热工水力学07(单相流水力分析)

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1、NuclearReactorThermohydraulics反应堆热工水力学第七讲（2014—2015学年第二学期）主讲：李然单相流水力分析0引言1水静力学2水动力学3粘性流动状态4粘性流动压降引言前三章的遗留问题：1、流动工质的流速、流率如何确定？2、流动工质的压力如何确定？3、表面传热系数如何确定？需要进行流体力学分析和传热分析——先以单相流为例1水静力学•完整的水静力学分析要求给出静止水体中压力的分布，但在此我们只进行基本的力平衡分析，为后面的水动力学分析做铺垫。•此部分隐含着水压测量的原理。1.1水静力学的开端•阿基米德（Archimedes,287-212B.C.希腊）•

2、阿基米德浮力定律：静止液体作用在物体上总压力—浮力的大小等于物体所排开液体的重量，方向铅垂向上，作用线通过物体被液体浸没部分体积的形心—浮心。阿基米德桥1.2静止流体的压强（力）特点•静止流体的应力只有内法向分量—静压强（流体质点之间没有相对运动，不存在切（剪）应力）。•静压强的大小与作用面的方位无关。•帕斯卡原理：重力场中连通的同种静止液体中某点压强增加Δp，则液体内其他各点的压强也相应增加了Δp。1.3流体的平衡微分方程•在静止流体中取出六面体流体微元，分析其在y方向的受力。1.3流体的平衡微分方程•假设微元受到质量力f（如重力）的y方向分量为Y，则平衡方程：pYdxdyd

3、zpdxdz()pdydxdzy1pY0y1考虑各方向的分量fp01.3流体的平衡微分方程结论：•p的三个分量是压强在三个坐标轴方向的方向导数，它反映了压力场在空间上的不均匀性。•流体的平衡微分方程实质上表明了质量力和压差力之间的平衡。•压强对流体受力的影响是通过压差来体现的。重力作用下的液体平衡•考虑到重力方向特点：11pfpg00zp如果z=0为静止液体的自由表gz面，自由表面上压强为大气压，p则液面以下h处的表压为gh，zC所以在液体指定以后，液柱高度g也可度量压强，特别地，将压强对应的水柱高称为水头

4、(Head)。例题•下图二船坞，左面停泊两只船，右面停泊一只船，A、B两点位于同一水平面上（左、右船坞水面同高），如下说法是否正确？A点压强大，B点压强小。例题•两种液体盛在一个容器中(ρ<ρ)，问下面12两个方程哪个正确？pp12zz12×gg12pp23√zz23gg231.4测压原理1）测压管利用液体的平衡规律，可知连通的静止液体区域中任何一点的压强，包括测点处的压强。pghpAbglsinpb1.4测压原理液柱式压力计：血压计1.4测压原理2）比压计ppgzghgz()hABBmmAmBAzBzAhhmm1.4测压原理3）管

5、环式弹性压力表，里面有一根弯曲的黄铜管，当液体相对压强发生变化时，黄铜管发生变形，由齿轮带动指针发生变化，可用于量测中、高压强（表压）1.4测压原理测压管不只用于测量静压，还可测流速pp——水动力学()z()zhABgg与大气隔离hAB2水动力学流道截面面积•从机械能守恒的角度分析上一例子：22vv()gzSv()gzSvppSvBAAB2222vpvp0()z()zzAB22gggg•这其实就是无旋无粘不可压缩流体的伯努利(Bernoulli)方程的积分式，其中z0称为总压头。2水动力学按体积平均•但是，若速度取为流体的平均

6、流速，可能会带来较大误差——流速的不均匀性2•解决方法：vp0zz2ggα称为动能修正系数（>1.0），其大小取决于断面上的流速分布。流速分布越均匀，越接近于1.0；反之则α的数值越大。在一般的渐变流中的α值为1.05-1.10。也常近似地取α=1.02.1恒定总流能量方程•对于恒定流动，利用伯努利(Bernoulli)方程表示流体的机械能总量守恒关系:22pvpv()z()zh12f12gg22gg•其中，h表示阻力造成的水头损失f1-2•利用这一方程，可以进行常见流体的流速、流量（率）测量2.2流速测量•毕托管(Pitotgauge;Pitome

7、ter)22(gpp)ppABvBA0vg2hggg2gv2.2流速测量•实用的毕托管常将测压管和总压管结合在一起。•实际使用中，在测得h，计算流速时，还要考虑毕托管修正系数c，即vc2gh2.3流率测量•文丘里流量计(Venturimeter)它包括“收缩段”、“喉道”和“扩散段”三部分2.3流率测量•先忽略动能修正系数和阻力压降，则有：22pvpv()z()zh12f12gg22gg22vvpp2112()z-z