流体流动绪论流体静压强new教案资料

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1、,第一章 流体流动,内容提要 流体性质与特征 流体静力学* 流体在管内的流动 流体的流动现象* 流动阻力* 管路计算* 流量测量,要求 掌握连续性方程和能量方程 能进行管路的设计计算,流体的特征：具有流动性。即 抗剪和抗张的能力很小； 无固定形状，随容器的形状而变化； 流体具有连续性； 在外力作用下其内部发生相对运动。,流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。如气体和液体。,第一节 概 述,（1）按状态分为：气体、液体和超临界流体等； （2）按可压缩性分为：不可压流体和可压缩流体； （3）按是否可忽略分子之间作用力分为：理想流体与粘性流体（或实际流体）； （4）按流变特性可分为：牛

2、顿型和非牛倾型流体； 流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一,流体的分类,流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。在物理化学（气体分子运动论）重要考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动。这种考察方法认为流体是不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将非常复杂。 1 连续性假设(Continuum hypotheses) 在化工原理中研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。 连续性假设:假定流体是有大量质点组成、

3、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。,流体流动的研究方法,2 流体流动的考察方法 拉格朗日法 选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、数度等）与时间的关系。可见，拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。 欧拉法 在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况，直接描述各有关参数在空间各点的分布情况合随时间的变化，例如对速度u，可作如下描述：,流体流动的研究方法,流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。,作用在流体上的力有质量力和表面力。,质量力：作用于流体每个质点上的力，与流体的质量成正比，

4、如：重力和离心力。,表面力：作用于流体质点表面的力，其大小与表面积成正比，如：压力和剪力。,第二节 流体静力学,单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为,不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力p和温度T的函数，可用下式表示 ： f（p，T）,1 流体的物理特性1.1 密度,液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。 气体的密度随压力和温度的变化较大。当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：,上式中的0M/22.4kg/m3为标准状态（即T0=273K及p0=101.33kPa）下气体的密度。,在气体压力较高、温

5、度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。,气体混合物: 当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用上式计算气体的密度。,Mm My1 + M2y2 + + Mnyn 式中 ：M、M2、 Mn 气体混合物各组分的分子量； y1 、 y2 、 yn 气体混合物各组分的摩尔分率。,液体混合物: 液体混合时，体积往往有所改变。若混合前后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度m。,式中 1、2、，n 液体混合物中各组分的质量分率； 1、2、，n 液体混合物中各组分的密度，kg/m3； m 液体混合物的平均密度，kg/m3。,单位质量流体

6、的体积，称为流体的比容，用符号v表示，单位为m3/kg，则,亦即流体的比容是密度的倒数。,1.2 比容 v（比体积）,例1-1 已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3，试求含硫酸为60%(质量)的硫酸水溶液的密度。,解：应用混合液体密度公式，则有,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.

7、01 =28.96,1.3 粘度,流体流动时产生内摩擦力的这种特性，称为粘性 衡量流体粘性大小的物理量称为粘度,粘度的单位: Pas, (法定单位); 泊（P），gcm-1s-1; 厘泊（cP）; 1 Pas 10P1000cP。,垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强，习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。,在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。,压力的单位: 帕斯卡, Pa, N/m2 (法定单位); 标准大气压, atm; 某流体液柱高度; bar（巴）或kgf/cm2等。,1.4 压强,压强可以分为：,绝对压强（absolute pressure）

8、 ：以绝对真空(即零大气压)为基准。,表压(gauge pressure)：以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示： 表压绝对压力大气压力,真空度（vacuum）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值，即： 真空度大气压力绝对压力,例题已知当地大气压为101.33kPa 24.33kPa(真空度）= kPa(绝对压） 24.33kPa(表压）= kPa(绝对压） 24.33kPa(绝对压）= kPa(表压） kPa(真空度）,二、流体静力学基本方程式,方程推导 在静止流体中任取一微 元体作受力分析,写出力 的平衡方程,z方向：,合力为零，整理化简:,重力：,压力：

9、,同理： x方向： y方向：,当流体不可压缩，积分上式，得到：,上式表明:不可压缩流体处于静止状态时，其内部任何一处的静压能与势能之和为常数。,当流体不可压缩，在静止流体中任取2点, 则有：,表明:不可压缩流体处于静止状态时，其内部任意一处的静压能与势能之和等于任意另一处的静压能与势能之和。,上式表明:不可压缩流体处于静止状态时，其势能的减少必导致其静压能的等额增加。,若取液面及液下任一点，则有：,方程意义： 表明了重力场中静止流体内部压强的变化规律。 1.压强与深度有关 2.压强可传递,注意事项： 1.只能应用于静止的、连通的、同一种连续流体。 2.当气体密度随温度、压强变化可忽略时，方程适

10、用。,指示液密度0，被测流体密度为，图中a、b两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便可求出p1p2的值。,1、压力测量 （1） U型管液柱压差计 （U-tube manometer）,三、流体静力学基本方程式的应用,p1p2R（0）g,测量气体时，由于气体的密度比指示液的密度0小得多，故00，上式可简化为 p1p2R0g,下图倒U型管压差计。该压差计利用被测量液体本身作为指示液。压力差p1p2可根据液柱高度差R进行计算。,例1 如附图所示，常温水在管道中流过。为测定a、b两点的压力差，安装一U型压差计，试计算a、b两点的压力差为若干？已知水与

11、汞的密度分别为1000kg/m3及13600kg/m3，R=0.1m。,解 取管道截面a、b处压力分别为pa与pb。根据连续、静止的同一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则 p1p1 （a）,p1paxH2Og p1=RHgg+p2=RHgg+p2=RHgg+pb（Rx）H2Og,根据式（a） papbxH2OgRHgg（Rx）H2Og RHggRH2Og 0.1(13600-1000) 9.81 =1.24 104Pa,当被测量的流体压力或压差不大时，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。,RR/sin,式中为倾斜角，其值愈小，R的读数愈大。,（2） 斜管压差计（

12、inclined manometer ）,（3） 微差压差计（two-liguid manometer ）,说明： 图中平衡器的小室2中所装的液体与容器里的液体相同。 平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。 容器里的液面高度可根据压差计的读数R求得。液面越高，读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。,1容器； 2平衡器的小室； 3U形管压差计,2、液位测定,例2 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

13、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。已知Hg密度为13600kg/m3。,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，可以当作静止流体处理。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,作用：控制设备内气压不超过规定的数值，当设备内压力超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。,若设备要求压力

14、不超过P1（表压），按静力学基本方程式，则水封管插入液面下的深度h为,3、确定液封高度,某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3 kPa（表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。,反映管内流体流动规律的基本方程式有： 连续性方程 柏努利方程 本节主要围绕这两个方程式进行讨论。,第三节 流体在管内的流动现象,一、流动过程与基本概念,不稳定流动系统：若流动的流体中，任一点上的物理参数，有部分或全部随时间而改变。,稳定流动系统：流体在管道中流动时，在任一点上的流速、压力

15、等有关物理参数都不随时间而改变。,1、稳定流动系统和不稳定流动系统,（2）质量流量 (mass flow rate) 单位时间内流体流经管道任一截面的质量，以S表示，其 单位为kg/s。,（1）体积流量 （volumetric flow rate） 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，以VS表示，其单位为m3/s。,2、流量与流速,S =VS,质量流速G：,（3）平均流速 (average velocity) u, m/s,单位时间单位截面积流过的流体体积，以u表示，其单位为m/s。,Gu,u=Vs/A,一般液体流速为0.53m/s、气体为1030m/s。,管道直径一般根据流量、流速估算,（

16、4）管道直径的估算,例 以内径105mm的钢管输送压力为2 atm、温度为120的空气(密度为1.79Kg/m3)。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3/h，试求此空气在管内的流速和质量流速。,解: 依题意空气在标准状态下的流量应换算为操作状态下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程计算如下：,平均流速,依式（1-17），得质量流速,例 某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道，试选择合适的管径。,解：管内径为,选取水在管内的流速u1.8m/s (自来水1-1.5, 水及低粘度液体1.5-3.0 ),假设：管道两截面之间无流体漏损。,流体在如图所示的管道中: 作连续稳定流动; 从截面1-1流入，从截面2-2流出；,二、连续性方程 (equation of continuity),G1G2,若流体不可压缩，常数，则上式可简化为 Au常数,1A1u12A2u2,上式称为连续性方程式。,流体流速与管道的截面积成反比。,式中d1及d2分别