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1、1,第一章流体流动 Fluid Flow,2,第一章 流体流动 .学习要求,1. 本章学习目的 通过本章学习，熟悉伯努力方程的应用和流体在管内摩擦阻力的计算，重点掌握流体流动的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动过程的有关问题，诸如： （1） 流体输送： 流速的选择、管径的计算、流体输送机械选型。 （2）流动参数的测量 ： 如压强、流速、流量的测量等。 （3）建立最佳条件： 选择适宜的流体流动参数，以建立传热、传质及化学反应的最佳条件。,3,2 本章应掌握的内容 （1） 流体静力学基本方程式的应用； （2）连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点； （
2、3） 两种流型的比较和工程处理方法； （4）流动阻力的计算； （5） 管路计算。 （6） 流量测量（自学） 3.本章学时安排 授课8学时,4,0-1流体流动现象,一新建的居民小区，居民用水拟采用建水塔方案为居民楼供水，如何设计,6,流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送的任务，实现生产的连续化。,压强、流速和流量的测量：以便更好的掌握生产状况。,为强化设备提供适宜的流动条件： 除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。,流体的研
3、究意义,7,在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。,流体微团或流体质点：它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数（如压力、温度），从而使我们可以观察这些参数的变化情况。,连续性的假设 流体介质是由连续的质点组成的； 质点运动过程的连续性。,流体的研究方法,8,概述 一、流体的特性 1、流动性； 2、没有固定形状，形状随容器而变； 3、流体流动外力作用的结果； 4、连续性（除高度真空情况）。,9,二、可压缩性流体与不可压缩性流体 可压缩性流体气体 不可压缩性流体液体 三、理想流体和实际流
4、体 （1）理想流体是指不具有粘度,因而流动时无摩擦阻力的流体 （2）理想流体分为理想液体和理想气体,10,流体流动的典型流程,计算内容： 流速、流量、压强、管径、扬程、功率,转子流量计,阀门,贮槽,离心泵,贮槽,11,第一节 流体静力学,(一)定义：流体垂直作用于单位面积上的力。,一、 流体的压力(也称为流体的压强),作用于整个面积上的力称为总压力。 在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。,(二) 压力的单位 1. SI 单位 N/m2 Pa 2. 工程单位 kgf/cm2 at mmHg mmH20 mH20,12,3.换算 1atm（标准大气压） = 1.0133105 N/
5、m2 = 101.3 kPa =0.1M Pa = 10330 kgf/m2 = 10.33 mH20 = 760 mmHg 1at（工程大气压） = 1 kgf/cm2 （千克力每平方米） = 10 mH20 = 735.5 mmHg = 98.1 kPa ,4.间接地以流体柱高度表示 p=gh (:流体的密度，h:流体柱的高度),13,(三) 压力的基准及表示形式,1.以绝对真空为基准,测得的压力称为绝对压力，是流体的真实压力 2.以当时当地压力为基准 ，测得的压力则称为表压,绝对压,表压,真空度,绝压（余压）,表压绝对压-大气压 真空度大气压 - 绝对压,绝对零压,大气压,实测压力,实测
6、压力,14,15,例1-1：用真空表测量某台离心泵进口的真空度为30kPa,出口用压力表测量的表压为170kPa。若当地的大气压101kPa，试求他们的绝对压力各为若干。 解: 泵进口绝对压力：绝压=大气压 - 真空度 = 101 30 = 71kPa 泵出口绝对压力：绝压=大气压+表压 =101+170 =271Pa,16,二、 密度 1.定义：单位体积流体所具有的质量。 = m / V kg m-3 2、影响因素：温度和压力 （1）液体 为不可压缩的流体，与压力无关，温度升 高，密度降低。,17,（2）气体 为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体
7、状态方程处理。理想气态方程式pV=nRT=(m/M)RT,3、混合物密度 （1）气体,若混合物各组分的密度已知，可用右式：,18,例1-2 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%(均为体积%)。试求干空气在压力为9.81104Pa、温度为100时的密度。,解： 首先将摄氏度换算成开尔文： 100273+100=373K 求干空气的平均分子量： Mm My1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96,气体的平均密度为：,19,（2）液体混合物密度,a 质量分率 应用条件：理想溶液 * 混合物的体积应等于各组分单独存在时
8、的体积之和。 4、比体积 单位质量的流体所具有的体积。,20,5、相对密度：液体密度与4水的密度之比值。,例1-3：已知苯与甲苯混合液中苯的质量分数为0.6.试求混合液在20下的密度。 解：从附录四查的20下苯的密度为879kg/m2，甲苯的密度为867kg/m3,21,三、 流体静力学基本方程,(一)相对静止状态流体受力情况,取一微元如左图 上表面作用力： F1= P1 A 下表面作用力： F2= P2 A 重力： G = g A (Z1 - Z2),22,F1 + G = F2 P1 A + g A ( Z1 - Z2 ) = P2 A P2= P1 + g ( Z1 - Z2 ) 或 P
9、2= P0+ g ( Z1 - Z2 ) P= P0+ g h 或,F1 P1 A F2 P2 A G g A( Z1 - Z2 ),(二) 静力学方程及巴斯噶定律,23,(三)讨论,1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。 2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同（巴斯噶定律）。 3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。( 等压面 ) 4.压力或压差可用液柱高度表示。,P= P0+ g h,流体静力学方程可改写为： h =（P - P0）/ g h为此流体在（P - P0）作用下能上升的高度,24,位压头（potential tential head）：,静
10、压头(static head)：式中的第二项 p/g 称为静压头，又称为单位质量流体的静压能p/ (pressure energy)。,第一项Z为流体距基准面的高度，称为位压头。若把重量mg的流体从基准面移到高度Z后，该流体所具有的位能为mgZ。单位质量流体的位能，则为 mgz/mg=z 。即上式中Z（位压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的位能Zg(potential energy)。,25,如图所示：密闭容器，内盛有液体，液面上方压力为p。,静压头的意义：,说明Z1处的液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。,26,位压头静压头常数,也可将上述方程各项均乘以g，可得,位压能 静压能
11、常数,27,四、流体静力学基本方程的应用,(一)压力测定 1.U型管压差计,A-A为等压面 PA=PA PA= P1+ g ( H+R ) PA=P2+ 0g R+ gH P1 - P2= R g (0- ) 如测量气体 0 P1 - P2= R g 0,P1 P2,28,P1 P2 = (0)gR 指示液面的高度差R反映了两截面间的压强差(P1 P2)。 注意公式的应用条件 两测压点在同一水平面上 推广多个U管压差计串联测压差： P1 P2 = (0)g(R1R2Rn),29,当被测量的流体压力或压差不大时，使用U形管压差计读数R必然很小，为得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。,R与
12、R的关系为: RR/sin,式中为倾斜角，其值愈小，则R值放大为R的倍数愈大。,2 斜管压差计（inclined manometer ）,30,对于一定的压差，（ab）愈小则读数R愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。,3 微差压差计（two-liguid manometer ）-放大读数,31,例1-4用普通U型管压差计测量气体管路上两点压差，指示液为水，读数R为1.2cm，为扩大读数,改为微差计，一指示液密度为920kg/m3，另一 指示液密度为850kg/m3，读数可放大多少倍？ 解：根据U形管压差计： P1-P2=（水- 气）Rg 微压差计：P1-P2=（a- b）Rg （水- 气）
13、gR =（ 1- 2）gR,新读数为原读数的171/1214.3倍,32,【例1-5】 如本题附图所示，蒸汽锅炉上装置一复式U形水银测压计，截面2、4间充满水。已知对某基准面而言各点的标高为z0=2.1m， z2=0.9m， z4=2.0m，z6=0.7m， z7=2.5m。 试求锅炉内水面上的蒸汽压强。,33,解：按静力学原理，同一种静止流体的连通器内、同一水平面上的压强相等，故有 p1=p2，p3=p4，p5=p6 对水平面1-2而言，p2=p1，即 p2=pa+0g（z0z1） 对水平面3-4而言， p3=p4= p2g（z4z2） 对水平面5-6有 p6=p4+0g（z4z5）,34,
14、锅炉蒸汽压强 p=p6g（z7z6） p=pa+0g（z0z1）+0g（z4z5）g（z4z2）g（z7z6） 则蒸汽的表压为 ppa=0g（z0z1+ z4z5）g（z4z2+z7z6） =136009.81(2.10.9+2.00.7)10009.81 (2.00.9+2.50.7) =305kPa,35,例1-6：常温水在管道中流动，用双U型管测两点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计算两处压力差如图：,P1= P1 P2= P2 Pa= P1+水 g x P1= 汞 g R+ P2 Pb = 水 g x +水 g R + P2 Pa- Pb= R g ( 汞 - 水 ) =
15、0.19.81(13600 -1000) = 1.24 103 Pa,36,(二)液面的测量,将一装有指示液A的U形管压差计的两端分别与容器底部和平衡室相连，平衡室上方用气相平衡管与容器连接。平衡室中装的液体与容器里的液体B相同。所装液体量能使平衡室里液面高度维持在容器液面容许到达的最高液位。压差计读数R指示容器里的液面高度，液面越高，读数越小。当液面到达最高容许液位时，压差计的读数为零。,37,例1-7 为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图所示的装置。压缩空气用调节阀1调节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡观察器2内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通过吹气管4的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用U管压差计3来测量。压差计读数R的大小，反映贮罐5内液面高度。指示液为汞。 1、分别由a管或由b管输送空气时，压差计读数分别为R1或R2，试推导R1、R2分别同Z1、Z2的关系。 2、当（Z1Z2）1.5m，R10.15m，R20.06m时，试求石油产品的密度P及Z1。,38,解 （1）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，鼓泡速度很慢，且管内无液体，可以当作静止流体处理，故可认为储罐中吹气管出口处的压力与U形管压差计左侧水银柱上面的压差近似相等。因此可以从压差计读数R1，求出液面高度Z1，即,（2）将式（a）减去式（b）并经整理得,39,(三)液封,p
