第一章流体流动1

1.流体流动主要内容：讨论黏性流体流动的基本原理，并运用这些原理分析和计算流体的输运问题。1.1流体性质1.2流体静力学1.3流体流动概述及基本方程1.4动量传递现象1.5流体在管内流动的阻力1.6流体输运管路的计算1.7流量的测量1.8非牛顿流体的流动1.流体流动研究对象在航空、航天、航海，石油、化工、能源、环境、材料、医学和生命科学等领域，尤其是化工、石油、制药、生物、食品、轻工、材料等许多生产领域以及环境保护和市政工程等，涉及的对象多为流体。

气体和液体统称为流体。化工生产中的大部分物料为流体。1.1流体性质包括：连续介质假定密度压缩性黏度1.1流体性质(1)连续介质假定流体质点（V’）流体分子自由程<<流体质点尺寸<<设备大小流体质点是研究流体运动规律的考察对象连续介质假定：假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。1.1流体性质质点密度kg/m3（SI制）定义：单位体积的流体所具有的质量。

(2)密度液体密度气体密度1.1流体性质理想气体的密度：标准状态（1atm，0℃）下每kmol气体的体积为22.4m3，则其密度为：

注：以上3式只适用于理想气体。气体混合物：体积分率，理想气体混合物中其值与摩尔分率x相等液体混合物：质量分率比容：单位质量物体的体积kg/m3记：常温下水的密度1000kg/m3,标态下空气密度1.293kg/m3比重：某物质的密度对水（标态下空气）的密度之比d：1.1流体性质混合物密度的确定原则液体混合物：按理想溶液各组分混合前后体积不变。1.1流体性质1.1流体性质(3)压缩性不可压缩流体：压力改变时其密度随压力改变很小的流体。可压缩流体：压力改变时其密度随压力改变有显著变化的流体液体：ρ=f(T

)不可压缩流体气体：ρ=f(T

，p)可压缩流体注：若在输送过程中压力改变不大，气体也可按不可压缩流体来处理。1.1流体性质(4)黏度(1)牛顿黏性定律

黏性：流体流动时产生内摩擦力的性质。流体不管在静止还是在流动状态下，都具有黏性，但只有在流体流动时才能显示出来。用黏度度量。

流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力。它是流体黏性的表现，又称为黏滞力或黏性摩擦力。流体流动时的内摩擦是流动阻力产生的原因。

1.1.1牛顿黏性定律与黏度1.1.1牛顿黏性定律与黏度流体在圆管内的分层流动示意图平板间流体速度变化或牛顿黏性定律式中称为黏滞系数或动力黏度，简称为黏度。其值随流体不同而异，是流体的一种物理性质。(2)黏度①动力黏度（简称黏度）

定义式：物理意义：

——

促使流体流动时产生单位速度梯度的剪应力。黏度的单位：

国际单位制：Pa·s

物理单位制：g/(cm·s)，称为P（泊）

1cP=0.01P=0.001Pa·s1.1.1牛顿黏性定律与黏度黏度数据的获得：查表；估算影响黏度的因素：黏度为物性常数之一，随物质种类和状态而变。同一温度下，液态黏度比气态黏度大得多。液体黏度随温度升高而减小，气体的黏度随温度升高而增大。工程中一般忽略压强对黏度的影响。(2)黏度

①动力黏度（简称黏度）

1.1.1牛顿黏性定律与黏度②

运动黏度定义式：(2)黏度单位：国际单位制中其单位为m2/s；物理单位制中为cm2/s，称为斯托克斯，简称沲，以St表示。

1St=100cSt=10-4m2/s1.1.1牛顿黏性定律与黏度SI制记：cgs制工程制

1kgf•s/m2=9810cP粘度的单位

1.1.1牛顿黏性定律与黏度

根据流变特性，流体分为牛顿型与非牛顿型。

服从牛顿黏性定律的流体称为牛顿型流体，如气体和大多数液体。凡不遵循牛顿黏性定律的流体，称为非牛顿型流体，如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。(3)非牛顿型流体1.1.1牛顿黏性定律与黏度非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）1.2流体静力学主要内容：研究的目的：了解流体在重力和压力下的平衡规律，讨论静止流体内部压力的变化规律流体的受力静止流体的压力特性流体静力学方程流体静力学方程的应用1.2.1流体的受力(1)体积力（又称质量力）场力或体积力（质量力）：非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等处于重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。重力场——重力加速度离心力场——离心加速度

1.2.1流体的受力(2)表面力表面力：接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力正应力：与压缩（或扩张）形变相对应的应力，方向与作用面相垂直。剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使液体表面具有收缩的趋势。其大小用表面张力系数来表示，其单位为N/m。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响。1.2.2静止流体的压力特定(1)压力的定义和单位流体的压力（p）是流体垂直作用于单位面积上的力，严格地说应该称压强。力静止流体内部任一点的压力称为该点流体的静压力，其特点为：（1）作用于某一点不同方向上的压强在数值上是相等的；（2）若通过该点指定一作用平面，则压力的方向垂直于此面；（3）在重力场中，同一水平面上各点的流体静压力相等，但随位置高低而变。SI制1at（工程大气压）=1kgf/cm2

=9.807×104N/m2(Pa)=10mH2O=735.6mmHg记：常见的压力单位及它们之间的换算关系

1atm=101300Pa=101.3

kPa=0.1013MPa=10330kgf/m2=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.013bar1.2.2静止流体的压力特定(2)压力的表示方法（压强的基准）压强的大小常以两种不同的基准来表示：一是绝对真空，所测得的压强称为绝对压强；二是大气压强，所测得的压强称为表压或真空度。一般的测压表均是以大气压强为测量基准。1.2.2静止流体的压力特定真空度压强表压大气压绝对真空绝压绝压压强的基准和度量（1）被测流体的压力>大气压表压=绝压－大气压（2）被测流体的压力<大气压真空度=大气压－绝压=－表压1.2.2静止流体的压力特定Z1Z212静止液体内的压强分布研究的目的：了解流体在重力和压力下的平衡规律，讨论静止流体内部压力的变化规律1.2.3流体静力学方程Zyxdxdy微元流体的静力学平衡（1）重力：（2）作用于上底面积的压力：（3）作用于下底面积的压力：由于液柱静止，故：

Zyxdxdy在Z轴上，作用于该立方体（流体质点）上的力整理得：X轴方向力的平衡式：y轴方向力的平衡式：流体平衡微分方程将上式分别乘以dz、dx、dy，并相加各式不可压缩流体流体静力学的基本方程式(该方程亦适用于气体）推导过程见柴诚敬主编化工原理，不要求掌握。如液面压强为P0,则静止液体内任一点压强为：于是有：变形整理有：与液面高度差说明：上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。但对于气体若压强变化不大，密度可近似取平均值而视为常数，则上式亦可使用静止流体内部静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关。水越深压强越大，天空越高气压越低。等压面：静止的，连续的同一流体内处于同一水平面上的各点压强处处相等。1.2.4流体静力学方程的应用(1)压力和压力差的测量2p1p2112基准面指示液LiU形压差计z2z1被测流体LRh34ρ00测两点之间压强差，如点1和点2之间的压差。3-4面为等压面，

p3＝p4当被测管道水平放置时，两测压口处于等高面上，z1＝z2，U形压差计直接测得两点的压差，即当测量气体时1.2.2流体静力学方程的应用说明：如U管的一侧与大气相通，则所测的数值为该截面处流体的表压强微差压差计（双液体U管压差计）RL2L1Gp1p2微差压差计

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