第一章 流体流动-四川理工学院

第一章流体流动(FluidFlow)四川理工学院材料与化学工程学院2第一章流体流动通过本章的学习，应掌握流体在管内流动过程的基本原理和规律，并运用这些原理和规律分析和计算流体流动过程中的有关问题。重点：连续性方程及柏努利方程式的应用流体的静压强、静力学方程式及其应用流动系统的能量衡算和机械能衡算式管路计算方法流量、流速的测量方法学习目的和要求：四川理工学院材料与化学工程学院31.0概述1、流体——气体、液体特征：流动性、没有固定的形状、在外力作用下其内部易发生相对运动。分类：按凝聚状态分类，按可压缩性分2、连续性假设——连续介质模型把流体视为由无数个流体质点（微团）所组成，这些流体质点紧密接触，彼此没有间隙，完全充满流动空间。流体质点（或流体微团）——流体液体易流动、不可压缩气体易流动、可压缩流体四川理工学院材料与化学工程学院41.0概述1、宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；2、同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。3、流体流动的研究目的：流体输送：流速、管径、外功、输送设备压强、流量与流速测定：选用安装测量仪表提供适宜的强化设备的流动条件：设备操作效率四川理工学院材料与化学工程学院51.1流体的物理性质1、定义：单位体积流体具有的质量，kg/m3影响因素：压力(P)，温度(T)),(lim0TPfVmV一、流体的密度：四川理工学院材料与化学工程学院61.1流体的物理性质2、气体密度：密度随温度、压力改变。低压下可按照理想气体状态方程计算004.22TppMTRTpMVm其中：T0=273.15K，p0=101.3kPa四川理工学院材料与化学工程学院71.1流体的物理性质混合气体的密度：NAiNAiiiiiNNBBAAmRTyMPyyyy假设气体混合物由N种物质组成，各物质的体积百分比分别为yi，密度分别为ρi四川理工学院材料与化学工程学院81.1流体的物理性质3、液体密度：基本不随压力变化(极高压力除外)，随温度略有变化。混合液体的密度：NAjjjNNBBAAmxxxx1假设液体混合物由N种物质组成，各物质的质量百分比分别为xj，密度分别为ρj四川理工学院材料与化学工程学院91.1流体的物理性质二、流体的黏度：1、流体的黏性：是流体的重要的物理性质只有在流动时才表现出来黏性流体速度分布示意图：四川理工学院材料与化学工程学院101.1流体的物理性质2、牛顿黏性定律：平板实验yuSFSyuF或写成微分形式：dydu——牛顿黏性定律μ—比例系数，黏度(Viscosity)；τ—剪应力上板以恒定速度沿x轴的正方向运动四川理工学院材料与化学工程学院黏度物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力111.1流体的物理性质3、流体的黏度及单位：在SI单位制中，黏度的单位为Pa·ssmkgspmSNmsmmNdydua22//][在物理单位制上，其单位为P（泊）泊）(//][22PscmgcmSdyncmscmmdyndydu一般以厘泊(cP)来表示黏度cPPsPa1000101四川理工学院材料与化学工程学院121.1流体的物理性质黏度μ的影响因素：液体：T↑，μ↓气体：T↑，μ↑压力P的影响一般不予考虑，只有在极高或极低的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。温度T、压力P、物质种类四川理工学院材料与化学工程学院131.1流体的物理性质4、运动黏度ν及单位：SI制单位：[m2/s]物理单位制：[cm2/s]=[St]（斯托克斯，简称沲，tuó）常用的还有：cst(厘沲，1st=100cst）换算：1St=100cSt=1×10-4m2/s四川理工学院材料与化学工程学院141.1流体的物理性质5、混合物黏度：分子不缔合的液体混合物：iimxlglg气体混合物：2121μμiiiiimMyMy式中：xi－液体混合物中i组分的摩尔分率yi－气体混合物中i组分的摩尔分率μi－与混合物相同温度下的i组分的黏度Mi－气体混合物中i组分的分子质量四川理工学院材料与化学工程学院151.1流体的物理性质三、理想流体：μ=0的流体称为理想流体。自然界不存在真正的理想流体。四川理工学院材料与化学工程学院161.1流体的物理性质牛顿流体：遵循牛顿黏性定律的流体。所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等。四、牛顿流体与非牛顿流体：ddydxdyddxdydu//——流变方程式中：－剪切速率四川理工学院材料与化学工程学院171.1流体的物理性质对其而言，黏度不再是纯粹的物性，而是随着速度梯度而改变，称为表观黏度，与时间无关。非牛顿流体：不遵循牛顿黏性定律的流体。某些高分子溶液、悬浮液、泥浆、血液等属于非牛顿流体。a四川理工学院材料与化学工程学院181.1流体的物理性质非牛顿型流体分类：①塑性流体：如油墨、泥浆、纸浆、牙膏、污水②假塑性流体：如聚合物溶液、润滑脂、涂料、淀粉悬浮液③涨塑性流体：如塑料溶液、微粒含量很高的悬浮液、淀粉水浆液、硅酸钾水浆液等dyduondyduK)(ndyduK)(n1n1式中：K－稠度系数四川理工学院材料与化学工程学院191.1流体的物理性质牛顿型流体假塑型流体涨塑型流体宾汉塑型流体或四川理工学院材料与化学工程学院201.2流体静力学基本方程式流体静力学流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律。四川理工学院材料与化学工程学院211.2流体静力学基本方程式一、静止流体的压力：流体垂直作用于单位面积上的力，简称压强，习惯上称为压力。AFpAFpA0lim式中：p─压力，N/m2，即Pa(帕斯卡)F─垂直作用在面积A上的力，NA─作用面积，m2四川理工学院材料与化学工程学院221.2流体静力学基本方程式常用压力单位是:N/m2(Pa)、MPa标准大气压(atm)工程大气压(kgf/cm2=at.)米水柱(mH2O)毫米汞柱(mmHg)1atm=101325Pa=0.101325MPa=1.033at.=10.33mH2O=760mmHg1at=1kgf/cm2=9.807×104Pa=10mH2O=735.6mmHg四川理工学院材料与化学工程学院23压力的表示方法：绝对压力：绝对真空(即零大气压)，真实压力表压力：当地大气压为基准，高出的压力真空度：当地大气压为基准，低出的压力1.2流体静力学基本方程式表压力=绝对压力-当地大气压力真空度=当地大气压力-绝对压力真空度=-表压力不同基准压力之间的换算：四川理工学院材料与化学工程学院241.2流体静力学基本方程式二、流体静力学基本方程式：1、流体的受力：体积力（场力）：重力、静电力、电磁力表面力（机械力）：流体所受到的力的大小与表面积成正比。有法向和切向两种。四川理工学院材料与化学工程学院251.2流体静力学基本方程式2、欧拉平衡方程（流体平衡微分方程）：微元立方流体，密度：ρ边长：dx、dy、dz0y0x00)(zypxpgzpgdxdydzdxdydzzpppdxdy方向：方向：化简：方向：欧拉平衡方程四川理工学院材料与化学工程学院261.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院3、流体静力学基本方程：当流体不可压缩(ρ=常数)时，积分可得:hgppghppgzpgzpgzp002211改写为：等压面（任意两点）总势能守恒常数压差的大小可用一定的液柱高度来表示不可压缩流体的静力学基本方程式反映重力场作业下，静止流体内部压力的变化规律271.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院4、讨论：压力是可以传递的。当液面上方的压强改变，液体内部的压强也要改变。压力的大小，与液体本身密度和该点距离液面的深度有关，而与水平位置无关。在静止、连续的同一液体的同一水平面上各点压力相等即水平面为等压面。反之,压力相等的面必在同一水平面。上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。但对于气体若压强变化不大，密度可近似取平均值而视为常数，则上式亦可使用。281.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院应注意，液柱高度表示压差大小时必须指明是何种液体。静止液体内部的压力分布291.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体。301.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院三、流体静力学基本方程式的应用：1、压差或压强测量液柱式压差计——以流体静力学基本方程为依据的测压仪器1)、U管压差计对指示液的要求：与被测流体完全不互溶、不发生化学反应；密度大于被测流体密度。常用指示液有：汞、四氯化碳、水、油等。21z2z1R330311.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院2)、水平U管压差计(U-tubemanometer)321.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院根据流体静力学基本方程式可得)(1RmgppBagRgmppABa2'于是gRgmpRmgpABB21)(331.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院上式化简，得gRppBA)(21若被测流体为气体，由于气体的密度比指示液的密度小得多，气体的密度可以忽略，于是gRppA21若U管的一端与被测流体连接，另一端与大气相通，此时读数反映的是被测流体的表压力。341.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院3)、倾斜式液柱压差计扩大部分俗称“水库”，其截面积远远大于测压管的截面积。p1Rp2R0倾斜式压差计sin'021gRpp351.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院4)、微差压差计(双液U管微压差计)（two-liquidmanometer）A与C不互溶，而且两者密度相近分别为ρ1、ρ2361.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院当双液压差计水库的截面积远大于连接导管的截面积，如果水库内液面差不可忽略时：RggRppCCA)(21式中—为水库的液面差d—U管内径D—水库内径R2)(DdRR371.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院如果双液压差计水库内液面差可忽略，则gRppCA)(21381.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院2、液位的测量化工厂经常要了解容器内液体的贮存量，或要控制设备里的液面，故要进行液位的测量。测定液位的仪表叫液位计，大多数液位计的作用原理均遵循流体静力学原理：压差法测量液位RhBA391.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院容器离操作室较远或埋于地下时：1-调节阀2-鼓泡观察器3-U管压差计4-吹气管5-贮罐401.2流体静力学基本方程式四川理工学院材料与化学工程学院3、液封高度的计算化工生产中常遇到设备的液封问题。设备内操作条件不同，采用液封的目的也就不同。液封高度的确定是根据流体静力学来计算得出。411.3流体流动的基本方程四川理工学院材料与化学工程学院一、流量与流速：单位时间内流体流过管道任一截面的量被称为流量。其量可分别采用体积和质量来表示，分别称为体积流量和质量流量，依次用Vs(m3/s)、Ws(kg/s)或Vh(m3/h)、Wh(kg/h)来表示。1、流量：体积流量与质量流量的关系为：ssVW421.3流体流动的基本方程四川理工学院材料与化学工程学院2、流速：流体质点在单位时间内沿流动方向上流过的距离。——点流速流速是空间位置的函数，我们