【过程工程原理】第一章 流体力学基础思维导图
流体是力学的一个分支，主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律
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思维导图大纲
【过程工程原理】第一章 流体力学基础思维导图模板大纲
流体
定义：具有流动性的物质称为流体，一般指气体和液体。
性质：
易流动性：在外力作用下流体发生形变，在外力撤消后形变不能消失。
压缩性：流体体积随压力或温度变化而改变的性质称为可压缩性。
研究模型（连续介质模型）：假定流体由无数个流体微团（或流体质点）组成，而且这些流体微团连续地分布在它所占有的空间内。流体微团指微观上充分大、宏观上充分小的分子团。
流体受力：
体积力（质量力）：作用在考察对象的每一个质点上的力。如重力、离心力、惯性力等，属于非接触性的力。
表面力：作用在考察对象表面的力。分法向力和切向力。
法向力：法向压力和法向拉力
切向力（剪力）
流体静力学
静止流体受力：静止流体不抗拉不抗切，只受质量力和法向压力。单位面积上所受的法向压力称压强，即（静）压力，有各向同性。
流体静力学基本方程
①适用于重力场中静止、连续且均质的不可压缩流体。
②等高面就是等压面。
③静止流体中各处总势能相等，位置越高的流体位能越大，静压能越小。
④帕斯卡定理：若某一平面上压力有任何变化，必将引起流体内部各点发生同样大小的变化，即压力可传递。
应用：
压力计：
单管压力计：只能用于测量高于大气压的液体压力，不能测气体压力；测高压时液柱太长，不方便。
U形管压力计：既可以测气体压力，也可以用来测液体压力，且无论被测压力比大气压是大还是小。
压差计：
U形管压差计：读数R的大小反映的是被测两点间广义压差（广义压力之差），不是单纯的压力差。缺点是当读数R很小时误差会很大。
改进版（增加R的长度）
双液柱压差计（微差压差计）：可以将读数放大几倍。在U形管两侧增设两个小室，小室的横截面积远大于管的横截面积；在小室和U形管中分别装入两种互不相溶而密度相差不大的指示液，其密度分别为ρ1、ρ2，且ρ1略小于ρ2.
流体流动的基本方程
基本概念
流动状态
稳定流动（稳态/定态流动）：流体流动时，任一点处的流速、压力、密度等与流动有关的物理参数不随时间变化。
不稳定流动：流体流动时，任一点处的物理参数随时间变化。
流量：m=ρV
体积流量（体积流率）V：m3/s；
质量流量（质量流率）m：kg/s。
流速：G=ρu
平均流速（简称流速）u：u = V/A。单位m/s。
平均质量流速（质量通量）G：G = m/A。单位kg/(m2·s)。
点速度ν：流体在某点上的流速。m/s。
黏性：流体所具有的阻碍流体相对运动的性质。
黏性产生的原因：气体的黏性力或内摩擦力的产生是速度不等的流体层之间的动量传递的结果。液体的黏性力主要由分子间的吸引力贡献。
牛顿黏性定律：
服从牛顿黏性定律的流体称牛顿型流体。所有的气体和分子量小于5000的液体均属于牛顿型流体。
（动力）黏度 μ：单位 P（泊） = 1000 cP（厘泊） = Pa·s。大多数气体黏度常温下在0.005 ~ 0.02cP，远小于液体。
影响黏度的因素
温度：对于牛顿型流体，温度升高，气体黏度增大，液体黏度减小。
压力：在相当宽的范围内对黏度的影响不大。只有在很高的压力下，如接近临界点的气体、40atm以上的液体，其黏度才随压力升高而增大。
分子量：液体黏度一般随分子量增加而变大，而气体黏度与分子量的关系则没有明显的规律。
混合物：气体或液体混合物的黏度不能线性加和。
非牛顿型流体：不满足牛顿黏性定律的流体。浓稠的悬浮液、淤浆、乳浊液、绝大多数高分子量的流体都是非牛顿型流体。
第一类非牛顿型流体
流动形态和雷诺数：
雷诺准数（简称雷诺数）：Re = duρ/μ。
流动形态：
层流/滞流：流体流速较慢，流体分层流动，互不混合。
湍流/紊流：流速很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生。
对于圆形直管内的流体流动，Re <= 2000，层流；Re 2000~4000，过渡区；Re > 4000，湍流。
管内流速分布
层流：
湍流：Re ~ 10^4-10^5时，管内流速分布方程满足1/7次方律。
质量衡算方程（连续性方程）：
机械能衡算方程：
摩擦损失
直管摩擦损失
湍流区λ的常用经验式：
光滑管：
粗糙管：
非圆管摩擦损失：
局部摩擦损失：当流体流经弯头、阀门、三通、管进出口等处时，流体的流速或流动方向会突然发生变化，从而产生大量漩涡，导致局部摩擦损失（形体阻力损失）。
局部阻力损失的两种计算方法：
突然扩大和突然缩小（出口和入口）：ζ（入口）= 0.5；ζ（出口）= 1。
管路计算（简单管路）
设计型：给定输送任务，如流量V，要求设计出经济、合理的管路，主要指确定优化的管径d。
一些流体的经济流速
操作型：试差（迭代法）。
边界层及边界层方程
普兰特边界层理论：
内容：理论认为，当实际流体沿固体壁面流动时，整个流体区域可分为流动性质很不相同的两个区域。紧贴壁面非常薄的一区域，这一区域的流体速度变化比较大，称边界层。边界层以外的流动区域，称为主体区或外流区。
边界层的形成和发展：
光滑平板上边界层的发展：
圆管内边界层的发展：
边界层分离：流体流过非流线型物体时发生的边界层脱离壁面的现象。
湍流
特征：在湍流流体中，流体质点的速度虽然在大小或方向上都随时间变化，但又都围绕某一平均值而上下波动，这种现象称为速度的脉动（压力、密度等物性也有）。
研究方法：时均化。湍流瞬时速度可分解为时均速度和脉动速度，脉动量的时均值为零。
湍流中两相邻流体层间的剪应力τ(总)由黏性应力τ和质点脉动τ'引起的雷诺应力（或称湍流应力）组成。τ(总)=τ+τ'。湍流时，τ' >> τ。
流速、流量的测量
变压头流量计（恒截面，变压头）
测速管（皮托管）：皮托管测的是流通截面上某一点的速度。若要获知流量，可通过测出管轴心处的最大点速度νmax，然后根据νmax与平均速度u的关系查图得平均速度，再算出流量。
皮托管结构：
注意事项：①测速管尺寸不可过大，否则将干扰流场，使速度分布发生改变。②测速管安装点必须位于充分发展流段，一般测量点的上下游最好各有50d以上的直管段作为稳定段。③测速管管口截面要严格垂直于流动方向，否则会造成测量结果的负偏差。
优缺点：优点：结构简单、阻力小、使用方便，尤其适用测量气体管道内的流速。缺点：不能直接测出平均速度，且压差计读数小，常需放大才能读得准确。
孔板流量计：通过测量流体通过孔板前后的压力降计算流速和流量。
孔流系数与截面积比A0/A1、管道雷诺数Re1=du1ρ/μ、取压位置、孔口形状及加工精度有关。对于测压方式、加工状况等均已规定的标准孔板，孔流系数仅与截面积比和管道雷诺数有关（如上图）。C0一般在0.6~0.7。
计算方法：①假设Re>Rec；②已知A0/A1，查出C0；③求V、u；④计算Re（实际）并进行检验。
孔流流量计结构：
孔板流量计安装时应在其上下游各有一段直管作为稳定段，上游长度至少应为10d1，下游为5d1。
优缺点：优点：构造简单、制造和安装方便；缺点：机械能损失大。
文丘里流量计：测量原理与孔板流量计相同。优点是永久损失小很多，孔流系数C0=0.98~0.99，适用于低压气体的流量测量。缺点是加工比孔板复杂，造价高，且安装时需要占据一定长度。
变截面流量计（恒压头，变截面）
转子流量计
流量系数CR与转子形状、环隙雷诺数Re0有关。当雷诺数超过一定值后，CR为常数（见上图）。
判断题：
转子流量计结构
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