流体流动

这是一篇关于流体流动的思维导图，主要内容有管流系统的衡算方程、流体流动的内摩擦力、边界层理论、流体流动的阻力损失、管路计算。

流体流动

• 管流系统的衡算方程
  • 管道系统的质量衡算方程
    • 一维流动
      • （不可压缩流体）
  • 道系统的能量衡算方程
    • 流体携带能量
      • 单位质量流体总能量
    • 与外界交换的能量
      • 流动功
      • 定义
        • 单位质量流体对输送机械的作功，We，为正值；若We为负值，则表示输送机械对系统内流体作功
      • 公式
      • 公式（不可压缩流体）
        • • 若为理想流体，hf=0，总能量不变
      • 功率
• 流体流动的内摩擦力
  • 流体的流动状态
    • 层流
      • 不同径向位置的流体微团各以确定的速度沿轴向分层运动，层间流体互不掺混。
    • 紊流
      • 各层流体相互掺混，流体流经空间固定点的速度随时间不规则地变化，流体微团以较高的频率发生各个方向的脉动。
    • 判定
      • 雷诺数
      • Re<2000 时，层流区； Re>4000时，湍流区； 2000<Re<4000 时，过渡区；取决于外界干扰条件。
  • 流体流动的内摩擦力
    • 条件：实际流体具有粘性
    • 定义：流体内部相邻两流体层的相互作用力，称为剪切力
    • 牛顿粘性定律
      • 欲维持上板的运动，必须有一个恒定的力F作用于其上。如果流体呈层流运动
    • 动力粘性系数
      • 单位法向速度梯度下，由于流体粘性所引起的内摩擦力或剪切应力的大小
      • 粘度影响因素
        • 流体种类：一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。
        • 压强：气体的粘度随压强的升高而增加，低密度气体和液体的粘度随压强的变化较小
        • 温度：是影响粘度的主要因素
    • 流体类别
      • 粘塑性流体
      • 假塑性流体
      • 牛顿流体
      • 胀塑性流体
    • 流态对剪切力影响
      • 层流
        • 基本特征是分层流动，表现为各层之间相互影响和作用较小，剪应力主要是由分子运动引起的
      • 湍流
        • 存在流体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起
• 边界层理论
  • 概念
    • 即使对于空气、水这样粘性很低的流体，粘性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层，离开表面较远的区域，则可视为理想流体。
      • 特点
        • 当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域——边界层
        • 在边界层内，流体的流速很小，但速度梯度很大
        • 在边界层内，粘性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性
        • 在边界层外的整个流动区域，可将粘性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动
        • 流动分为两个区域
  • 形成过程
    • 随着临界距离（x）增大，边界层不断增厚
    • 绕平板流动边界层
      • 层流边界层，速度梯度大粘性力大
      • 过渡区，厚度突然增加
      • 湍流编辑区，速度梯度减小，粘性力下降，扰动迅速发展
      • 边界层内流动状态
        • 临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝， 越短
      • 边界层厚度
        • 层流边界层
        • 紊流边界层
    • 圆管内流动的边界层
      • 当u0较小时，进口段形成的边界层汇交时，边界层是层流，以后的充分发展段则保持层流流动，速度分布呈抛物线型
      • 当u0较大，汇交时边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速度分布不是抛物线形状
      • 边界层厚度
        • 充分发展段边界层的厚度等于管的半径，并且不再改变
      • 进口段长度
        • 层流
        • 湍流
          • 进口段长度大致为50倍管径
  • 边界层分离
    • 当流体流过表面曲率较大的曲面时，边界层与固体壁面相脱离 内部充满旋涡，导致流体能量大量损失，是粘性流动流动时产生能量损失的重要原因之一
    • 过程
      • 流体流过表面曲率较大的曲面时，边界层外流体的速度和压强均沿流动方向发生变化，边界层内的流动会受到很大影响
      • 流道断面变化➷流速变化➷压强变化
    • 分离点
      • 壁面附近的流体速度方向相反，发生倒流（逆压梯度）
      • 产生旋涡
    • 条件
      • 粘性作用
      • 存在逆压梯度
    • 流态影响
      • 层流边界层和紊流边界层都会发生分离，同逆压梯度下，紊流边界层分离点延迟产生
• 流体流动的阻力损失
  • 阻力损失因素
    • 起因
      • 内摩擦造成的摩擦阻力
      • 物体前后压强差造成的形体阻力
    • 影响因素
      • 摩擦阻力
        • 边界层流动状态，边界层厚度
      • 形体阻力
        • 物体前后压差，边界层分离，尾流区域大小
      • 流态的影响
        • 湍流：摩擦阻力大，分离点后移，尾流区小，形体阻力小
        • 层流：摩擦阻力小，尾流区域大，形体阻力大
      • 物体表面的粗糙程度影响
        • 表面粗糙摩擦阻力大，但可促使分离点后移，形体阻力下降，总阻力降低
      • 几何形状的影响
        • 非良绕体尾流区大，良绕体尾流区小
  • 圆管内的局部阻力损失
    • 阻力损失通式
    • 圆管层流流动速度分布和阻力损失
      • 层流速度分布
        • 抛物线形，管中心处r=0，流速最大
      • 层流流动阻力损失
        • • 阻力损失与流速成正比
          • 摩擦系数与雷诺数成反比
    • 圆管湍流流动速度分布和阻力损失
      • 速度分布
        • 湍流流动中存在流体质点的随机脉动，流体间相互影响较大，剪切力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起（决定流体内摩擦力的主要因素）
      • 阻力损失
    • 管道内局部阻力损失
      • 阻力系数法
      • 当量长度法
  • 管道内的局部阻力损失
• 管路计算
  • 简单管路
    • 通过各管体积流量不变，损失等于各管损失之和
  • 复杂管路
    • 分支管路
      • 总流量等于各管流量之和，损失等于各损失之和，机械能为定值
    • 并联管路
• 流体测量
  • 测速管
  • 孔板流量计
  • 文丘里流量计
  • 转子流量计