流体流动基本知识详解
流体流动基本知识详解
流体流动是自然界和工程领域中常见的物理现象,从日常生活中的水流到工业生产中的气体输送,都离不开流体流动的基本原理。本文将系统地介绍流体流动的基本知识,包括流体的定义、基本概念、能量形式以及相关的流动规律,帮助读者建立流体力学的基础理论框架。
流体流动的基本知识
流体的定义
流体是指具有固定质量但无固定形状,并且具有一定流动性的物体。流体的主要特征包括:
- 流动性:流体不能承受拉力
- 无固定形状:随容器的形状而改变
- 流动性:在外力作用下产生流动
- 连续性:在非高度真空条件下,流体是连续的
- 压缩性:可分为可压缩性流体(气体)和不可压缩性流体(液体)
基本概念
流体流动涉及多个基本概念,包括密度、压强、黏度、流量和流速。
- 密度
流体的密度是指单位体积的流体所具有的质量,用符号ρ表示,在国际单位制中,其单位是kg/m³。密度的大小可以用公式(2-1)计算:
任何流体的密度都与温度和压力有关,但压力的变化对液体密度的影响很小(压力极高时除外),因此液体通常被视为不可压缩的流体。
- 压强
垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压强,简称为压强或压力,以符号p表示。若以F(N)表示流体垂直作用在面积A(m²)上的力,则压强的计算公式为:
工程上常用的压强单位是帕斯卡(Pa),其倍数单位包括MPa(兆帕)、kPa(千帕)、mPa(毫帕),它们的换算关系为:
1MPa=10³kPa=10⁶Pa=10⁹mPa
压强的表示方法有:
- 绝对压力:以绝对零压(绝对真空)为基准算得的压强
- 表压、真空度:以大气压为基准得到的压力,比大气压高的部分称表压,比大气压低的部分称真空度
工程上压强的大小也常以流体柱高度表示,如米水柱(mH₂O)和毫米汞柱(mmHg)等。用液柱高度表示压强时,必须注明流体的名称,如10mH₂O、760mmHg等。
标准大气压(物理大气压):atm
工程大气压:at
例4:一台操作中的离心泵,进口真空表和出口压力表的读数分别为0.02MPa和0.11MPa,试求绝对压强分别为多少kPa。设当地大气压为101.3kPa。
解答:
进口真空表读数即为真空度,则进口绝对压强为
P1=(101.3-0.02×10³)kPa=81.3kPa
出口压力表读数即为表压,则出口绝对压强为
P2=(101.3+0.11×10³)kPa=211.3kPa
- 黏度
流体的黏度是描述流体黏性(内摩擦力)大小的物理量,可以用两种方式表示:
- 动力黏度μ,单位Pa·s
- 运动黏度v,单位m²/s
液体的黏度随温度升高而减小,而气体的黏度随温度升高而增加。实际流体是指具有黏度的流体,在运动时存在内摩擦力,黏性系数μ≠0;理想流体则是指既无黏性,又完全不可压缩的一种假想流体,即μ=0。
- 流量
流量分为体积流量和质量流量两种:
- 体积流量,用qv或Q表示,单位为m³/s、m³/h、L/s
- 质量流量,用qm或G表示,单位为kg/s、t/s
泵的理论流量是指单位时间内流入叶轮的液体体积量,可以通过公式(2-4)计算。
- 流速
流速分为体积流速(平均流速)和质量流速(质量通量):
- 体积流速用u或c表示,单位为m/s
- 质量流速用G表示,单位为kg/(m²·s)
流体所具有的能量
流体在流动过程中具有三种主要的能量形式:
- 位能
位能是流体质量中心处在一定的空间位置而具有的能量,质量为m、距离基准水平面的垂直距离为Z的流体的位能是mgZ,单位为J。
- 动能
动能是流体具有一定的运动速度而具有的能量,质量为m、流速为c的流体所具有的动能为:
- 静压能
静压能是流体因为具有一定的静压力而具有的能量。质量为m(kg)、压力为p(pa)的流体的静压能为:
位能、动能与静压能都是机械能,在流体流动时,三种能量可以相互转换。
稳定流动和非稳定流动
- 稳定流动
流动参数只与空间位置有关而与时间无关的流动(连续)。
- 非稳定流动
流动参数既与空间位置有关,又与时间有关的流动(间歇)。
连续定理-连续性方程
根据质量守恒定律,单位时间内流进和流出控制体的质量之差应等于单位时间控制体内物质的累积量。而稳定流动时,累积量为零。
对于不可压缩流体(ρ为常数):
液体在大截面处的流速较小,而在小截面处的流速较大,这就是连续定理。
伯努利方程(能量守恒方程)
伯努利方程描述了流体在稳定流动系统中的能量守恒关系。考虑流体在图2-5所示的系统中稳定流动,由于截面1-1与截面2-2处境不同,因此,这两个截面上的流体的能量是不一样的,但是根据能量守恒定律,稳定流动系统中的能量是守恒的,即进入流动系统的能量应该等于离开流动系统的能量与系统内的能量积累的和。
衡算范围:截面1和截面2间的管道和设备。
衡算基准:1kg流体(单位质量流体)。
设截面1的流体流速为c1,压强为p1,截面积为f1;截面2的流体流速为c2,压强为p2,截面积为f2。
取o为基准水平面,截面1和截面2中心与基准水平面的距离为Z1,Z2。
1kg流体从泵获得的外加功为We,1kg流体从截面1-1流到截面2-2的全部能量损失为Σhf。
总能量衡算:
对于稳定流动系统:
规定He=We/g,ΣHf=Σhf/g,则:
对于理想流体(hf=0),当没有外功加入时We=0:
位压头:
动压头:
静压头:
外加压头:
压头损失:
柏努利方程应用
柏努利方程与流动性方程是解决流体流动问题的基础。应用步骤包括:
- 截面选取
- 基准水平面
- 物理量单位
应用条件:
- 两截面间的流体必须连续、定态流动
- 物理量应是截面上的平均值
- 两截面均应与流动方向垂直
基准面是用于衡量位能大小。