会比声速略高。

此外，管道的几何形状也会影响压力波的传播速度。

例如，当管道直径较大时，压力波的传播速度会较低，而管道直径较小时，压力波的传播速度会较高。

除了传播速度，压力波还会引起管道内气体压力的突变。

当压力波通过管道时，它会引起局部区域的气体压力上升或下降。

这取决于压力波的类型，压力波可以分为正压力波和负压力波两种。

正压力波会引起管道内气体压力的上升，而负压力波则会引起管道内气体压力的下降。

这些压力变化可能会对管道系统产生影响，例如造成管道破裂或设备损坏的风险。

此外，压力波的传播过程中还会发生波的反射和折射现象。

当压力波传播到管道的一端时，会发生反射，即波会从管道末端反弹回来。

第一章空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。

涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。

通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。

由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的理论基础。

本章中心内容是工程流体力学基本知识，主要是空气的基本特性及运动时的基本规律。

1.1 空气的基本特性及流动的基本概念流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。

而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体（主要是空气）可视为连续体，即所谓连续性的假设。

这意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。

研究证明，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。

因此在工程应用上，用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。

1.1.1 空气的基本特性1．密度和重度单位体积空气所具有的空气质量称为空气密度，用符号ρ表示。

其表达式为：（1-1）式中：ρ——空气的密度（kg/m3）；m——空气的质量（kg）；V——空气的体积（m3）。

单位体积空气所具有的空气重量称为空气重度，用符号表示。

其表达式为：（1-2）式中：——空气的重度（N/m3）；——空气的重量（N）；——空气的体积（m3）。

对于液体而言，重度随温度改变而变化。

而对于气体而言，气体的重度取决于温度和压强的改变。

由公式（1-2）两边除以，可以得出空气的密度与重度存在如下关系；（1-3）式中：——当地重力加速度，通常取9.81（m/s2）。

2．温度温度是标志物体冷热程度的参数。

就空气而言，温度和空气分子热运动的平均动能有关。

第七章 气体的流动(Gas Flow)第一节 气体在喷管和扩压管中的流动主题1：喷管和扩压管的断面变化规律一、稳定流动基本方程气体在喷管和扩压管中的流动过程作可逆绝热过程，气体流动过程所依据的基本方程式有：连续性方程式、能量方程式、及状态方程式。

１、连续性方程连续性方程反映了气体流动时质量守恒的规律。

定值=⋅=vf mg ω写成微分形式ggd v dv f df ωω-=7-1它给出了流速、截面面积和比容之间的关系。

连续性方程从质量守恒原理推得，所以普遍适用于稳定流动过程，即不论流体的性质如何（液体和气体），或过程是否可逆。

２、能量方程能量方程反映了气体流动时能量转换的规律。

由式（3-8），对于喷管和扩压管中的稳定绝热流动过程，212122)(21h h g g -=-ωω 写成微分形式dh d g -=221ω7-2３、过程方程过程方程反映了气体流动时的状态变化规律。

对于绝热过程，在每一截面上，气体基本热力学状态参数之间的关系：定值=k pv写成微分式0=+vdv k p dp 7-3二、音速和马赫数音速是决定于介质的性质及介质状态的一个参数，在理想气体中音速可表示为kRT kpv a ==7-4因为音速的大小与气体的状态有关，所以音速是指某一状态的音速，称为当地音速。

流速与声速的比值称为马赫数：M ag=ω 7-5利用马赫数可将气体流动分类为：m 2g v 222图7-1管道稳定流动示意图亚声速流动：1<M a g <ω超声速流动：1>M a g >ω 临界流动： 1=Ma g =ω三、促使气体流速变化的条件 1、力学条件由式（3-5），对于开口系统可逆稳定流动过程，能量方程⎰-∆=21vdp h q 或 vdp dh q -=δ，式中0=q δ所以 vdp dh = 7-6 联合（7-2）和（7-6）vdp d g g -=ωω7-7由式7-7可见，气体在流动中流速变化与压力变化的符号始终相反，表明气流在流动中因膨胀而压力下降时，流速增加；如气流被压缩而压力升高时，则流速必降低。

垂直管中气液两相气泡流的流动规律流体在管道中的流动状态可分为两种类型。

当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互不混合。

因此，充满整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动，这种流动状态称为层流(laminarflow)或滞流(viscousflow)。

当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都有时发生变化，于是质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流(turbulentflow)或紊流。

流型又称流态，即流体流动的形式或结构,两相流中相间界面的形状和分布状况，就构成了不同的两相流流型。

两相间存在的随机可变的相界面致使两相流动形式多种多样，十分复杂。

流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要因素。

对两相流各种参数准确测量也往往依赖于对流型的了解。

流型的研究已有数十年的历史，但流型的分类尚未统一，甚至同一名称的流型在定义上也不一致。

气液两相流的流型划分。

传统的流动结构判别方法主要有两类采用实验方法作出流型图，采用可视化方法、射线衰减法、接触式探针法等；根据对流型转变机理得到转变关系式，利用现场的流动参数来确定具体的流型。

正确预测判别多相流的流动结构是困难的：理论上一个多相流系统的流动结构有无穷多个影响多相流流动结构的因素多且复杂研究现状：已进行了大量的测量、观察和分析研究工作，至今只有在两相流领域中得出了一些应用范围有限的流动结构判别图及相应的流型判别式，可以粗略地判别管道中两相流体的流动结构。

无论是流型图还是流型判别式都需依靠实验确定出流型转变条件，而且这些转变条件都是针对一定的流道，在一定的介质参数下，进行直接观察实验，用目测或摄影(高速摄影、高速闪光摄像等)来区分流型。

目测与摄影都带有主观因素，缺乏客观判断，尤其是在流型转变区域，更难分辨。

流型研究主要采用技术：对于不透明管道，采用高速x射线CT法，中子射线照相法(NeutronRa—diography)、加速器产生的阳极射线法，NMR(NuclearMagneticResonance，核磁共振)法。

知识点1-2 流体在管内的流动⒈ 学习目的通过学习掌握流体在管内流动的宏观规律——流体流动的守恒定律，其中包括质量守恒定律——连续性方程式及机械能守恒定律——柏努利方程式，并学会运用这两个基本定律解决流体流动的有关计算问题。

⒉本知识点的重点本知识点以连续方程及柏努利方程为重点，掌握这两个方程式推导思路、适用条件、用柏努利方程解题的要点及注意事项。

通过实例加深对这两个方程式的理解。

正确确定衡算范围（上、下游截面的选取）及基准水平面是解题的关键。

3.本知识点的难点本知识点无难点，但在应用柏努利方程式计算流体流动问题时要特别注意流动的连续性及上、下游截面选取的正确性。

4.应完成的习题1-5．列管换热器的管束由121根φ25×2.5mm的钢管组成。

空气以9m/s速度在列管内流动。

空气在管内的平均温度为50℃、压强为196×103Pa（表压），当地大气压为98.7×103Pa。

试求：（1）空气的质量流量；（2）操作条件下空气的体积流量；（3）将（2）的计算结果换算为标准状况下空气的体积流量。

[答：（1）1.09kg/s；（2）0.343m3/s；(3)0.84m3/s]1-6．高位槽内的水面高于地面8m，水从108×4mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。

在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按Σh f=6.5u2计算，其中u为水在管内的流速，m/s。

试计算：（1）A-A’截面处水的流速；（2）水的流量，以m3/h计。

[答：（1）2.9m/s；（2）82m3/h]1-7．20℃的水以2.5m/s的流速流经φ的水平管，此管以锥形管与另一53×3mm的水平管相连。

如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插一垂直玻璃管以面察两截面的压强。

若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。