第3章环境工程原理流体流动.

第二章流体流动《环境工程原理》仲恺农业技术学院环境科学与工程系环2第三章流体流动本章主要内容补充内容流体力学基本概念流体静力学第一节管流系统的衡算方程第二节流体流动的内摩擦力第三节边界层理论第四节流体流动的阻力损失第五节管路计算第六节流体测量3流体力学基本概念一．流体的定义和分类1．定义气体（含蒸汽）和液体统称流体。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黏性（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。4流体力学基本概念二、流体特征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。三．作用在流体上的力外界作用于流体的力有两种，即质量力和表面力。5流体力学基本概念三、连续性假设在环境工程原理中研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。实际流体的不连续性各质点的能量在时间和空间上的分布是不一样的。连续性假设假定流体是有大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。6流体力学基本概念四、流体的可压缩性与不可压缩流体流体的可压缩性流体都是可压缩的不论是液体还是气体都是可压缩的。可压缩性的表示方法在一定温度下，外力每增加一个单位时，流体体积相对缩小的量称为体积压缩系数，可用来表示流体的可压缩性。7流体力学基本概念体积压缩系数的表达式式中b－－体积压缩系数；u－－单位质量的体积，m3/kg。不可压缩流体流体可压缩是绝对的，不可压缩是相对，当b很小时可视为不可压缩，通常认为气体可压缩，而液体不可压缩。pdd1uub8流体力学基本概念五、流动体系的分类1.定态与非定态流动流动的流体各质点的有关物理参数（如流速、密度、压强）均为空间坐标（x,y,z）和时间q的函数，如流速可写成u＝f(x,y,z,q)当流体在空间各个位置的有关物理参数（如流速、密度、压强）仅随空间位置改变而变化，而不随时间变化时，即称为定态流动（常态流动或稳定流动），有部分或全部参数随时间而改变，称为非定态流动（非常态流动或非稳定流动）。9流体力学基本概念10流体力学基本概念2.一维与多维流动流动流体的各物理量只依赖于一个曲线坐标，则称为一维流动，依赖于两个曲线坐标，称为二维流动，依赖三个曲线坐标的，称为三维流动。3.绕流与封闭管道内的流动绕流是指流体绕过一个浸没的物体流动，故也称为外部流动。封闭管道内流动是指流体在封闭的管道内的流动，是工业液体输送的一种主要方式。11流体静力学一、静止流体的压力特性1.概念压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，习惯上称为流体压力。单位：N/m2＝Pa，1标准大气压=101325Pa。总压力作用于整个面积上的力，称为总压力。12流体静力学三种压力表示形式绝对压力对绝对真空为基准测得的压力，称为绝对压力。表压以外界大气压为基准得的压力，称为表压。工程上用压力表测得的流体压力，就是流体的表压，即压力表在大气中的开口压力为零。表压＝绝对压力－大气压力13流体静力学真空压把表压为负值改为正值后称为真空压，又称真空度。真空压＝大气压力－绝对压力注意事项大气压是随温度、湿度和海拔高度而变化；在使用时应注明压力的种类，以免混淆。熟悉压力的各种计量单位与基准及换算关系，对以后的学习和实际工程计算是十分重要的。14流体静力学气体的国际标准和国标标准状态T0＝273.15K，p0＝101.325kPa，V0=22.41383m3/kmol。压强的重要特性流体压力处处与它的作用面垂直，并且总是指向流体的作用面；流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。15流体静力学7.三种压力的关系图绝对压强绝对压强绝对压强表压强大气压线绝对零压线16流体静力学二、流体静力学方程推导过程使用条件物理意义工程应用1.推导过程从静止液体中任意划出一垂直液柱，如下图所示。横截面积为A，液体密度为r，液柱的上下底面到容器底的垂直距离分别z1和z2，p1与p2表示高度为z1和z2处的压力。垂直作用于液柱上的力有三个：上面的下压力为：p1A；下面的上压力为：p2A；液柱的重力为：rgA(z1－z2)。18流体静力学由于液体静止，三个力之和为零，即p2A－p1A－rgA(z1－z2)＝0＝＞p2＝p1＋rg(z1－z2)（1-9）如果将液柱的上底面取齐液面，设液面上方的压力为p0，液柱的下底面压力为p，液柱的高度为h，则上式可改写为：p＝p0＋rgh（1-10）式（1-9）和（1-10）称为静力学基本方程。19流体静力学【例题】如下图所示的储油罐中盛有密度为960kg/m3的油品，油面高于罐底9600mm，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的人孔，其中心距罐底800mm，孔盖用直径为14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为4000N/cm2，问至少需多少螺钉？解：人孔中心高度处的压力为p＝rgh＝82875N/m2人孔盖板所受的总压力F＝pA＝37596N每个螺钉的许用压力F´＝p´A´＝6157.5N所需螺钉数目n＝F/F´＝6.1所需螺钉至少7个，可以考虑8个螺钉。21流体静力学2.静力学基本方程的理解等高等压（静止连续的同一液体）p0一定时，静止液体内任一一点的压力与液体的密度和位深有关。不同液体的U型管和中间有气泡的细管的等高不一定等压。【举例】如图，一U型管中有三种液体，分别用1#、2#和3#表示，其密度分别为r1=1kg/dm3、r2=2kg/dm3、r3=3kg/dm3。已知：h1=0.2m，h2=1m，试求：(1)h3=?(2)pB≠pB'(3)当pC=pC´时，h4=？22流体静力学解：(1)取AA´为等压面，则有：r2h2=r1h1+r3h3＝＞2×1＝1×0.2+3h3h3=0.6m(2)pB=pA-r1h5，pB’＝pA´-r2h5，pB´-pB=h5。(3)因pC=pC´所以r2h6=r3h4＝＞r2（h2－h1－h3＋h4）=r3h4求得：h4＝0.423流体静力学其它条件不变时，p0变化p也变化。液柱高度可表示为压差或压力目前泵的出口压力就是用扬程表示。方程变形：由式（1-9）＝＞同样常数常数、rrpgzgpzgpzgpzrr2211rr2211pgzpgzgpphr024流体静力学量纲理解①位压上式中的z常称为位压头，是相对于基准面的高度。其单位m可改写为：N·m/N=J/N，则也可称为单位重量(1N)液体的位能，即重量1N的液体从基面上升z高度后所具有的位能。同理，gz可理解为单位质量1kg液体的位能，单位：kgJkgmNkgmsmkg225流体静力学②静压头上式中p/rg称为单位重量流体的静压能，或称为静压头，单位：N·m-2/[(kg·m-3)·(m·s-2)]=J/N。静压能可使液面上升一定高度。同理，p/r为单位质量流体的静压能，其单位为：N·m-2/(kg·m-3)=J/kg③p2＝p1＋rg(z1－z2)各项理解单位为：表示单位体积的液体所具有的能量。332mJmmNmNPa26流体静力学四、液体静力学基本方程式的应用1.压力与压力差的测量U形管液柱压差计①特点ⅰ.主体为一条U形的玻璃管，内装指示液；ⅱ.指示液要求与被测液不互溶不反应，密度要大于被测液；ⅲ.常用指示液汞、四氯化碳、水和液体石蜡。27流体静力学②压差计算ⅰ.计算面的选定多选择指示液低的面。ⅱ.计算根据两边管计算面的压力是相等，分别从两边求压力。从右侧求得从左侧求得gRmppar)(1gRgmppb02rr28流体静力学＝＞＝＞被测流体为气体时，可简化为③倒U形压差计可利用被测液体的自身作指示液，注意等压面。gRgmpgRmp021)(rrrgRpp)(021rrgRpp021rgRppr2129流体静力学【例题】某流化床反应器上装有两个U形管压差计，测得R1=400mm，R2=50mm，指示液为水银，为了防止水银蒸发，在上面的U形管与大气连通的玻璃管内注入一段水，其高度R3＝500mm，计求A，B两处的压力。解：pA(表)=r水gR3＋r汞gR2=7156.1PapB(表)=pA(表)＋r汞gR2=60483.8Pa30流体静力学⑤斜管压差计如下图所示，可增长刻度，R=R'sina。31流体静力学⑥双液U管微压差计ⅰ.结构特点：在U型管上增加了两个小室，且采用两种密度接近的指示液。ⅱ.压差计算：忽略小室的压差变化时，则：p1-p2＝(rA-rC)gR小室压差不可忽略时，则：p1－p2＝(rA－rC)gR＋DRrCg式中：DR＝R(d/D)232流体静力学【例题】用一微差压计测量皮托管流速计（测量气体流速）两接口间的压差，两液体的密度分别为900kg/m3与1000kg/m3，U形管内径为8mm。(1)若扩大室内径为80mm，h为200mm，则测得压力应为多少？又若扩大室的内径为40mm，则读数应为多少？两情况测得的压差值与压差的真值间的误差各为多少？（注未测压差时，两扩大管中的液面高度相同）33流体静力学解：设压力高的一侧压力为pA，另一侧压力为pB。压差计内密度小的液体密度为r1，密度大的液体为r2。（1）当扩大室的内径为80mm时，按公式则有：pA－pB＝(r2－r1)gh＋(d/D)2r1g＝213.64Pa（2）不论扩大室如何变化，pA与pB的压差始终为213.64Pa。同样由上式可求得：h＝160mm。（3）若忽略h´的影响时，则根据h为200mm和160mm两个读数计算出的压差便有误差。34流体静力学当扩大室的内径为80mm时，则：（pA-pB）´＝(rA-rC)gh＝196Pa。误差为17.64Pa，相对误差为8.3%。当扩大室的内径为40mm时，则：（pA-pB）´＝(rA-rC)gh＝156.8Pa。误差为39.2Pa，相对误差为18.3%。说明：由上题可见，双液U管微压差计的误差是随D/d的增大而差小，所以双液U管微压差计的D至少为d的10倍以上。35流体静力学二、液面测定1.结构特点U型管与容器的接口分别为容器的最高和最低液位。中间加一个小平衡室是确保U型管内的工作液量。2.液位读取液面超高，读数越小。3.用途用于放置高位溶器。36流体静力学3.液封高度的计算【例1-6】右图为真空蒸发塔，其真空表读数为70×103Pa。试求h的大小？解：设塔内的绝对压力为p，大气压为pa，则pa＝p＋rgh＝＞注意：不要以真空度直接计算。gpphar37第一节管道系统的衡算方程本节的主要内容一、管道系统的质量衡算方程二、管道系统的能量衡算方程38第一节管道系统的衡算方程一、管道系统的质量衡算方程方程的条件一维流动－－流动流体的各物理量只依赖于一个曲线坐标。稳态流动连续流动－－连续流动是一种假设。均匀、连续、中间无漏损的流动39第一节管道系统的衡算方程衡算系统图1111mmquAr2222mmquAr40第一节管道系统的衡算方程根据系统图，若截面A1、A2上流体的密度分布均匀，且流速取各截面的平均流速，则对于稳态过程对于不可压缩流体，ρ为常数，－－不可压缩流体管内流动的连续性方程、12ddmmmqqtd0dmt2211AuAumm111222ddmmmuAuAtrr(3.1.1)222111AuAummrr(3.1.2)(3.1.3)41第一节管道系统的衡算方程对于圆形管道管道直径的估算＝＞流体在均匀直管内作稳态流动时，平均速度恒定不变。22221144dudumm即22112dduumm22785.04dVdVuuVd785.042流体输送流速的选定在选择流体的流速时，应注意以下