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1、2018/12/10,1.1 流体概述 1、流体的定义和分类 2、流体的特征 3、作用在流体上的力 4、连续介质假定 1.2 流体静力学 1、流体的密度 2、流体的静压强 3、流体静力学基本方程式 4、流体静力学基本方程式的应用,第一章 流体流动,2018/12/10,本章研究流体的内容与目的,掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。,2018/12/10,（1）合理选择流体输送管道的管径。 （2）流体流速、流量和压强的控制和测量。 （3）计算流体输送所需要的能量，选择合适的流体输送机械以及确定它所需要的的功率。 （4）选择适宜的流体
2、流动参数，以适应传热、传质和化学反应的最佳条件。,解决的具体问题有：,2018/12/10,流体概述,一、流体的定义和分类,1、定义,凡能在外力的作用下，任意改变形状的物体。,气体（含蒸汽）和液体统称流体。,2018/12/10,2、分类,（1）按状态分为气体、液体和超临界流体。 （2）按可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体。 （3）依是否可忽略分子间作用力分为理想流体和粘性（实际）流体。 （4）按流变特性（剪力与速度梯度之间关系）分牛顿型和非牛顿型流体。,2018/12/10,二、流体的特征,（1）流动性，即抗剪抗张的能力很小；,（2）无固定形状，易变形（随容器形状），气体能充满整个密闭容
3、器空间；,（3）流动时产生内摩擦，从而构成了流体流动内部结构的复杂性。,2018/12/10,三、作用在流体上的力,外界作用于流体上的力有两种，即质量力和表面力。,1、质量力（又称体积力）,【特征】质量力作用于流体的每个质点上，并与流体的质量成正比，对于均质流体也与流体的体积成正比。,流体在重力场中受到重力、在离心力场中受到的离心力都是典型的质量力。,2018/12/10,2、表面力（又称接触力或机械力）,【特征】表面力与流体的表面积成正比。,作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类，即垂直于表面的力和平行于表面的力。前者为压力，后者为剪力（切力）。,静止流体只受到压力的作用，而流动流体则同
4、时受到两类表面力的作用。,2018/12/10,四、连续介质假定,从微观讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。,工程上，在研究流体流动时，常从宏观出发，将流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。,2018/12/10,【质点】是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子平均自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质。,【分子平均自由程】在平衡状态下，由于分子碰撞的随机性，一个分子在连续两次碰撞之间所经过的直线路程（即自由程）长度不尽相同。将各段自由程取平均值，即为平均自由程。,201
5、8/12/10,1、密度定义,一、流体的密度,单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3。,流体的密度，kg/m3； m流体的质量，kg； V流体的体积，m3。,第一节 流体静力学,2018/12/10,2、影响的主要因素,气体：,液体：,不可压缩性流体,可压缩性流体,2018/12/10,3、气体密度的计算,理想气体在标况下的密度为：,【例如】标况下的空气密度为：,操作条件下（T, P）下的密度：,M摩尔质量（kg/kmol）,2018/12/10,或,对于混合气体，可用平均摩尔质量Mm代替M。,MmM1y1M2y2Mnyn,Mi -各组分的摩尔质量； yi -各组分的摩尔分率（体积
6、分率或压强分率）。,或,2018/12/10,4、液体的密度,常见纯液体的密度值可查有关手册（注意所指温度）。,混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以1kg混合液为基准），即：,i -各纯组分的密度，kg/m3； wi -各纯组分的质量分率。,2018/12/10,（1）比体积（比容）：单位质量的流体所具有的体积，用v表示，单位为m3/kg。,在数值上:,5、与密度相关的几个物理量,2018/12/10,（2）比重（相对密度）：某物质的密度与4下的水的密度的比值，用 d 表示。,2018/12/10,二、流体的静压强,1、压强的定义,流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的
7、静压强，简称压强。即：,p - 流体的静压强，Pa； F - 垂直作用于流体表面上的压力，N； A - 作用面的面积，m2。,2018/12/10,换算关系为：,2 、压强的单位,SI制单位：N/m2，即Pa。,其它常用单位有：,atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。,2018/12/10,3、压强的基准,（1）绝对零压(真空),以绝对零压为基准所测得的压强称为绝对压强。,（2）当时当地的大气压,以当时当地的大气压为基准所测得的压强称为表压或真空度。,表压强绝对压强大气压强,真空度大气压强绝对压强表压,2018/12/10,2018/12
8、/10,绝对压强、真空度、表压强的关系图,绝对零压线,大气压强线,绝对压强,表压强,绝对压强,真空度,【注意】当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）,2018/12/10,压力表,2018/12/10,弹簧压力表的内部结构,2018/12/10,2018/12/10,1、方程的推导,在11截面受到垂直向下的压力：,在22 截面受到垂直向上的压力：,小液柱本身所受的重力：,因为小液柱处于静止状态，,三、流体静力学基本方程式,2018/12/10,两边同时除A,【该式说明】在同一种静止流体中不同高度上的静压能和位能各不相同，但其总能量保持不变。,
9、2018/12/10,若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为P0，取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为P ，则：,流体的静力学方程,【该式表明】在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。,令,则得：,2018/12/10,2、方程的讨论,（1）当液体的种类一定时，液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：,（2）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关，即：,【结论】处于同一水平面上各点的压强相等。,2018/12/10,（3）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。【帕斯卡（巴斯
10、噶）原理】【如：液压千斤顶】,（4）从流体静力学的推导可以看出，它们只能用于静止的连通着的同一种流体的内部，对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系。,2018/12/10,（5）,可以改写成,压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。,（6)方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况。,2018/12/10,液压传动所基于的最基本的原理就是巴斯噶原理，就是说，液体各处的压强是一致的。,液压千斤顶,2018/12/10,【例】图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密
11、度1800 kg/m3 ，水层高度h2=0.6m，密度为2 1000kg/m3,（1）判断下列两关系是否成立？,PAPA，PBPB。,（2）计算玻璃管内水的高度h。,2018/12/10,四、流体静力学方程式的应用,1、压强与压强差的测量,（1）U型管压差计,U型管压差计的构造,透明的U型玻璃管； 刻度尺； 指示液。,2018/12/10,2018/12/10,U型管压差计的测压原理,两点间压差计算公式,而,整理得：,2018/12/10,当被测的流体为气体时，0，可忽略，则：,若U型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差，也就是被测流体的
12、表压。,【几点讨论】,2018/12/10,当P1P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取措施是：使用倾斜U型管压差计、 微差压差计。,当P1P2值较大时，R值也很大，为了测量的方便，可采取措施是：使用复式压差计。,2018/12/10,（2）微差压差计,U型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室,其内径与U型管的内径之比10，装入两种密度接近且互不相溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶。, 微差压差计的结构,2018/12/10,根据流体静力学方程可以导出：,微差压差计两点间压差计算公式,可认为即使U管内指示液A 的液面差R 较大，但两扩大室内指示液C的液面变化微小，可近似认
13、为维持在同一水平面。, 微差压差计的测压原理,2018/12/10,2018/12/10,【例】用U型管压差计测量气体在水平管路上两截面的压强差。指示液为水，其密度0为1000kg/m3，读数为12mm。为了放大读数，改用微差压差计，指示液A是含40酒精的水溶液，密度A为920kg/m3,指示液C是煤油，密度C为850kg/m3。问读数可以放大到多少？若两者之读数误差均为2mm，问相对误差各为多少？,2018/12/10,（3） 复式压差计,当系统内两处压强差很大时，将会导致U型管内指示液的高度差很大，给读数带来困难。此时，可使用复式压差计。,压差计算公式为：,2018/12/10,2、液位的
14、测定,在化工生产中，经常要了解容器内液体的贮存量，或对设备内的液位进行控制，因此，常常需要测量液位。,2018/12/10,在容器或设备1的外边设一平衡室2，其中所装的液体与容器中相同，液面高度维持在容器中液面允许到达的最高位置。用一装有指示剂的U形压差计3把容器和平衡室连通起来。,压差法液位测量装置,2018/12/10,液柱压差计测量液位的方法：,【分析可知】当R0时，容器内的液面高度将达到允许的最大高度；容器内液面愈低，压差计读数R 越大。,由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度，关系为：,2018/12/10,远距离控制液位的装置,压缩氮气自管口 经调节阀通入，调 节气体的流
15、量使气 流速度极小，只要 在鼓泡观察室内看 出有气泡缓慢逸出 即可。,若容器或设备的位置离操作室较远时，可采用如图所示的远距离液位测量装置。,2018/12/10,远距离测定液位的方法,用U形压差计测量吹气管内的压力，其读数R的大小，即可反映出容器内的液位高度，关系为：,贮罐内液体的密度； 0U型管内指示液的密度。,2018/12/10,2018/12/10,3、液封高度的计算,（1）若设备内要求气体的压力不超过某种限度时，液封的作用就是：当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为安全性液封。,（2）若设备内为负压操作，其作用是防止外界空气进入设备内。,液封的作用,2018/12/10,2018/12/10,【例】如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是当炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。,
