流体力学与应用－1

第一章

流体力学与应用流体流动是本课程的基础（1）很多单元操作，例如流体输送、混合、搅拌、非均相物系的分离及两相流等，都涉及流体流动的基本规律。本课程依据流体流动规律来进行管路设计、输送机械的选择和能量(或功率)消耗的计算等。

（2）流体流动与传热、传质乃至反应过程是不可分割的，或者说化工中的传热、传质和反应过程大多是在流动条件下进行的，因此流体流动的内部特征是研究传热和传质过程的重要基础。

（3）流体流动规律和传热、传质的规律有类似性，解决这些过程的方法和手段也是相类似的。

本章重点内容流体静力学方程及应用质量衡算和连续性方程能量衡算和柏努利方程流动阻力与能量损失管路计算1.1流体基本性质1.1.1连续介质假定1.1.2流体的可压缩性1.1.3作用在流体上的力1.1.5压强1.1.4质量力与密度1.1.6剪切力与粘度1.1.1

连续介质假定

假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。1.1

流体基本性质

流体：液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中1.1.2

流体的可压缩性不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力，其大小与流体的表面积成正比。压力：垂直于表面的法向力；剪切力：平行于表面的切向力。压力剪切力1.1.3

作用在流体上的力质量力:作用于流体每个质点上的力，其大小与流体的质量成正比，如重力、离心力等。1.1.4

质量力与密度一、密度单位体积流体的质量。kg/m3

二、单组分密度

液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。

气体

当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：

注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度下之值，若条件不同，则需进行换算。三、混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变，则有

——气体混合物中各组分的体积分数。

或——混合气体的平均摩尔质量；

——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。

混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有

——液体混合物中各组分的质量分数。

四、比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。m3/kg1.1.5

压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强。

一、压强的单位

SI制：N/m2或Pa；或以流体柱高度表示：注意：用液柱高度表示压强时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。

二、压强的表示方法

绝对压强以绝对真空为基准测得的真实压强值。

表压或真空度以大气压为基准测得的相对压强值。标准大气压的换算关系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O表压=绝对压－大气压真空度=大气压－绝对压绝对压

绝对压

绝对真空

表压

真空度

大气压

一、牛顿粘性定律

或Fuu＋dudy式中：F——内摩擦力，N；

τ——剪应力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；

μ——比例系数，称为流体的粘度，Pa·s

。

1.1.6

剪切力与粘度①流体与固体的力学特性两个不同点不同之一：固体表面的剪应力τ∝剪切变形dθ;流体内部的剪应力τ∝剪切变形速率

dydθu+duu不同之二：静止流体不能承受剪应力（哪怕是非常微小的剪应力）和抵抗剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。②流体的剪应力τ与动量传递根据牛顿粘性定律，对一定τ，μ↑，↓流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为τ

牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，如水、空气非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体，如血液、牙膏

二、流体的粘度

1.粘度的物理意义

流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。液体

:T↑→

↓气体

:

一般T↑→

↑超高压p↑→

↑粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。2.粘度的单位SI制：Pa·s