3热工流体动力学基础PPT课件

Re≤2300时，流态为层流； Re≥4000时，流态为湍流； 2300<Re<4000时，流态为过 渡流
水利半径
F RH S
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【例】某硅酸盐工业窑炉内，烟气的温度为1000℃，其标态密度 为1.30kg/Bm3，在截面为0.5×0.6m2的烟道中以3.8m/s的流速通过， 烟 道 内 负 压 为 4 0 2 Pa， 试 判 断 烟 道 中 烟 气 的 流 态 （ 设 当 地 大 气 压 为 99991Pa）。
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流体在管道截面上的速度分布
层流
紊流
流体在管道截面上的速 度呈抛物线规律分布
紊流 区
过渡 区
层流 底层
层流底层厚度：
62
d
7
Re 8
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2.2流体动力学基本方程
----连续性方程
流体在流动过程中应该遵循质量守恒定律，且满足连续介质假 设。设流动为恒定流动，则在流动过程中，管道各截面上的流
半径，用Rh表示，即
Rh = A / S
圆形管道
Rh
A/S
D 2 4
/ D
D 4
定义水力半径的4倍表示其当量直径
De= 4Rh
对于长度为a、宽度为b矩形截面的的管道
De
4
ab 2(a
b)
2ab ab
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恒定流与非恒定流
按照流体流动时的流速以及其它和流动有关的物理量（例如压 力、密度）是否随时间变化，可以将流体的流动分成两类：恒 定流和非恒定流。若流场中空间各点上的任何运动要素不随时
层流
过渡流
紊流
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三种流态
（A）层流：流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂 （B）过渡流：质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度 （C）紊流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂
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流态判断： 雷诺准数 Re dw
圆形管道d为直径,非圆 形管道用当量直径
当量直径de=水利半径RH×4
情况和随时间的变化。
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2.1流体流动的基本概念 流场、迹线与流线
流场 流体流动所占据的空间称为流场。根据流场中各运动要素与空间坐 标的关系，可把流动分为一维流动，二维流动与三维流动。若运动要素 仅与一个坐标有关，则称为一维流动。实际流体力学问题多属于三维流 动，但为了数学处理上方便，人们往往根据具体问题的性质把它简化为 二维流动或一维流动来处理。
显而易见，迹线与流线是完全不同的。迹线描述 的是同一质点在不同时间的位置，而流线表示的 则是同一瞬间不同质点的速度方向。在稳态流动 时流线与迹线重合。
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过流断面、流量与流速
过流断面 凡是与流线处处相垂直的横截面称为流体的过流断面。如图1-17所示， 当流线相互平行时，过流断面为平面，当流线互相不平行时，过流断面为曲面。
QV
u dA
A
体积流量与Q质m量流A量u之 d间A的关系为 M = ρQV
单位过流面积的流量分别计为 q 和 m
q=Q/A m=M/A
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流速
单位时间内流体在流动方向上流经的距离称为流速，以符号u表 示，单位为m/s。
在流体流动中通常按流量相等的原则来确定平均流速。平均速度
以符号 表示
Q uA 7 0.3 0.5 1.05（m3/s）
M Q 1.051.21 1.2（7 kg / s)
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当量直径和水力半径
对于非圆形管道内流体的流动，在流动计算中要涉及当量直径
的计算。在总流的有效截面上，流体与固体壁面接触的长度称
为湿周，用 S表示；总流的有效截面积A和湿周之比称为水力
迹线 流体质点运动的轨迹即为迹线，它是采用拉格朗日法考察流体运动 所得的结果。如滴一小滴不易扩散的颜料到水流中，便可看到颜料的运 动轨迹。
流线 某时在流场中画出一条空间曲线，此瞬时在曲线上任一点之切线方 向与该点流体质点的速度方向重合，这条曲线就叫作流线。
在非恒定流中，流线一般会随时间变化；在恒定流中，流线不随时间变 化，流体质点将沿着流线走，流线与迹线重合。
流量 ： 流体在单位时间内流过某一特定空间曲面的流体量称为流量。流体量可以 用质体量积流、量质Qm量（来kg表/s示），（故M流）量。又如可以相dA应为的微分元为过体流积断流面量的Q面V（积m，3u/s表或示L/该s）断（面Q上）的与速 度，则通过此断面的流量为：
体积流量 dQV = udA 质量流量 dQm = ρ dQV =ρudA 总流的流量为上述两式对总流过流断面面积A的积分，即
4.9 105 (Pa
s)
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当量直径： 2ab 2 0.5 0.6
de a b 0.5 0.6 0.545(m) 雷诺准数：
Re
de w
0.545 3.8 0.274 4.9 105
1.158 104
4000
判断：烟道中烟气为紊流
注意:雷诺数Re的大小，可作为判别流 体流动形态的依据，还反映流动中液体质 点湍动的程度
第一章 流体力学基础
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流体流动描述方法
拉格朗日法
跟踪每个流体质点的运动过程，描述其运动参数（如位移、速 度等）与时间的关系。
欧拉法
不着眼于个别流体质点的运动，而是在固定空间位置上，观察在 不同时刻流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密 度等，即欧拉法系直接描述各有关运动参数在空间各点的分布
Q uA udA A
u
udA
A
Q
AA
一般情况下，为方便起见，也可直接记作 u或w。
【例】 有一矩形通风管道，其断面尺寸为高h=0.3m，宽b=0.5m。若管 内断面平均流速u=7 m/s，试求空气的体积流量、质量流量（空气的 密度为1.21kg/m3）。
【解】 根据式(1-56)，空气的体积流量和质量流量为
间变化，称为恒定流。否则为非恒定流。
(a) 恒定流动（液面高度不变）、(b) 不恒定流动（液面随时改 变）
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均匀流与非均匀流
均匀流：流速大小和方向不变的流动。 非均匀流：流速大小和方向均随流动
过程而改变的流动。 均匀流的过流断面上流体压强分布符
合静力学规律 非均匀流不符合静力学规律
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流体流动状态 雷诺实验
【解】 1000℃时烟气的密度为：
0
(
p p0
)(T0 T1
)
1.3 99991 402 273 0.274(kg / m3 ) 101325 273 1000
1000℃时烟气的粘度为：
0
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273 C T C
T 273
3
2
1.587
105 (
273
173
)(1273)
3 2
1273 173 273