第1章 流体流动基础 1.1教学基本内容 (1)掌握流体的密度、黏度等物性参数的求取及不同单位之间的换算，掌握流体的作用力 压力的基准和单位、连续性假定； (2)掌握流体的连续性、压缩性、黏性的概念，掌握牛顿黏性定律； (3)掌握流体静力学基本方程的应用范围及其在压力（压差）、液位、液封高度测量中的 应用； (4)掌握理想流体的概念，掌握连续性方程、伯努利方程、机械能衡算式的内涵、应用条件及 其应用； (5)掌握边界层形成的原因和条件、平板上及圆管内边界层的发展、边界层的分离条件； (6)掌握流体流动类型的判断依据及方法，掌握流体在管路中流动时流动阻力（包括直管 阻力和局部阻力)的计算方法，学会流体适宜流速的选择及管路直径的确定； (?)了解管路的构成、管件及阀门的作用，掌握简单管路和复杂管路的特点及相关计算； (8)掌握管路中流体的流速、流量的测定原理及测量方法，以及毕托管、文氏管流量计和孔 板流量计、转子流量计的测量原理、简单结构和特点、安装要点： (9)了解量纲分析方法的相关概念和方法： (10)了解流体流动与动量传递的关系。 本章主要内容之间的关系如图1.1所示： 1.1.1概述 1.流体的连续性假定 研究流体在静止和流动状态下的规律时，常将流体视为由大量质点组成、彼此间没有空隙的 连续介质，利用连续函数方法求得流体的宏观特征值（如压强、密度等），这就是流体的连续性假 定。组成连续介质的质点由大量分子所组成，但其尺寸远小于流体所处空间的尺寸，却远大于分 子自由程。需要注意的是，当流体压力极低时，连续性假定不能应用。 2.流体流动中的作用力
·2 第1章流体流动基础 流体流动 连续性假定 流体流动中的作用力]流体的密度及压缩性 流体静力学 流体动力学→流体流动与动量传递 [流体的压强流体静力学基本方程☐伯努利方程☐连续性方程☐机被能衡算式流动阻力计郭 流体静力学林本方程应用☐伯努利方程应用☐ 机被能衡算式应用、 压力测量浮力液封高度 [流速与流量测定管路计算 测速管孔板流量计文丘里流量计转子流量计 图1.1本章内容便览 流体受到的力有表面力和质量力两类。表面力是指与流体微元接触的外界（器壁或其周围 的其他流体)施加于该流体微元上的力（如压力）。表面力与作用的表面积成正比。单位面积上 的表面力称为应力。质量力（体积力）是指不与流体接触，而施加于流体所有质点上的力（如重 力、离心力)。质量力与流体的质量成正比。 3.流体的密度 单位体积内流体的质量称为流体的密度。一定种类的流体，影响其密度的因素有温度和压力。 液体的密度几乎不随压力而变化，但温度对其有一定的影响，可由相关的物性手册中查得。 气体的密度随压力和温度而变化。当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程来 计算。 液体混合物的密度有相应的计算公式。气体混合物的密度也可按理想气体状态方程计算 (当压力不太高、温度不太低时) 4.流体的压缩性 当作用于流体上的外力发生变化时，流体的体积也会发生变化，这种特征称为流体的压缩 性。流体的压缩性用体积压缩系数K表示，即当温度不变时，压强每增加一个单位时，流体体积 (现以单位质量流体的体积：为基准)的相对变化量。即 (1.1) 通常将K≠0的流体称为可压缩流体，反之为不可压缩流体。一般情况下，液体的K=0,故 可视为不可压缩流体。 1.1.2流体静力学 流体静力学主要研究流体静止状态下所受的各种力（主要为内部压力和重力）之间的关系。 1.流体的压强 作用于流体单位表面积上的法向表面力称为压强，习惯上称为压力（本书后面所提压力，如
1.1教学基本内容 3 不特别指明，均指压强)，而将整个面积上所受到的作用力称为总压力。 (1)压力的单位 按压力的定义表示：N/m2或Pa(帕斯卡)，kg/cm2等。 以流体柱高度表示：米水柱(mH,0),毫米汞柱(mmHg)等（注意：必须注明流体种类）。 以大气压为计量单位：物理大气压(atm),工程大气压(at)。 要掌握以上各种压力单位的换算关系。 部分压力单位的换算关系如下： 1mmHg=133.322Pa1mmH,0=9.80665Pa 1atm=101.325kPa=760mmHg=10.3mH,0 1at=98.07kPa=735.6mmHg=10.0mH,0 (2)压力的基准 绝对压力：以绝对真空（绝对零压）为基准测得的压力 表压：以当时当地大气压为基准测得的压力，即绝对压力与大气压力之差，一般压力表所显 示的数值即为表压。 '真空度：如表压值为负值称为真空度，此时绝对压力低于大气压力，一般真空表所显示的数 值即为真空度。 (3)压力的特性 第一，流体压力处处与流体的作用面相垂直，且总指向流体的作用面： 第二，流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关 2.流体静力学基本方程 (1.2) (1.3) 或 P+pgz=P:+pgz (1.4) 式(1.2)中各项单位均为J/kg。其中，g:项是单位质量流体所具有的位能，而p/p项是单位 质量流体所具有的静压能。式(1.3)中各项的单位是J/N或m,是指每牛顿流体所具有的能量 式(1.4)中各项的单位是J/m'或Pa,是指每立方米流体所具有的能量。 由以上各式可知，静止连续的均质流体中，流体内各点位能或静压能可能不相等，但二者可 以互相转换，其总和保持不变。这就是流体静力学基本方程的物理意义。 流体静力学基本方程适用于重力场中静止、连续的同一种不可压缩流体。对于不连续的流 体，应分段使用静力学方程。 应用流体静力学基本方程时要注意等压面的选取。等压面是流体中压力相等的水平面。等 压面必须同时满足静止的、连续的同一种流体并处于同一水平面这些条件，缺一不可。 流体静力学基本方程也可用于压力变化幅度不大如P:<20%的气体，此时取流体的平
第1章流体流动基础 均密度进行计算。 3.流体静力学基本方程的应用—压力测量 流体静力学基本方程可用于压力测量、液位测量和液封高度计算等，这里仅讨论压力测量。 (1)U形管压差计 ·形管压差计用于测量管路或设备中两点间的压力差。压差计中的指示液必须与被测流体 不互溶、不发生化学反应，其密度p。必须大于被测流体的密度P。如图1.2所示（水平等径管） 两测点1、2之间的压差为 △p=P,-p2=gR(po-p) 若点2处连接大气，则测出的△即值是1点的表压值。 (2)微差压差计（双液体U形管压差计） 若两截面1-1与2-2的压差很小，则为了提高读数精度，除了可选用P。尽可能与p相近的 流体作指示液的U形管压差计、使用铺斜管压差计等外不可用激差压差计，加图1.3所示。在 U形管的两端上方各增设一个扩大室（其直径至少大于下面细管直径的10倍），其中各装有指 示液A和C,要求指示液A和C与下方U形管中指示液、与所测流体不相溶及发生化学反应，且 密度大于下方U形管中指示液的密度。 图1.2U形管压差计 图1.3微差压差计 当微差压差计两端与压力分别为P,和P,的两个取压口相连接而测取压差时，压差计两端上 方扩大室的截面积比下方U形管的截面积大得多 (100倍以上)，U形管中指示液读数变化对两扩大室 中液面影响不大，则有 P:-P:=(PA-Pc)gR 1.5) 由于两种指示液的密度PA和pc非常接近(P> P),可使读数R放大几倍甚至更大。 (3)倒U形管压差计 如果指示剂（如空气）密度P小于被测流体密度 P,则应使用倒U形管压差计，如图1.4所示。所测两 截面间的压差为 图1.4倒U形管压差计
1.1教学基本内容 5 Ap=P1-P2=(p-Po)gR 注意：以上各压差计算式仅适用于水平等径管。 1.1.3流体动力学 流体动力学研究流体在流动时的规律性及能量之间的转化规律。 1.流量与流速 体积流量qv(m'/s)、质量流量q(kg/s)与平均速度u(m/s)、质量流率G[kg/(m2·s)]之 间的关系为 式中，S为管道流通截面积，m2:p为流体的密度，kg/m'。 由于气体的体积随温度T和压强p而变，故气体的平均速度u也随T、p变化。因此，气体在 管内流动时，有时采用不随气体状态(T、P)变化的质量流率G计算较为方便。 2.稳态流动与非稳态流动 在流动系统中，若流体的流速、密度、压力等物理量仅是位置的函数，不随时间改变，则称此 系统为稳态流动系统。工业生产上的流动多属稳态流动。反之，若以上参数不仅随位置变化，而 且随时间而变，则称该系统为非稳态流动系统。工业生产中的开车与停车阶段的流动属非稳态 流动。 3.稳态流动时的连续性方程 Sp1=山，5p2=.uSp=9n=常数 (1.6 对不可压缩流体，P为常数，有 4,S,=42S2=.=uS=q=常数 (1.7) 不可压缩流体在圆管内流动时 u,d=山，d=.=ud2=常数 (1.8) 式中，d,d2,.,d为管内径 4.伯努利方程 用于不可压缩理想流体（假想的无黏性流体，其在流动时无阻力）的伯努利方程的三种形 式为 p2%+ (J/kg) (1.9) (J/N) (1.10) 2 (1.11) 由以上三式可见： ①不可压缩理想流体在与外界无能量交换的稳态恒温流动系统中，机械能守恒，且可以相 互转换 ②伯努利方程中的各项皆为机械能，但用不同单位表示机械能时，其形式也不同