《流体流动汇总》ppt课件

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1、内容提要 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 流速与流量测量 * 习题,第一章 流体流动,要求 掌握连续性方程和能量方程柏努利方程 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； 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,流体力学: 是研究流体流动和静止基本规律的学科，有关食品在生产过程流体流动问题也属于流体力学的基本内容。,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，

2、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。,流体的研究意义,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，但比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压力、温度等宏观的参数（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

3、过程的连续性。,流体的研究方法,不可压缩流体：流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。,实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。,可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。,流体的压缩性,流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。外力重力和压力；平衡时静止状态；非平衡时，流动状态。,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，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：

4、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） （1-2）,一、 流体的物理性质 （一）密度,通常液体视为不可压缩流体，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。液体密度可可查手册获得。,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：,1. 液体的密度,2. 气体的密度,上式中的0M/22.4kg/m3为标准状态（即T0=273K及p0=133.3Pa）下气体的密度。,

5、在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。,3.气体混合物的密度 当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式(1-3)计算气体的密度。,气体混合物的组成通常以体积分率表示。 对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。,Mm My1 + M2y2 + + Mnyn (1-5) 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。,4.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

6、 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。,(1-6),单位质量流体的体积，称为流体的比体积，用符号 表示，单位为m3/kg，则,亦即流体的比体积是密度的倒数。,（二）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+

7、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：,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。以p表示。,在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。,帕斯卡, Pa, N/m2 (法定单位); 标准大气压, atm; 某流体在柱高度; bar（巴）或kgf/cm2等。,（三） 压力,2. 压力的单位,1. 压力的定义,压力可以有不同的计量基准。,绝对压力：以绝对真空(即零大气压)为基准。,表压：以当地大气压为基准。它与绝对压力

8、的关系，可用下式表示： 表压绝对压力大气压力,真空度：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,注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。,3. 压力的表示法,可见真空度是表压的负值。,4.绝对压力、表压和真空度的关系,二、流体静力学基本方程式,推导的条件：静止的、均匀的、连续的流体。,（一）流体静力学基本方程式,在垂直方向上作用于液柱的力有： 下底面所受之向上总压力为p2 A； 上底面所受之向下总压力为p1 A； 整个液柱之重力Gg A(Z1-Z2 )。,现从静止液体中任意划出一垂直液柱，如图所示。液柱的横截面积

9、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。,上两式即为液体静力学基本方程式.,p2p1g(Z1-Z2),由上式可知：,当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为等压面。,当液面的上方压力p0有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。,p2p0gh可改写为,由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。,将 p2p1g(Z1-Z2 )

10、 两边除以g并加以整理可得：,（一）流体静力学基本方程的几何意义和物理意义,位压头,静压头 式中的第二项 p /g 称为静压头，又称为单位重量流体的静压能。,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/m=zg 。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，即mgz/mg=z 。,静力学基本方程式中各项的意义：,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。,静压力位压头常数,也可将上述方程各项均乘以g

11、，可得,p/表示单位质量流体具有的静压能（单位为J/kg）。,Zg表示单位质量流体从基准面算起的位能（单位为J/kg ）；,注意：指示剂的选择,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。,（三）流体静力学基本方程的应用,1. 压力测量,（1） U型管压差计,papb,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 p1p2R0 g,下图所示是倒U型管压差计。该压差计是利用被测量液体本身作为指示液的。压力差p1p2可根据液柱高度差R进行计算。,（

12、2） 倒U型管压差计,例1-4 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，用汞作指示液，试计算a、b两点的压力差为若干？已知水与汞的密度分别为1000kg/m3及13600kg/m3。R=100mm。,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

13、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。,R与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。,（3） 斜管压差计,对于一定的压差，（PaPb）愈小则读数R愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。,（4） 微差压差计,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.液面测定,例1-5 为了确定容器中

14、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。,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）

15、将式（a）减去式（b）并经整理得,为了安全起见，实际安装时管子插入液面下的深度应比上式计算值略低。,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,工业生产中流体大多是沿密闭的管道流动。 因此研究管内流体流动的规律是十分必要的。 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,2质量流量 单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量，以qm表示，其单位为kg/s。 体积流量与质量流量之间的关系为： qm=qV （119）,1.体积流量 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以qV表示，其单位为m3/s。,一、流量与流速,（一）流量,实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上各流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零。,质点的流速：单位时间内流体质点在流动方向 上所流经的距离。,（二）流速,1. 平均流速,平均速度: 一般以管道截面积除体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均速度，简称流速。 以u表示,