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1、第二章 流体流动,概述 气体和液体统称为流体。在葡萄酒生产中处理的物料主要是液体。生产需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。生产中的传热、传质过程大都在流动下进行。流体流动状态对单元操作有很大影响。,流体流动是连续的。 流体作为一个整体运动的同时，内部有相对运动。 流体内部无数质点运动的总和形成流体流动。 流体有不可压缩流体和可压缩流体。 不可压缩流体的体积（密度）不随压力及温度变化 可压缩流体的体积（密度）随压力及温度变化,1 流体静力学基本方程式,流体静力学是研究流体在外力作用下的平衡规律，研究流体在外力作用下处于静止或相对静止的规律。 流体静力学的基本原理在生产中有着广泛
2、的应用，如压力、液面的测量等。本节主要讨论流体静力学的基本原理及其应用。,一、流体的压力,流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的压强。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。 压力单位是N/m2，以Pa表示。压力有不同的单位：标准大气压atm、流体的液柱高度m、巴bar或kgf/cm2等。换算关系为： 1(atm)=101300Pa=10330kgf/m2=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg 压力可有不同的计量基准，如以绝对真空(即零大气压)为基准，称为绝对压力（absolute pressure）。如以当地大气压为基准，则称
3、为表压(gauge pressure)。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,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称为真空度（vacuum） 真空度大气压力绝对压力 此处的大气压力均应指当地大气压。 绝对压力、表压和真空度的关系如图。 例：某离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg(真空度)及1.7kgf/cm2(表压)。若当地大气压力为760mmHg，试求它们的绝对压力各为多少Pa。 解：泵进口绝对压力 P1=760-220=540mmHg =7.2 10000Pa 泵出口绝对压力 P2=1.7+1.033 =2.733kgf/cm2 =2.681000
4、00Pa,二、流体的密度与比容,（一）密度 1单位体积流体的质量称为密度。Kg/m3（SI）；=m/v 2对任何一种流体，其密度随其所具有的压力和温度而变化, =f(P.T) 3理想气体的密度： 标准状态下 ( 1atm，oc )，22.4 m3/kmol 理想气体定律PV = m/MRT; = m/v = PM/RT, =oToP/TPo 混合物平均分子量Mm = M1y1+M2y2+ M1、M2：气体混合物各组分的分子量 y1、y2 气体混合物各组分的摩尔分率。 若用 表示混合气体的体积分率，气体平均密度： m=11+22+,单位质量流体的体积称为流体的比容v，单位为m3/kg， 流体的比
5、容是密度的倒数。,（二）比容,二、流体静力学基本方程式,从静止液体中任意划出一垂直液柱，其横截面积为A，液体密度为，若以容器器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1和Z2，以p1与p2分别表示高度为Z1及Z2处的压力。在垂直方向上作用于液柱的力有： 1. 下底面所受之向上总压力为p2A； 2. 上底面所受之向下总压力为p1A； 3. 整个液柱之 GgA(Z1-Z2)。 在静止液体中，上述三力之合力应为零，即 p2Ap1AgA(Z1-Z2)0 在静止液体中，上述三力之合力应为零，即 p2Ap1AgA(Z1-Z2)0 式中向上的力为正，向下的力为负，化简得 p2p1g(
6、Z1-Z2) 如将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱Z1-Z2h，则 p2p0gh 上各式称为静力学基本方程式。,三、流体静力学基本方程式的应用,一、压力测量 1、U形管液位压差计 2、斜管压差计 3、微差压差计 二、液面测定 三、确定液封高度 生产中为了控制设备内气体压力不超过规定的数值，常装有图示的安全液封（或称为水封）装置。其作用是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,一、流量与流速 （一）流量 1.体积流量 单位时间内流体流经管道任一截面的体积称体积流量V
7、（volumetric flow rate），单位为m3/s。 2.质量流量 单位时间内流体流经管道任一截面的质量称质量流量(mass flow rate)，以G表示，其单位为kg/s。体积流量与质量流量之间的关系为 G=V,2 流体流动,（二）流速 1、平均流速 流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。流量与流速关系为 uV/A G=V=Au 2、质量流速 单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速（mass velocity），以表示，单位为kg/m2s。它与流速及流量的关系为 G/A=Au/A=u 3、管道直径的估算 若以d表示管内径， 则,二、稳定流动与不稳定流动,1
8、.稳定流动 流体在管道中流动时，在任一点上的流速、压力有关物理参数都不随时间而改变，称为稳定流动(steady flow)。 2.不稳定流动 若流动的流体中，任一点上的物理参数部分或全部随时间而改变，称不稳定流动(unsteady flow)。 如水自变动水位的贮水槽中经小孔流出，则水的流出速度依槽内水面的高低而变化。 流体的流动情况多为稳定流动。故除非有特别指明者外均系稳定流动问题。,三、连续性方程式,流体在图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。若在管道两截面之间无流体漏损，根据质量守恒定律，从截面1-1进入的流体质量流量G1应等于从截面2-2流出的流体质量流量G2
9、，即 G1G2则 1A1u12A2u2 (1-20)此关系可推广到管道的任一截面，即 Au常数 ，上式称为连续性方程式(equation if continuity)。若液体不可压缩，常数，则上式可简化为 Au常数 。 由此可知，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速愈小，反之亦然 。 对于圆形管道，可得,四、理想流体的柏努力方程式,理想流体：非粘性的流体称为理想液体 （一）柏努利方程式 (Bernoullis equation) 柏努利方程是管内流体流动机械能衡算式。 柏努利方程式适用于不可压缩的流体。 流动系统的总机械能：流动系统的位能、静压能及
10、动能三者之和称为总机械能或总能量。,（二）柏努利方程式的物理意义,柏努利方程是单位质量液体能量守恒方程。 gz为单位质量流体所具有的位能， p/为单位质量流体所具有的静压能。 u2/2为单位质量流体所具有的动能 位能、静压能、动能之和为一常数，总能量不变，位能、静压能、动能可以相互转换。,五、实际流体柏努利方程,（一）实际流体的机械能衡算式 实际流体具有粘性，管截面上液体质点的速度分布是不均匀的。管内流体的流速取管截面上的平均流速。从1截面流至2截面时，一部分机械能转化为热能，引起机械能的损失，称为能量损失。 流体在直管中 流动能量损失,在直管的截面1与截面2处各安装一根测压管，测得两截面处的
11、静压强分别为p1/g与p2/g。水平直管z1z2。管径不变则u22/2gu12/2g。1截面处的机械能之和大于2截面处的机械能之和。两者之差即为实际流体在直管中流动时的能量损失。 实际流体在管道内流动时，由于流体的内摩擦作用，不可避免要消耗一部分机械能。须在机械能量衡算时加入能量损失项 式中 Hf压头损失，m。,只有当1-1截面处总能量大于2-2截面处总能量时，流体都能克服阻力流至2-2截面。但在生产中，常常需要将流体从总能量较小的地方输送到能量较大的地方，这一过程是不能自动进行的，需要从外界向流体输入机械功H，以补偿管路两截面处的总能量之差以及流体流动的能量损失，即,（二）柏努力方程式的应用
12、 柏努利方程是流体流动的能量衡算式，除用来分析和解决流体输送有关的问题外，还用于液体流动过程中流量的测定以及调节阀流通能力的计算等。应用方程式解题注意： (1)选取截面 选取截面时应考虑到柏努利方程式是流体输送系统在连续、稳定的范围内，对任意两截面列出的能量衡算式，首先要正确选定。 在连续稳定的范围内，任意两个截面均可选用。起点和终点的已知条件多，为计算方便，截面常取在输送系统的起点和终点的相应侧截面。两截面均应与流动方向相垂直。,(2)确定基准面 基准面是用以衡量位能大小的基准。为简化计算，通常取相应于所选定截面之中较低的一个水平面为基准 Z2值等于两截面之间的垂直距离。 (3)压力 方程式
13、中的压力p1与p2须同时使用表压或绝对压力，不能混合使用。 (4)外加能量 计算所求得的外加能量W是对每kg流体的。若要计算的轴功率，需将W乘以质量流量，再除以效率。, 3 流体在管内的流动阻力,柏努利方程式进行管路计算须知道能量损失。了解产生能量损失的原因及管内速度分布是计算能量损失的基础。 一、牛顿粘性定律 流体流动时产生内摩擦力的性质称为粘性。 有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体。将下板固定，对上板施加一恒定的力，使上板以较小的速度作平行于下板的等速直线运动，则板间的液体也随之移动。紧靠上层平板的液体，因附着上板，具有与平板相同的速度；紧靠下层板面的液体，附着于板
14、面而静止不动；在两层平板之间液体中形成上大下小的流速分布。,此两平板间的液体可看成为许多平行于平板的流体层，层与层之间存在着速度差，即各液层之间存在着相对运动。由于液体分子的运动，运动较快的液层对其相邻的运动较慢的液层有拖动其向运动方向前进的力。运动较慢的液层对运动较快的液层也作用着一个大小相等、方向相反的力，阻碍较快的液层的运动。 这种运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。 流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。流体粘性越大，其流动性就越小。,二、流体流动类型与雷诺准数,雷诺进行实验观察到了以下现象： 流速小时，管中心的有色流体在
15、管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线平稳地流过整根玻璃管，与旁侧的水不相混合，表明水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动。 当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，呈直线流动的有色细流便开始出现波动而成波浪形细线，不规则地波动； 速度再增大，细线波动加剧，被冲断而向四周散开，最后可使整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。此时流体的流动状况已发生了显著地变化。,1、雷诺(Reynolds)实验,2.流动类型 流体在管内流动状态分为层流和湍流两种类型。 （1）层流 流体在管中流动时，若质点始终沿着与管轴平行的方向直线运动，质点之间互不混合。充满整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动，这种
16、流动状态称为层流(laminar flow)或滞流(viscous flow)。 （2）湍流 流体在管道中流动时，若有色液体与水迅速混合，则表明流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都有时发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流(turbulent flow)或紊流,3.雷诺数及影响流动类型的因素,影响流动类型的因素有流速u 、管径d、流体密度、流体粘度。u、d、越大，越小，容易从层流转变为湍流。 雷诺实验表明：u、d、 组成复合数群du/是判断流体流动类型的准则。 数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)，用Re表示。雷诺准数的因次是,Re数是一个无因次数群。不管采用何种单位制只要Re中各物理量用同一单位制的单位，求得Re的数值相同。 Re2000时，流动类型为层流； 当Re4000时，流动类型为湍流；
