气体动力学基础

油气储运石化与能源工程学院油气储运石化与能源工程学院A.流体的密度，流体压缩性和膨胀性，流体粘性；B.流体静压强计算与测量，平衡流体对壁面作用力；C.流体连续性方程、伯努利方程、动量方程；D.密闭管流的雷诺数计算，层流和湍流，管路沿程和局部阻力计算；1气体一元流动特性，等熵与绝热气流的基本方程，收缩管与拉瓦尔管计算。培训主要内容：油气储运石化与能源工程学院第一章绪论第二章流体静力学第三章流体运动学第四章流体动力学第五章量纲分析与相似理论工程流体力学第六章粘性流体动力学基础第七章压力管路、孔口和管嘴出流第八章理想不可压缩流体平面流动第九章气体动力学基础油气储运石化与能源工程学院第一章绪论第二章流体静力学第三章流体运动学第四章流体动力学第五章量纲分析与相似理论工程流体力学第六章粘性流体动力学基础第七章压力管路、孔口和管嘴出流第八章理想不可压缩流体平面流动第九章气体动力学基础油气储运石化与能源工程学院第一节工程流体力学及其在石油工业中的作用第二节流体的基本概念第三节流体的主要力学性质第四节作用在流体上的力第一章绪论油气储运石化与能源工程学院流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动一门学科，是力学的一个分支。第一节概述流体力学静力学动力学宏观平衡运动规律油气储运石化与能源工程学院一、流体力学的发展简史第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后—18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两方向发展—欧拉(理论)、伯努利(实验)第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展第一节概述油气储运石化与能源工程学院理论分析法优点：明确给出各种物理量和运动参量之间的变化关系，有较好的普遍适用性。缺点：数学上的困难，能得出解析解的数量有限。实验法优点：能直接解决生产中的复杂问题，并能发现新现象和新问题，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据。缺点：对不同情况需作不同的实验，结果的普遍适用性差。值计算法优点：许多分析法无法求解的问题可得出它的数值解。缺点：对复杂而又缺乏完善的数学模型，仍无能为力。二、研究方法油气储运石化与能源工程学院第一节工程流体力学及其在石油工业中的作用第二节流体的基本概念第三节流体的主要力学性质第四节作用在流体上的力第一章绪论油气储运石化与能源工程学院一、流体的定义和特征物质常见的存在状态：固态、液态和气态，分别称为固体、液体和气体。◇通常将流动的物质称为流体（水、空气、汽油）。◇从力学的角度将流体定义为：在任何微小剪切力的持续作用下，能够连续不断变形的物质。这种性质称易流动性。流体=（液体+气体）第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院液体与固体的主要差别在于：固体在静止状态下，能抵抗而静止的液体，能抵抗拉力√压力√剪切力√拉力×压力√剪切力×第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院液体与气体的都具有易流动性，但是：◇气体比液体更容易变形（流动）。这是因为气体的分子分布比液体稀疏得多（即其分子间距大，分子间引力小）◇而且气体还存在体积的易变性（可压缩性）。◇此外液体通常存在自由表面，这是固体和气体所没有的。第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院二、连续介质假设在标准状态下，lmm3气体中有2.7×1016个分子；lmm3的液体中有3.4×1019个分子。研究的并不是个别分子的微观运动，而是液体的宏观运动特性（速度、压强、温度等），即大量分子运动的统计平均特性。因此，引入流体质点的概念，把流体看成是由连续分布的流体质点所组成的连续介质。液体是由大量不断地作无规则热运动的分子所组成，从微观角度以离散的分子为对象来研究流体的运动将是极其复杂的。第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院二、连续介质假设流体质点可看成含有大量分子并能保持其宏观力学特性的一个微小体积，并认为组成流体的最小物理单元是流体质点，而不是流体分子。1.流体质点现以密度为例说明流体质点的概念。在流体中任一点A（x,y,z）处取的微小体积△V，其质量为△m，则其密度为0limVmVVm(,,)Axyzxyz第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院△V→0理解为一个很小的值（微小体积）。在标准状态下，lmm3气体中有2.7×1016个分子；lmm3的液体中有3.4×1019个分子。Vm(,,)Axyzxyz把宏观上足够小，微观上足够大的微小体积称为流体质点。数学描述为：在流体中任一点A(x,y,z)处取一个液体微团△V,当△V→0时，这个流体微团趋于点A，称为流体质点。第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院流体是由无数连续分布的流体质点所组成的连续介质，称为连续介质假设（连续介质模型）。2.连续介质假设二、连续介质假设这是流体力学中基本假设之一，由欧拉于1755年提出的。由此，流体质点宏观运动的物理量可以表示成空间坐标和时间的连续函数：(,,,)(,,,)(,,,)uuxyztxyztppxyzt从而可用连续函数等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。第二节连续介质假设油气储运石化与能源工程学院流体的连续介质的假设，对一般工程实际问题都是适用的。但对于某些特殊问题，如航天器在高空稀薄空气中飞行时，气体的分子间距与航天器的尺寸可以比拟，此时不能采用连续介质假设，需要用分子动力论的微观方法来研究。2.连续介质假设第二节连续介质假设激波二、连续介质假设油气储运石化与能源工程学院第一节工程流体力学及其在石油工业中的作用第二节流体的基本概念第三节流体的主要力学性质第四节作用在流体上的力第一章绪论油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质一、流体的密度、比体积和相对密度1.密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，用表示。0limVmV对于均质流体，有mV式中——流体的质量，kg；——流体的体积，m3；——密度，kg/m3。mV油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质一、流体的密度、比体积和相对密度2.比容（比体积）流体密度的倒数称为流体的比容（比体积），即单位质量流体所具有的体积。用表示1vv通常，水的比体积为0.001m3/kg，水银的比体积为7.35×10-5m3/kg比体积和密度都是说明工质在某一状态下分子疏密程度的物理量，二者互不独立，通常以比体积作为状态参数。（m3/kg）油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质一、流体的密度、比体积和相对密度3.相对密度某一液体的密度与度为4℃蒸馏水密度的比值称为相对密度，用表示，即ww通常，水的相对密度为1，水银的相对密度为13.6。物质的密度与参考物质的密度在各自规定的条件下之比。符号为，无量纲量。一般，相对密度只用于气体，作为参考密度的可以为空气或水：当以空气作为参考密度时，是在标准状态（0℃和101.325kPa）下干燥空气的密度，为1.293kg/m3（或1.293g/L)。对于液体和固体，一般不使用相对密度。油气储运石化与能源工程学院【1-1】500cm3的某种液体，在天平上称得其质量为0.453Kg，试求其密度和相对密度。习题=mV解：33-40.453==0.90610kg/m510w330.90610==0.9061.010油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质二、压缩性和膨胀性1.压缩性如果温度不变，流体的体积随压强的增加而缩小的性质，称为流体的压缩性。体积压缩系数当温度保持不变时，单位压强增量引起的流体体积相对变化量，即pV0V1Vpp11=TVVpVpV（Pa-1）或（m2/N）加负号保证为正；值越大，表明越容易压缩。pp油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质二、压缩性和膨胀性1.压缩性体积弹性系数E体积压缩系数的倒数（曾称为体积弹性模量）◇体积模量越大，说明流体越不容易压缩。p1==TpEVVpVV◇通常液体的压缩性很小，可以忽略不计。（Pa）或（N/m2）油气储运石化与能源工程学院0204060801000.430.440.450.460.470.480.490.50,10-9Pa-1t,℃0204060801002.002.052.102.152.202.252.30K,109Pat,℃92=2.1710N/mE第三节流体的主要力学性质一个大气压下，水的体积压系数和体积弹性系数随温度的变化关系。9p20.461m0/N水很小油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质二、流体的压缩性和膨胀性2.膨胀性流体的膨胀性通常用体膨胀系数来表示，表示当压强不变时，单位温度升高所引起的流体体积相对变化量，即11=tpVVVTVTTV0V1Vt如果压强不变，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。水在标准大气压下：92p0.461m0/N924=2.1710,N0m.51/1tE（1/℃）（1/℃）油气储运石化与能源工程学院020406080100-202468v,10-4℃-1t,℃41.510t（1/℃）第三节流体的主要力学性质二、流体的压缩性和膨胀性2.膨胀性由上可见，水的体积压缩系数和体膨胀系数都很小，在工程中通常可以不考虑。水在标准大气压下29p4m/0.46101.N510t（1/℃）油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质不可压缩流体为了研究问题方便，将体积压缩系数和体膨胀系数等于零的流体称为不可压缩流体。这种流体受压后体积不减小，受热后体积不膨胀。因而其密度、比体积和相对密度均为常数。液体的可压缩性很小，在通常情况下，可忽略液体的压缩性和膨胀性，作为不可压缩流体处理。在水中爆炸、管道内发生水击等极少数情况下，才考虑水的压缩性。油气储运石化与能源工程学院第三节流体的主要力学性质一般情况下，需要考虑气体的可压缩性。当常温下空气的运动速度低于70m/s时，气体密度相对变化值小于2%，可以按不可压缩流体处理。油气储运石化与能源工程学院【1-2】体积为5m3的水，在温度不变的条件下，当压强从98000Pa增加到4.9*105Pa时，体积减小1L。求水的压缩系数和弹性系数。习题1=-pdVVdP解:10-150.001==5.110Pa54.910980001pE91011.9610Pa5.110油气储运石化与能源工程学院三、粘性——是流体的重要特性之一，可通过一个简单的实验来观察流体的粘滞现象。空气粘性实验空气粘性飞盘下圆盘与上圆盘并没有接触，上圆盘却会跟着下圆盘转动，这是因为两圆盘之间的空气具有一定的粘性，能传递摩擦力使上圆盘转动。第三节流体的主要力学性质油气储运石化与能源工程学院1、流体的粘性粘性是流体抵抗剪切变形的一种属性，是流体运动时内部流层之间产生切应力（内摩擦力）的性质。牛顿平板实验在相距为h的两平行平板之间充满流体，下平板固定，上平板在力F作用下，以匀速U沿x方向运动。hUOxy由于流体与平板间有附着力，粘附于上平板的一薄层流体将以速度U跟随上平板运动，由于流体内部存在分子间的内聚力，将带动相邻的下层流体，直至传递到粘附于下平板的一薄层流体，粘附在下平板的一薄层流体与平板速度均为零。u第三节流体的主要力学性质油气储运石化与能源工程学院实验证明，当h和U较小时，两夹板间流体沿y方向的速度呈线性分布，即UuyhhUOxyu式中U/h——速度梯度，通常表示为du/dy。由于各流层速度不同，流体层间出现相对运动，产生的切向作用力称为内摩擦力。作用在两流体层接触面上的内摩擦力总是成对出现，且大小相等、方向相反，分别作用在相对的流层上。F第三节流体的主要力学性质油气储运石化与能源工程学院2、牛顿内摩擦定律根据牛顿平板实验的结果，作用在上平板的力F的大小与◇垂直于流动方向的速度梯度U/h或du/dy成正比◇接触面的面积A成正比◇流体的种类