第一章 流体流动及流体输送机械1.1 教学基本要求 1.1.1流体流动本章应掌握的内容：（1）流体及相应的基本概念；（2）流体静力学的基本原理及应用； （3）流体动力学的基本原理及应用；（4）流体流动阻力的相关概念、基本原理及应用；（5）流体流量的测量原理及设备1.1.2流体输送机械本章应掌握的内容：（1）液体输送机械的结构特点、工作原理、性能参数、操作、选型及典型设备间的区别，重点掌握离心泵及往复泵；（2）典型气体输送机械的结构特点、工作原理和操作性能1.2 重点内容概要1.2.1 流体流动1.2.1.1流体及其主要物理性质一、连续介质假定气体和液体具有易变形的特征，表现出流动性气体和液体统称为流体液体可视为不可压缩性流体；气体可视为可压缩性流体在流体流动的研究中，常将流体视为由无数流体微团（或流体质点）组成的连续介质这些质点一个紧挨着一个，质点间无空隙，即可认为流体充满其占据的空间，从而可以摆脱复杂的分子运动，从宏观的角度来研究流体在外力作用下的机械运动规律二、流体的物理性质（1）流体的密度①定义： kg/m3 （1-1）②影响因素： ρ= f (T,P）对液体：密度随压力变化很小，可忽略；温度影响较明显。
对气体：温度、压力均影响显著，不可忽略③气体的密度：当压力不太高、温度不太低时，ρ可按理想气体考虑，即： （1-2）也可以按下式计算： （1-3）式中：ρ0 ——标准状态（P0=101.3kPa，T0=273K）下气体的密度，kg/ m3气体混合物：以1m3混合气体为基准 （1-4）式中：xv,i ——混合物中i组分的体积分率理想气体混合物： ，其中Mm为平均分子量： （1-5）式中：yi ——混合物中 i组分的摩尔分率，在低压下，yi= xv,i④液体的密度：液体混合物，以1kg混合液体为基准 （1-6）式中：xw,I ——混合物中i组分的质量分率2）流体的重度和比重重度：单位体积的流体所具有的重量，单位为N/m3（SI单位制），kgf/m3（工程单位制）。
（1-7）重度是工程制的物理量，在同一单位制中，γ和ρ在数值和单位上是不等的，但是工程单位制中的γ和SI制中的ρ数值相等比重：液体的比重通常指其密度与水在4℃时的密度之比，即 （无因次） （1-8）（3）流体的比体积（比容）v： （1-9）（4）流体的粘度①流体的粘性流体流动时，相邻两层流体间存在着相互作用力，两种力大小相等，方向相反，称为内摩擦力流体在流动时产生内摩擦力的这种性质，称为流体粘性粘性是流体固有的属性之一，只不过流体的粘性只有在其流动时才会表现出来粘性越大时，其流动性就越小流体在流动时的内摩擦力，是流动阻力产生的根源②牛顿粘性定律 （1-10）式中：τ——剪应力，单位面积上的内摩擦力，N/m2；du/dy ——速度梯度，与流动方向垂直的方向（径向）上的速度变化率，1/s；μ ——比例系数，即动力粘度，绝对粘度，简称粘度③粘度的单位及换算1Pa·s=1 N·s /m2=10P=1000cP （厘泊） 1P（泊）=1dyn·s/cm2④运动粘度ν： （1-11） 1St=100cSt（厘沲）=1×10-4m2/s⑤粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大，气体的粘度远小于液体的粘度。
液体的粘度随温度的升高而减小，而气体的粘度却随温度的升高而增大压力对液体的粘度基本没有影响，对气体粘度的影响也很小，在工程计算中可忽略，只有在极高或极低的压力下，才需要考虑压力对气体粘度的影响5）理想流体与粘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μ=0，称为理想流体理想流体并不存在6）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1.2.1.2 流体静力学一、流体的压力（1）定义：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上称为压力，常用P表示流体的压力具有垂直性、各方向上的均等性、连续性2）压力的单位及换算1atm=1.013×105Pa=10.33mH2O=760mmHg=1atm =1.033at1at=1kgf/cm2 =9.087×104Pa=10mH2O=735.6mmHg（3）压力的表示方法以绝对真空（0atm）为基准计量的压力称为绝对压力，是流体的真实压力，以当地大气压为基准计量的压力称为表压或真空度。
表压力=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力二、流体静力学基本方程式 （1-12）也可写成： （1-13）应用注意事项：①方程适用于静力场中静止的单一连续流体对于气体，可认为容器内气体压力均相等②静止液体内部任一点压力的大小，与液体本身密度ρ和该点距液面的高度有关，越深则其压力越大③利用一定高度的液体柱可以表示压强差的大小，这是液柱压差计的原理但需注意，在使用液柱高来表示压强或压强差时，必须注明是何种液体④当液面上方压力P0变化时，必以同样的大小传递到液体内部各点，这就是帕斯卡原理⑤静止、连续的同一液体的同一水平面上，各点压力相等，即等压面为一水平面这就是液面计的依据—连通器原理⑥在连续、静止的同一种流体中，静压能与位能守恒三、流体静力学基本方程式的应用（1）压力测量利用流体静力学基本方程可以测量流体的静压强，使用的测压仪器一般称为液柱压差计，较为典型的有：U型管压差计、倒装U型管压差计、斜管压差计和微差压差计（双液压差计）由测量原理，可以得出：Ⅰ.两截面的压强差ΔP仅与指示液读数R和密度差（ρ0-ρ）有关，而与U型管的粗细、长短和位置无关；与测压引线的粗细、长短亦无关。
Ⅱ.若压差ΔP一定，指示液与被测流体的密度差数值越小，则指示液读数R越大，可根据这一规律来选择适当的指示液Ⅲ.可用U型管压差计来测量设备某一处的压力2）液面测定液面计根据静止、连续的、同一流体、同一水平面上各点压力相等这一原理设计而成3）液封高度的计算为了防止气体泄漏和安全等目的，要采用液封（或称水封），液封高度需针对具体情况而定1.2.1.3 流体动力学一、流量与流速（1）体积流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的流体体积，以V表示，单位：m3/s或m3/h所取截面应与流体流动方向相垂直2）质量流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的质量，以W表示，单位：kg/s或kg/h体积流量与质量流量的关系： （1-14）（3）（平均）流速：单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工程上，平均流速一般是以流体的体积流量除以管路横截面积： （1-15）（4）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/(m2·s） （1-16）注意：由于气体为可压缩性流体，其流速、体积、密度均随温度和压力的变化而变化，但其质量始终不变，因此质量流速是不随温度和压力变化的。
故在气体管路的分析和计算中，采用质量流速比较方便二、稳定流动与不稳定流动在流动系统中，如果与流动有关的各参数（u、P、ρ等）只随位置变化，不随时间变化，为稳定流动在流动系统中，如果与流动有关的各参数（u、p、ρ等）不仅随位置变化，而且还随时间变化，为不稳定流动三、物料衡算－连续性方程流体在一无分支管路中作稳定流动，如果在流动过程中并没有流体的加入或泄漏，则从管路入口截面1进入的流体质量流量应等于从管路出口截面2流出的流体质量流量，这就是稳定流动的物料平衡方程式，也称为连续性方程： W1=W2 （1-17）上式也可写成： u1A1ρ1= u2A2ρ2 （1-18）对于不可压缩流体，ρ可视为常数，则有： u1A1=u2A2 （1-19）对于圆形管路，由于，则可写成： （1-20）上式说明在不可压缩性流体的稳定流动管路中，流速与管内径的平方成反比四、机械能衡算——柏努利方程式（1）柏努利方程形式流体所具有的能量形式很多，这里只考虑流体机械能—位能、动能和静压能。
图1-1 流体稳定流动管路示意图如图1-1，以截面1-1’和2-2’之间的管路和设备为衡算范围，选用1kg流体作为计算基准，在稳定流动的条件下可以得到不可压缩性流体的机械能衡算式即柏努利方程的形式为： （1-21）式中各项的单位为J/kg其中，We为单位质量流体通过衡算范围的过程中所接受的功，hf为单位质量流体在衡算范围内流动时的能量损失，又称为比能损失2）柏努利方程的分析和讨论①应用条件：I.流体作稳定流动，连续不间断；II.流体为不可压缩性流体，ρ=const；III.整个流动过程为恒温过程，内能不变②柏努利方程的不同形式以单位体积流体为衡算基准： （1-21a）各项单位为Pa以单位重量流体为衡算基准： （1-21b）各项的单位为m式中，，称为有效压头；，称为压头损失；而Z、、分别称为位压头、动压头和静压头③总比能和流向判断引入总比能E=Zg++，于是式（1-21）可写为： E1+We=E2+hf （1-22）若无外功加入，We=0，于是： E1=E2+hf （1-23）对于实际流体， hf>0，那么无外功加入时系统的总机械能沿运动方向将逐渐减小。
也就是说，实际流体总是从总比能高处流向总比能低处因而，对于这样的管路，各截面的总比能大小是判断流体流向的依据④外功We是输送设备对单位质量流体所作的有效功单位时间输送设备对流体（不是单位质。