化工原理课件：第一章 流体流动1

1、1 第一章 流体流动 通过本章的学习，应掌握流体在管内流动过程的基本原理和规律，并运用这些原理和规律分析和计算流体流动过程中的有关问题。学习目的与要求2第一章 流体流动 揭示和研究流体流动的基本规律(柏努利方程和连续性方程)任务: 揭示和研究流体静态平衡规律(静力学基本方程式) 理论应用：管道设计与计算、阻力计算、压强和流量测定等 研究流体阻力及产生原因3几个问题：1.多种尺寸的管路如何选？42.火车站台设置安全距离的原因是什么？53.高尔夫球表面为什么要做成涡纹状？ 鲨鱼皮泳装为什么可提高游泳速度？64.战斗机的这根“针”是用来格斗的吗？75.2010年的沙尘暴为什么能刮到湖北、浙江、广东？

2、8 第一章 流体流动1.1 流体的物理性质1.2 流体静力学基本方程式1.3 流体流动的基本方程1.4 流体流动现象1.5 流体在管内的流动阻力91.1.1 流体的可压缩性与不可压缩流体1.1.2 流体的密度1.1.3 流体的粘度1.1.4 非牛顿型流体简介1.1 流体的物理性质101.1.1 流体的可压缩性与不可压缩流体流体：具有流动性质的物体，常指气、液。 固体在一定条件下也具流体性质(流态化)。万物皆流，万物皆变11一、流体的可压缩性 或（1-4）（1-5） 流体的可压缩性通常用体积压缩系数来表示。其意义为在一定温度下，外力每增加一个单位时，流体体积的相对缩小量体积压缩系数12二、不可压

3、缩流体 值越大，流体越容易被压缩。可压缩流体0 的流体为可压缩流体不可压缩流体=0 的流体为不可压缩流体气体在一般情况下是可压缩流体大多数液体可视为不可压缩流体。13 需要指出，实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已。 二、不可压缩流体 14连续介质假定假定流体是由连续分布的流体质点所组成，表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数。连续介质假定15流体空间某点上单位体积流体的质量流体的密度是位置(x,y,z)和时间的函数密度1.1.2 流体的密度16流体的密度纯物质的密度：液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变

4、化。气体：密度随温度、压力改变。低压下可按照理想气体状态方程计算17气体混合物，混合前后质量不变液体混合物，混合前后体积不变组分的质量分数组分的体积分数混合物的密度：流体的密度18例 求干空气在常压 ( p101.3kPa)、20下的密度。解 直接由附录查得20下空气的密度为 1.205kgm3；由手册查得空气的千摩尔质量 M 28.95kgkmol，则 19若把空气看作是由21氧和79氮组成的混合气体时，计算：用下标1表示氧气，下标2表示氮气，则干空气的平均千摩尔质量Mm：MmM1y1+M2y2320.21+280.7928.84kgkmol则 若查得101.3kPa、0下空气的密度为1.2

5、93kgm3，可以换算为20下之值。20 例 由A和B组成的某理想混合液，其中A的质量分数为0.40。已知常压、20下A和B的密度分别为879和1106kgm3。试求该条件下混合液的密度。 解 : 混合液为理想溶液，所以：21一、牛顿黏性定律 流体在运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力称为剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性。 黏性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有黏性。黏性1.1.3 流体的黏度 流体在运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力称为剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称

6、为流体的黏性。 黏性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有黏性。黏性黏性=粘性22图1-1平板间黏性流体的速度变化 一、牛顿黏性定律 上板以恒定速度沿x的正方向运动23 实验证明：对于多数流体，任意两毗邻流体层之间作用的剪切力 与两流体层的速度差及其作用面积 成正比，与两流体层之间的垂直距离 成反比牛顿黏性定律：（1-7）一、牛顿黏性定律 2425 流体粘性的表现,也是阻力产生的依据. 现象:流动的河流，从中心到岸边不同距离的河水流速不同 本质:流体运动时流体内部相邻流体层相互之间存在内摩擦力流动性:无固定形状,在外力作用下流体内部产生相对运动粘性:在运动状态下,流体具有一种抗

7、拒内在的向前运动的特性流体粘性的物理意义26一、牛顿黏性定律 牛顿型流体(Newtonian fluid)遵循牛顿黏性定律的流体所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等。27凡不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体(non-Newtonian fluid)。某些高分子溶液、悬浮液、泥浆、血液等属于非牛顿流体。非牛顿型流体(non-Newtonian fluid)一、牛顿黏性定律 28塑性流体：如油墨、泥浆、纸浆、牙膏、污水等等；非牛顿型流体分类：假塑性流体：如聚合物溶液、润滑脂、淀粉悬浮液、涂料等；涨塑性流体：如塑料溶液、微粒含量很高的悬浮液、淀粉水浆液、硅酸钾水浆液等。 n1

8、29a 牛顿性流体b 塑性流体c 假塑性流体d 涨塑性流体30二、流体的黏度一般以泊的1/100的厘泊（cp）来表示黏度。在SI单位制中，黏度的单位为Pas，在物理单位制上，其单位为P（泊），31运动黏度 SI单位为m2/s；在物理单位cm2/s称为斯托克斯（沲），以St表示。二、流体的黏度32混合物粘度 ：分子非缔合的液体混合物：气体混合物：式中：xi液体混合物中i组分的摩尔分率； yi气体混合物中i组分的摩尔分率； i与混合物相同温度下的i组分的粘度； Mi气体混合物中i组分的分子质量。33 的流体称为理想流体。自然界不存在真正的理想流体。三、理想流体与黏性流体 理想流体34工程中一般忽略

9、压强对粘度的影响粘度的影响因素粘度为物性常数之一，随物质种类和状态而变。1.流体性质:一般，2.温度:液体的粘度随温度升高而减小气体的粘度随温度升高而增大3.压强:由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。P341351.2.1 静止流体的压力1.2.2 流体静力学基本方程式1.2.3 流体静力学基本方程式的应用1.2 流体静力学基本方程式36 流体静力学 流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律。37 外界作用于流体上的力体积力表面力38一、体积力 体积力(body force)又称为场力，质量力，是一种非接触力。地球引力

10、，带电流体所受的静电力，电流通过流体产生的电磁力等均为体积力。 本书只涉及重力： 设流体密度为，体积为V，则其所受的重力为体积力39表面力（又称接触力或机械力） 与流体元相接触的环境流体（有时可能是固体壁面）施加于该流体元上的力。表面力又称为机械力，与力所作用的面积成正比。二、表面力 40图1-2 作用在流体上的力 二、表面力 41二、表面力 切向应力 法向应力单位面积上的表面力称为表面应力。表面应力42 静止的流体内部没有剪应力，只有法线方向的应力，通常将该法向应力称为流体的静压力，以p表示。 流体的静压力1.2.1 静止流体的压力43静止流体的压力特性 在SI单位制中，压力单位是N/m2或

11、Pa。其他单位还有：1atm101300 N/m2101.3kPa1.033kgf/cm210.33mmH2O760mmHg1、压力的单位44如常用： 1.0 atm（表） 360 mmHg（真） 0.07 Mpa（表） 2.0 atm （绝） P表 = P绝 P大 = P绝 Pa P真 = P大 P绝 = Pa P绝 = P表 以绝对真空为基准:绝对压强，是流体的真实压强。以大气压为基准：表压力 = 绝对压力大气压力真空度 = 大气压力绝对压力真空度 = -表压力2、表压、真空度、绝对压与大气压的关系注意：凡用压力表所测压力均为表压 P（表），原因是由于压力表是大气中制造的，故以大气压定为基

12、准点 (零点）。一端与大气相通的单管或U型管压差计亦如此。表压强、绝对压强、大气压强、 真空度关系亦可用图表示。46表压真空度动画47真空压力表48表压力=绝对压力-当地大气压力绝对压力=当地大气压力+表压力真空度=当地大气压力-绝对压力绝对压力=当地大气压力-真空度例.1.若当地大气压为750mmHg，则0.5atm(表压)= kgf/cm2(绝)= Pa（绝） mmHg(绝)。2.若当地大气压为720mmHg，某设备上真空表读数为700mmHg，该设备内绝压为 mmHg。1.5361.511051130201atm = 1.0336 at = 1.013105 Pa = 1.0336 kg

13、f/m2 = 10.336 mH2O = 760 mmHg = 1.013 bar49例 某离心水泵的进、出口处分别装有真空表和压力表，现已测得真空表上的读数为210mmHg，压强表上的读数为150kPa。已知当地大气压强为100kPa。试求：泵入口处的绝对压强，kPa；泵出、入口间的压强差，kPa。 解： 已知当地大气压强Pa100kPa，泵入口处的真空度为210mmHg，查得：1mmHg=133.3Pa,故真空度为210133.310-3=28.0kPa 泵入口处的绝对压强为， P1(绝压)Pa 真空度100 28.072.0 kPa 50泵出、入口间的压强差为P=P2(绝压) P1(绝压

14、)而泵出口处的绝压为P2(绝压)P2(表压) +Pa150100=250 kPa所以 P=250 72178kPa 在进行压强值换算与压强差计算时，必须注意单位的一致性。51流体静力学方程 图1-3 流体静力学方程的推导 微元立方流体边长:dx、dy、dz密度:1.2.2 流体静力学基本方程式52流体静力学方程 z方向上的力（向上为正）仅为重力和静压力（2）作用整个微元体的重力为 （1）作用于微元体上、下底面的表面力（压力）分别为53流体静力学方程 则z方向上力的平衡式为化简得 静止流体的欧拉(Euler)方程 54 同理，在x，y方向上： y 轴 x 轴 流体静力学方程 55或 当流体不可压

15、缩（= 常数）时，积分可得 流体静力学方程 或 (1-11)(1-12)(1-14)总势能守恒等压面56静力学基本方程式可改写为 因此，压差的大小可用一定的液柱高度来表示 流体静力学方程 (1-15)57不可压缩流体的静力学基本方程式反映重力场作业下，静止流体内部压力的变化规律流体静力学方程 适用范围:1.静止流体2. 为常数或对不可压缩流体而言3.必须是连续的同一种流体58 应注意，液柱高度表示压差大小时必须指明是何种液体。图1-4 静止液体内部的压力分布流体静力学方程 59流体静力学方程 静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体。 讨论P19：（1）判断下式是否成立？ PA

16、=PA PB=PB（2）计算h?60等压面概念一.压力测量1.正置U型压差计(当示f )时(一)单指示液的U型压差计a.结构:U形玻璃管,指示液b.注意指示液密度示大于被测流体密度f，且不互溶,不发生化学反应:常用指示液:汞,四氯化碳,水,液体石蜡示f压差计manometer1.2.3 流体静力学基本方程式的应用62c.测量原理:根据静力学基本方程式推导根据流体静力学基本方程式可得于是 上式化简，得若被测流体为气体，由于气体的密度比指示液的密度小得多，气体的密度可以忽略，于是若U管的一端与被测流体连接，另一端与大气相通，此时读数反映的是被测流体的表压力。2.倒置U型压差计(当示f 时)，(1)

17、利用液体本身作指示剂(2)采用其它指示剂f示f气3.倾斜液柱压差计:式中为倾斜角，其值越小，R1值越大。即可知:当（ P1P2 ）即压差很小时，若此时示较大且f较小，则R将很小，难以准确读数，为了增大R：此时：(二)双指示液U形管压差计微压压差计由式:方法二:采用微压差计。方法一:可以尽量选用密度与被测流体相近的指示液。要求: 双指示液a、 b相近。AB、AC、BC流体之间不互溶水库面积/U管截面100，从而库面 液位变化可忽略。BC66二.其它应用1.液位的测量液位计 化工厂中经常要了解容器里物料的贮存量，或要控制设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位计的作用原理均遵循静止液体内部压强变化的规律HPf测量原理的推导:求得:68692.鼓泡式液柱测量装置远距离液位测量1-调节阀,2-鼓泡观察器,3-U管压差计,4-吹气管,5-贮罐abpa= gh; pb= 指 gR由于管内氮气流速较小， pa= pb 以表压强表示故： h= 指R/ A若容器埋在操作室较远或地面下ab703.确定液封高度液封在化工生产中被广泛应用：通过液封装置的液柱高度 ，控制器