流体流动1(1)

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1、第1章 流体流动,第1章 流体流动,1.1 流体及其主要物理性质 1.2 流体静力学 1.3 流体动力学 1.4 流体在管内的流动阻力 1.5 管路计算 1.6 流量测量,1.1 流体及其主要物理性质,1.1.1 流体及其特点 1.1.2 连续介质假定 1.1.3 流体的物理性质,流体：气体和液体统称为流体。,1.1.1 流体及其特点,特点：a. 流动性；b. 无固定形状;c. 在外力作用下，其内部质点会发生相对运动.,分类：,液体：不可压缩性流体,气体：可压缩性流体，(P1-P2)/P120%时可视为不可压缩性流体,1.1.2 连续介质假定,1.流体是由无数个分子集团所组成的连续介质，每个

2、分子集团称为质点； 2.质点大小远小于容器或管道的尺寸； 3.流体质点间没有空隙，流体充满其所占据的空间。,注：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，连续介质假定不再适用，例如高真空稀薄气体的流动。,目的：从宏观角度研究流体流动规律。,假定：,1.1.3 流体的物理性质,1.密度：单位体积流体所具有的质量。=m/V， kg/m3均质流体： =f(T，P),液体： f(T)混合物：取1kg混合液为基准，设xw,i为i 组分的质量分率，则：,V,气体： =f(T，P),理想气体：,或者：,标态下：0 =M/22.4 ，T0 =273.15K，P0 =101.3

3、kPa,（2） 以1m3混合气体为基准， 设xv,i 为i 组分的体积分率，则：,理想气体混合物：,Mm 为平均分子量：yi 为i 组分的摩尔分率,（1）,2.流体的重度、比重和比重指数,1）重度：单位体积的流体所具有的重量，用表示。=G/V=mg/V=g单位： SI单位制 N/m3 工程单位制 kgf/m3 ,注意：a.在同一单位制中，=gb.同一流体，工程单位制中的和SI制中的 数值相等。,2）比重：液体的比重通常指其密度（或重度）与水在4时的密度（或重度）之比 ，也称相对密度。,3）比重指数：对油品，常采用一种特殊的比重计测得的读数来表示轻重，该读数称为比重指数，oAPI。,流体的比体积

4、,单位质量流体的体积 又称为流体的比容 单位： m3/kg ,流体的粘度,1）流体的粘性：,内摩擦力（粘滞力）,粘性：流体在运动状态下具有的抗拒向前运动的特性。,流动阻力 产生的根源,说明：a. 粘性是流体的固有属性b.只有在流动时才表现出来,2）牛顿粘性定律：,平板实验,引入：,实质：,即：单位时间通过单位面积的动量通量，其产生的原因是流体层之间的动量传递。,圆形管内：,牛顿粘性定律,速度梯度,流体的粘度,剪应力,动量,单位换算实例,连续介质假定,流体物性,密度：,=m/V， kg/m3,比重（相对密度）,气体：,或,比体积（比容）,3）流体的粘度：,粘度 ：，粘滞系数、动力粘度、绝对粘度,

5、SI单位制：,物理单位制：,换算：1Pas=1 Ns /m2=10P=1000cP 1P（泊）=1dynscm-2,SI制：,物理单位制（CGS）：为cm2/s，称为斯托克斯，用st 表示，简称（tuo）。,换算： 1st =100cSt（厘tuo）=110-4m2/s 1cst =10-2st =10-6m2/s,粘度的影响因素 ：,压力P 的影响一般不予考虑，只有在极高或极低的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。,混合物粘度：,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。,理想流体与粘

6、性流体：,自然界中的所有流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体。,完全没有粘性的流体， 即=0，称为理想流体。是假设.,牛顿流体与非牛顿流体：,剪应力与速度梯度的关系遵循牛顿粘性定律的流体叫做牛顿型流体；不遵循这一规律的流体为非牛顿型流体。,所有气体和大部分液体或溶液都为牛顿流体；对非牛顿流体而言，粘度不再是纯粹的物性，而是随着速度梯度而改变，称为表观粘度。,1.2 流体静力学,1.2.1 流体的静压强 1.2.2 流体静力学基本方程式 1.2.2 流体静力学基本方程式的应用,地球表面附近受力主要是重力和压力。 重力可以看作常数。,流体静力学实质是研究静止流体所受压力的平衡关系

7、。,前言,重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。连续介质的受力情况（规律）服从牛顿第二定律。,定义：流体垂直作用于单位面积上的力，简称压强，习惯上称为压力。 P = F/A 特性：在静止流体中，流体内任一点各个方向上压力均相等。,1atm=1.013105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.81104Pa=10mH2O=735.6mmHg=1kgf/cm2 1atm=1.033at 1kgf/m2=1mmH2O,压力的单位及换算：,1.2.1 流体的静压强,以绝对真空（0atm）为基准：绝对压力，真实压力 以当地大气压为基准：表压或真空度,压强的基准：,绝压大气压：

8、压力表表压力表压力=绝对压力大气压力 绝压大气压：真空表真空度真空度=大气压力绝对压力,注：大气压力应从当地气压计上读得；对表压和真空度应予以注明。,例1：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa，在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为若干？ 已知Pa，兰州=85.3103Pa，Pa，天津=101.33103Pa。,解：兰州：绝压=大气压真空度 =85.310380103=5300Pa天津：真空度=大气压绝压=101.331035.3103=96. 03103Pa,例2：某设备进、出口测压仪表上的读数分别为120mmHg（真空度）和1.2 kgf/cm2

9、（表压），试求进、出口处的绝压分别为多少Pa？当地大气压为750 mmHg。,解：进口处（P1）：绝压=大气压力真空度P1=750-120=630mmHg=630/7601.013105=8.4104Pa 出口处（P2）：绝压=大气压力+表压P2=750/7601.013105+1.29. 807104=2.18105Pa,1.2.2 流体静力学基本方程式,流体静力学基本方程式,公式推导：,取微元高度dz ： 向上的力：PA 向下的力：(P + dP)A 重力：mg =gAdZ 三力之和为零 ：PA - (P + dP)A - gAdZ = 0 即 dP +gdZ = 0 不可压缩流体，为常数

10、，对上式进行不定积分得：,gz+P常数,若积分限取距离基准水平面高度为Z1 和Z2 的两个平面，且作用于这两个平面上的压强分别为P1 和P2 ，则得： (P2-P1)/g = Z1-Z2 即：,P2 = P1 +g(Z1 - Z2),流体静力学基本方程式,讨论：,应用条件：连续、静止状态的不可压缩性流体；,若P1=P0，P2=PP=P0+gh，当P0一定时，hP，即：静止流体中任一点的压力与流体密度和所处高度h 有关，与容器形状无关；,P0 变化时，会以同样大小传递到液体内部 ；,静止、连续、同一流体、同一水平面上，各点的压力相等，即：等压面为一水平面 连通器原理；, 对于气体，考虑到气体密度

11、随容器高低变化甚微，一般也可视为常数，故静力学基本方程亦适用于气体。由于g很小，ggh 可以忽略，因此：空间内气体的压力相等；,压差可用液柱高度表示 P=P0+gh h=(P-P0)/g 液柱压差计原理;,P2 = P1 +g(Z1 - Z2)P1/+gz1 = P2/+gz2gz 单位质量流体具有的位能，J/kg；P/ 单位质量流体具有的静压能， J/kg； 故：连续、静止的同一流体中，能量守恒。,1.2.3 流体静力学基本方程式的应用,（一）压力测量液柱压差计,普通 U 型管压差计,指示液选用原则： a. 与所测流体不互溶 b. 与被测流体不起化学作用 c.其密度应大于所测流体的密度 （0

12、） d. 易于观察,当被测流体为气体时，由于气体的密度相对于指示液的密度小得多（0），则：,根据流体静力学基本方程式， A、B为等压面可得：,流体的粘度,单位：1Pas=1 Ns /m2=10P=1000cP,温度升高，液体粘度下降，气体粘度升高。,表压力=绝对压力大气压力,真空度=大气压力绝对压力,P2 = P1 +g(Z1 - Z2),静力学方程,液柱压差计,压强差P 仅与读数R 和密度差（0-）有关，而与U 型管的粗细、长短、位置无关；与测压引线的粗细、长短亦无关；,说明：,若P 一定，（0-）R选择适当的指示液。测量液体压差时，可选用密度大的指示液，如水银；测量气体压差时，一般用水作指

13、示液；,若把U 型管一端与设备或管路的某一截面连接，另一端与大气相通，这时读数所反映的就是管路中这一截面处流体的表压力，因此也可用U 型管压差计来测量某一处的压力。,倒装U型管压差计,取等压面AB（水平、静止、连续、同一流体），可以得到：PA = PB,整理后得：,（g）,斜管压差计,采用倾斜 U 型管可在测量较小的压差 p 时，得到较大的读数 R1 值。,压差计算式：,15，一般约为20,双液压差计（Two-liquid manometer）,特点：使读数R 扩大 对一定的压差P，R 值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，R 值就越大，读数精度也越高。双液：水-煤油、酒精-煤油、CCl

14、4-水等,压差：,计入扩大室内的液面差：,（二）液面测量,玻璃管液面计,压差液面计,（三）液封高度的计算,如各种气液分离器的后面、气体洗涤塔底以及气柜等,为了防止气体泄漏和安全等目的，都要采用液封(或称水封)。,1.3 流体动力学,1.3.1 概述 1.3.2 物料平衡连续性方程 1.3.3 机械能平衡柏努利方程式,1.3.1 概述,1.流量：,质量流量与体积流量的关系：W=V,2.流速：,2）质量流速 单位时间内流体流过管路单位截面积的质量，以G 表示，单位：kg/(m2s)。,注：流速沿径向是变化的，通常取同一截面上各点流速的平均值，称为平均流速，简称流速：u=V/A,1）（平均）流速：单

15、位时间内流体在流动方向上流过的距离，以u 表示，单位：m/s。,G=W/A=V/A=u,对于气体，V随P、T变化，u也随P、T变化，但G保持不变，因此气体管路采用G较方便。,3.管径的估算 :,选定流速u,计算d,圆整（规格化，取标准管径）,一般：液体：u = 0.53m/s气体：u = 1030m/s,计算实际流速u实,确定管径：,4.稳定流动与不稳定流动：,1）稳定流动：若与流动有关的各参数（u、P、）只随位置变化，不随时间变化，为稳定流动，如图所示。,2）不稳定流动：若与流动有关的各参数不仅随位置变化，而且随时间变化，为不稳定流动，如图（关闭进水管1）所示。,1.3.2 物料平衡连续性方程,1.稳定流动的物料平衡：,W1=W2 或：u1A11= u2A22,不可压缩流体：为常数，则有：,对内径为d 的圆形管路，有：,连续性方程,u1A1=u2A2,【例】,某蒸汽管路的直管直径d1 =50mm，流速u1 =25m/s，密度1 =2.62kg/m3，蒸汽分两支管流出。出口处的蒸汽密度及管径分别为： 2 =2.24kg/m3，d2 =35mm； 3 =2.3kg/m3，d3 =30mm，求出口流速应为多大才能保证两支管的质量流量相等？,