《气体的流动》课件

气体的流动了解气体流动的基本原理从而掌握气体运动的规律与特点通过学习学生能够,,更好地理解气体压力、湍流等概念并应用于实际生活中,引言气体流动的重要性流动过程的分析气体流动广泛存在于自然界和工研究气体流动的特性如流速、压,业领域对于理解和控制各种物力、温度等有助于优化设计和提,,理、化学和工艺过程至关重要高工艺效率关键原理和定律掌握气体流动的基本原理和定律如柏努利原理、达西定律等为应用提供理,,论基础气体流动的特点连续性可压缩性高速性低黏性气体流动是一个连续不断的过与液体不同气体具有一定的气体通常以较高的速度流动气体分子之间的相互作用力较,,程没有明显的起始和终止可压缩性密度和体积可以随可以达到声速甚至超音速这小因此具有较低的动力黏,,,点气体在流动过程中会不断压力和温度的变化而发生明显种高速流动使气体具有很强的度这使得气体流动受阻力相变化和调整变化动能对较小气体流速的测量测量装置1使用风速仪等装置测量气体流速测量方法2包括直接测量和间接测量两种方式测量原理3利用气体流体力学的基本定律进行测量气体流速的准确测量是理解和分析气体流动过程的关键常用的测量装置包括风速仪、压力管等通过直接或间接的方式测量气体的速度和,压力等参数从而得出流速大小测量时需考虑气体的流体力学特性选择合适的测量原理和方法,,气体流速的影响因素气体密度气体粘滞性气体密度越大，流速越低密度气体粘滞性越高，流速越低粘影响流体的惯性力滞力会阻碍气体的流动管道直径压力差管道直径越大，在相同压力下气压力差越大，气体流速越快压体的流速越快直径影响流体的力差是驱动气体流动的主要动流通断面力柏努利原理压力降低气流加速压力平衡柏努利原理表明当气体流动时流速越快压在气体流动中流线越窄气体流速越快这气体流动时高压区和低压区会自动形成维,,,,,,,力越低这是由于能量守恒造成的种加速效应会导致压力降低产生升力持整个系统的压力平衡这是柏努利原理的,核心原理应用柏努利原理的装置柏努利原理广泛应用于各种工业和日常生活中的装置中常见的应用包括•汽车发动机的化油器•喷气式飞机的机翼设计•风力发电机的涡轮叶片•家用吸尘器的设计•医疗用的吸引设备这些装置利用柏努利原理产生的压力差实现了气体流动、物体飞,行、气体吸引等功能巴斯克定律静压力流速能量转化巴斯克定律描述了流动中流体静压力的变化流体的静压力与流速成反比关系当流速增根据巴斯克定律流体动能的增加是由于静,规律静压力随流速的增加而降低加时静压力降低当流速减小时静压力增压力的降低流体压力能转化为动能,,,大马诺米特原理压力测量马诺米特利用柏努利原理测量压力通过检测流体流动过程中的压力变化来判断流速大,小流速计算通过马诺米计测量的压力差可以计算出流体的流速从而判断流量大小,,管道应用马诺米特广泛应用于管道系统测量管道中流体的流速和压力用于流量监测和调节,,喷嘴和扩散器的应用喷嘴原理喷嘴利用柏努利原理将流体加速产生高速喷流这可用于推,进、发动机供油、增压等领域扩散器应用扩散器可将高速流体减速并增加压力应用于涡轮增压器、风,扇、喷气发动机等工业应用喷嘴和扩散器广泛应用于工业领域如喷涂、烘干、干燥、吸,尘、切割等工艺气体的粘性气体粘性的概念粘性系数的测量粘性对气体流动的影响气体也会表现出粘性即在流动中会产生内通过实验可以测量出不同气体的粘性系数气体的粘性会使其流动产生阻力导致能量,,,部摩擦影响其流动性这是由于气体分子反映了气体内部分子的粘滞性粘性系数随损失这种粘性阻力随气体速度的增加而增,之间的碰撞和相互作用所致温度的升高而增大大影响流动性能,层流和湍流层流湍流层流是一种平稳、有序的气体流动模式流体沿直线平行运动各湍流是一种复杂、不规则的气体流动模式流体呈现随机涡动和旋,,层之间无明显相对运动流速分布呈抛物线型这种流动模式通常转运动流速分布不均匀会产生大量涡旋并频繁相互作用这种,,出现在低雷诺数条件下流动模式通常出现在高雷诺数条件下气体流动的阻力流体阻力雷诺数12气体在流动过程中会受到来自管壁的摩擦阻力和物体表面的雷诺数是描述管道中流体流动特性的无量纲数它可以用来压力阻力这些阻力会影响气体的流速和流量预测流动是层流还是湍流达西定律管摩擦系数34达西定律描述了管道中流体的压力损失与流量、粘度和管长管摩擦系数与管壁粗糙度和雷诺数有关它可用于计算管道的关系这是分析管道流阻的重要理论基础压力损失达西定律达西定律描述了流体通过多孔介质或管道时的压力损失与流速成正比的关系该定律由法国工程师亨利达西于·年提出1856表述压力损失流体粘度×流速×介=质长度介质截面积/应用广泛应用于流体力学中如分析流经,管道、孔隙介质等时的压力损失指,导管道系统的设计和优化管道的压力损失管道内气体流动会产生压力损失主要原因有管道壁面的摩擦阻力、管道中局部构件的阻力、管道弯头和扩散器等附件产生的损失管道压力损失的大小与管径、流速、流体性质以及管道结构等因素有关合理设计和选择管路能有效降低压力损失提高能源利用效率,旋流效应旋流效应是气体在管道或容器中产生旋转流动的物理现象这种流动具有独特的特点包括离心效应、压力分布和速度分布的变化旋流效应广泛应用于各种工,业装置如分离器、喷嘴等理解旋流效应的原理和特性对于优化设备性能非常,重要等温流动恒温过程能量守恒等温流动指温度保持不变的气体在等温流动中气体的内能变化为,流动情况常用于描述流经缓慢变零流动只存在机械能的变化符合,,,化的管道或容器的情况能量守恒定律压力降应用由于管道的流阻气体在流动过程等温流动常应用于流经缓慢变化,中会产生压力降可用柏努利原理管道或容器的气体流动分析如气,,进行分析体输送、流速测量等绝热流动绝热压缩过程绝热膨胀过程绝热流动特点绝热流动中气体不会与周围环境发生任何气体在绝热膨胀过程中压力和温度会随体绝热流动中气体的内部能量转化为动能流,,,,热量交换气体的压力和温度随体积的减小积的增大而降低这种过程被广泛应用在喷速会随着压力和温度的变化而发生变化这而升高这一过程可用于驱动气体涡轮发动气发动机、涡轮机等工业设备上实现能量种特性对于设计高效的流体机械系统至关重,,机等关键装置的转换和利用要压缩性流动概念解释判断标准压缩性流动是指当气体流动速度接近或超过声速时气体密度发生一般当气体流动速度马赫数大于时就需要考虑气体的可压缩,

0.3,明显变化的现象此时需要考虑气体密度的变化对流动参数的影性对于超音速流动可压缩性效应更为显著,响亚音速流动流速小于声速压缩性影响可忽略12亚音速流动是指气体流速小于当流速较低时，气体的压缩性声速的流动状态这种状态影响可以忽略不计，因此可以下，气体流动不会产生冲击采用不可压缩流体理论进行分波析常见应用设计技术34亚音速流动广泛应用于航空航通过合理设计流道几何形状和天、内燃机、喷气发动机等领流动边界条件，可以实现亚音域速流动的最佳性能临界流动临界条件衝击波阻塞流动当气体流速达到临界速度时，流动就会出现临界流动中会出现各种衝击波现象如垂直在某些临界条件下气体流动会达到最大值,,临界条件这意味着流体的某些特性会发生衝击波和斜向衝击波这会导致快速的压力并被阻塞无法再增加流量这就是临界流,,,剧烈变化和温度变化动超音速流动突破音障高速推进独特效应超音速流动是指气体流速超过音速的情超音速流动广泛应用于航空航天领域超音速流动因其特有的压力、温度和密,况会产生激波和膨胀波等现象如喷气发动机和火箭推进系统度变化而呈现出独特的流动特性,喷气推进喷气推进是一种利用燃料化学反应产生高温高压喷气流对航空器进行推进的方式喷气推进的原理是通过发动机将化学能转换成动能产生强大的推力这种,推进方式广泛应用于喷气式飞机、火箭等航空航天器的推进与传统螺旋桨推进相比喷气推进具有效率高、推力大、速度快等优势通过持,续排放高速气流喷气发动机可以为飞行器提供强大而持续的推力使其能够高速,,快捷地飞行涡旋流动气体流动的循环特性流动的高能量特性12涡旋流动是一种循环性的气体涡旋流动具有高能量密度和高流动模式其中气体以螺旋状移流速的特点常用于航空、化工,,动形成一个或多个涡旋等领域的动力和传热过程,涡旋的稳定性和控制应用领域广泛34合理控制涡旋的结构和强度对涡旋流动广泛应用于喷气发动流动的效率和稳定性至关重要机、涡轮机、离心泵等设备也,,是气体流动研究的热点课题在旋流分离、喷雾等过程中发挥重要作用流体稳定性理论流体的平衡状态边界层效应流体在平衡状态下会保持稳定但流体在与固体表面接触时会受到,,如果受到外力干扰就可能发生不边界层效应的影响导致流动不稳,,稳定的流动定流体动力学分析流体稳定性的评估通过对流速、压力、密度等参数根据雷诺数、管道直径、表面粗的分析可以预测流体流动的稳定糙度等因素可以评估流体流动的,,性稳定性流动分离流动分离的机理流动分离的影响流动分离的控制方法流动分离是指流体沿固体表面流动时由于流动分离会降低物体表面的附着力增加阻通过优化物体形状、增加表面粗糙度、使用,,局部压力上升导致流线偏离固体表面而产生力并可能导致涡旋脱落使流动变得不稳边界层控制装置等方法可以有效控制流动,,,的现象这种流动分离会引起压力损失和流定这是许多工程中需要特别注意的问题分离提高流动性能,动不稳定卡门涡街卡门涡街是一种由固体物体在流体中运动而产生的有规则的涡流现象当流体绕固体物体流动时在物体的后游会产生规则的涡流,旋涡这种涡流的周期性排列称为卡门涡街这种涡流的形成与物,体的形状、雷诺数等因素有关卡门涡街在航空航天、建筑等领域有广泛的应用例如可以用于测,量流速、计算阻力等同时这种涡流也可能会对物体结构造成振,动需要加以考虑和研究,层流到湍流的转变临界雷诺数1当管流中的雷诺数达到临界值时流动会从层流转变为湍流这,个临界值取决于流体性质和管壁粗糙度扰动的放大2微小的扰动会在湍流状态下被放大导致流动呈现不规则、紊乱,的特点这是因为湍流具有强烈的混合效应边界层的分离3在某些流动状况下层流会在管壁或物体表面发生分离从而转,,变为湍流这种分离通常是由于压力梯度引起的气体流动的可视化技术气体流动的可视化技术是指利用光学、电子或其他探测手段将原,本难以观察的气体流动过程以图像或动画形式呈现的方法这些技术包括风洞试验、雾化粒子成像、光学色斑法等可揭示气体流,动的复杂模式和涡流结构这些可视化技术在航空、汽车、机械等领域有广泛应用有助于深,入理解气体动力学过程为流体设计优化提供重要依据,气体流动的测量技术热线风速仪皮托管激光多普勒测速仪电磁流量计利用热敏电阻测量气流对热敏利用皮托斯塔克原理通过测利用激光多普勒效应原理通利用法拉第电磁感应原理通-,,,电阻的冷却效应从而测量气量气体动压和静压的差值可过测量气体微粒运动引起的光过测量气体在磁场中产生的感,,体流速适用于精确测量低速以计算出气体的流速适用于频率变化计算出气体流速应电压计算出气体体积流,,气流高速气流测量适用于无接触测量量适用于管道气流测量气体流动研究的应用领域航空航天能源工业气体流动研究在飞机和航天器设计中涡轮机、燃烧室等动力设备的设计需扮演着重要角色帮助优化机翼、发动要依赖气体流动原理优化流动可提,机等关键部件高能源利用效率医疗器械气象预报气体流动在呼吸机、麻醉机等医疗设大气中的气体流动直接影响天气变备中发挥关键作用确保患者得到安全化气象预报需要依赖对流动规律的,可靠的治疗深入理解结论综合运用深入探索气体流动理论可以广泛应用于航未来我们需要继续深入研究气体空、机械、化工等领域为设计、流动的复杂机理开发更精准的理,,优化和改善相关系统提供理论基论模型和测量技术础创新应用创新性地将气体流动原理应用于新兴领域如微流控系统、生物医疗等开拓,,新的发展空间。