(2)第一章-流体流动和输送

第一章流体流动和输送总课时：18学时第一节流体的物理性质【考核知识点和考核要求】了解：流体的压缩性理解：连续性假定、流体密度；流体的黏度掌握：牛顿粘性定律【本节课时分配】1节【具体讲授内容】一、连续介质假定（理解）流体：可以自由流动，无固定形态的物体。（气体、液体、超临界液体）超临界液（流）体(SCF)技术中的SCF是指温度和压力均高于临界点的流体,如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常相近，以至无法分别，所以称之为SCF。流体是由大量的彼此间无间隙的流体质点组成，流体质点连续布满整个流体空间，从而流体的物理性质和运动参数在空间上也是连续分布的，这就是连续介质假定。连续介质假定对绝大多数数流体都适用。二、流体密度（理解）流体的密度是单位体积流体所具有的质量。ρ的单位为kg/m3。密度的倒数称为比体积或比容，单位为m3/kg。Vm流体的密度是压强和温度的函数。但压强对液体的密度影响很小，通常可忽略不计，因此液体的密度可仅视为温度的函数。（不可压缩性）气体的密度随压强和温度而改变，其值可用气体状态方程进行计算。在气体的温度不太低而压强也不太高的情况下，可用理想气体状态方程计算：RTMmnRTpV→RTPM混合气体用加成法则：RTPMxmviimiimyMM三、流体的压缩性和温度膨胀性（了解）将温度一定时，由压强变化引起体积发生相对变化的性质称为流体的可压缩性；而压强一定时，由温度变化引起体积发生相对变化的性质称为流体的温度膨胀性。液体和气体的区别液体在受压时体积基本不变，称为不可压缩流体。受热时体积略膨胀。气体的可压缩性很大，在受热时体积急剧膨胀。（解释：气体的分子平均动能远远大于分子间相互作用势能，因此表现出易流动、可压缩和易膨胀的宏观性质。液体的分子热运动动能与分子间相互作用势能基本势均力敌，分子间距离仅比固体稍大，分子排列类似于非晶体，但分子热振荡的振幅比固体大且平衡位置频繁改变，宏观上即表现为易流动但压强和温度对其体积影响小）四、流体的粘性（一）牛顿粘性定律（掌握）流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必须克服内摩擦做功。这种内摩擦力是一种平行于流体微元表面的表面力，通常把这种力称作剪切力或剪力。又称为流体的内摩擦力或粘性力，流体所具有的这一特性称为流体的粘性。剪应力（切应力）：单位面积上所受的剪切力。——重要设想两块平行平板，一块静止，另一块以均匀速度运动，两板间为流体，则流体内速度分布如下图：（把流体假象为连续的薄层。由于各流体层速度不同，层与层之间发生了相对运动，运动较快的流体层拖动运动较慢的流体层，而运动较慢的流体层则制动运动较快的流体层。）运动平板与第一层流体间的摩擦→外摩擦相邻两层流体间的摩擦内摩擦产生内摩擦的原因→流体之间有粘性内摩擦的结果→机械能转化为热能对大多数流体，任意两紧邻流体层之间作用的剪切力F与法向速度梯度以及作用面积成正比，即：dduFAy或ddFuyA（牛顿粘性定律）（剪切力和剪应力的关系，后面会多次接触，不要混淆）—剪应力，Payudd—法向速度梯度，1/s；A—剪切力的作用面积，m2；μ—比例系数，称为流体的动力粘度或简称粘度，Pa.s；（1）理想流体；μ=0（2）液体：温度上升，μ下降（3）气体：温度上升，μ上升负号可理解为流体所受的剪切力与其流速方向相反。服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有的气体和大多数低分子量的液体为牛顿型流体，如空气、水、食用油等。而剪应力与法向速度梯度的关系不服从牛顿粘性定律的流体则统称为非牛顿型流体，如分子量很大的高分子溶液，以及蛋白质或多糖类的溶液或悬浮液等，都是非牛顿流体。（二）流体的粘度（理解）粘度的单位为Pa•s，表示流体在速度梯度为1单位时所产生的剪切力。流体的粘度是压强和温度的函数。压强对流体影响很小，一般只考虑温度对黏度的影响。气体的粘度随温度升高而增加，液体的粘度随温度升高而降低。（主要是由于其分子运动和分子引力的特点不同所致）第二节流体静力学【考核知识点和考核要求】了解：体积力；表面力理解：流体压强的度量掌握：压强的静力学测量※熟练掌握：流体静力学基本方程【本节课时分配】1.5节【具体讲授内容】一、流体的受力（一）体积力（了解）体积力：即场力或质量力，其大小与质量成正比。（二）表面力（了解）与流体表面接触的物质（包括相邻流体）施加给流体的力，其大小与作用面积成正比。表面力可分为压力、剪应力和表面张力等。作用于流体上的表面力可分为垂直于表面的力和平行于表面的力。压力是垂直作用于表面的力，作用在流体单位面积上的压力称为压强。剪切力是平行作用于表面的力，作用在流体单位面积上的剪切力称为剪应力。压强和剪应力的单位均为N/m2或Pa。在液体与不同流体的相邻界面上还存在着一种特殊的作用力，称为表面张力，其方向指向作用面的外法向，使液体表面具有收缩的趋势。二、流体压强的度量（理解）定义：在静止流体内直作用于单位面积上的压力AFpSI制单位：N/m2即Pa换算：1atm（标准大气压）=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033at（工程大气压）可直接用压力计测量流体在某点或某截面的压强，但压力计的测量元件通常处于大气压作用下，因此按测量原理，其测量值往往是流体真实压强（也称绝对压强）与被测点处的外界大气压之差。当被测流体的绝对压强大于外界大气压时，压力计所测得的压强值称为表压，即：绝对压强=大气压强+表压当被测流体的绝对压强小于外界大气压时，压力计所测得的压强值称为真空度，即：绝对压强=大气压强-真空度例1-2-1（5分钟自学）——主要了解SI制单位换算※三、流体静力学基本方程（熟练掌握）条件：流体在重力场中只受到重力和压力作用；水平方向：各力保持平衡。垂直方向：向下力gAZZAPGAP)(2111向上力AP2APgAZZAP2211)()(PP2112ZZg——流体静力学方程如果P1=P0；Z1-Z2=h，P2=P则P=P0+hρg流体静力学方程表明：（1）静止流体中，同一水平面各点压强相等，称此水平面为等压面。等压面条件：静止、连续、同一流体、同一水面（缺一不可）（2）静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离呈线性关系；（3）当液面上方的压强发生变化时，液体内部各点的压强P也发生同样大小的变化。注：流体静力学方程只能用于同一种连续的液体。四、压强的静力学测量（掌握）1、U型压差计gRpp)(0212、单管压差计)gR(P-Pbai优点：减少读数误差3、倾斜U型管压差计P1-P2=R1sina(r0-r)g优点：使读数放大4、微差压差计（双液体U型管压差计）)(cAbaRgPP优点：由于ρA和ρC相差较小，故R增大，增加了准确性。5、倒U型压差计gRPPi)(21优点：以被测流体为指示液。总结：以上均先利用同一流体、连续性、静止、同一平面压强相等，选取一个等压面，从而利用等压面压强相等来进行计算。【例题】1、例1-2-2（自学）2、两容器水平间距为2m，用一U形压差计相连。指示液为汞，读数0.65m。求：（1）两容器的压差；（2）如该为图b放置，R读数有何改变？解：（1）gRghpghRpHgBA)(Hg=13600Kg/m3（2）gRghpghRpHgBA)2()(3、如图，要测量A、B两盛水容器之间的压差。压差计管顶有空气。已知水：ρ=1000kg/m3，空气ρa=1.293kg/m3，h=0.45m，h1=0.6m，h2=1.8m，求A、B之间的压差。（作业）（倒置的压差计）第三节流体流动的基本概念【考核知识点和考核要求】了解：边界层和边界层的分离理解：稳态和非稳态流动；流量与流速；流动的形态与雷诺数。掌握：层流与湍流的特性【本节课时分配】1节【具体讲授内容】一、稳态与非稳态流动（理解）稳定流动：描述流动的物理量与时间无关的流动。二、流量与平均流速（理解）（一）流量单位时间内流过管道某截面的流体量，又称流率。有质量流量qm（kg/s或kg/h）；体积流量qv（m3/s或m3/h）vmqq（二）流速流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离，即流动通量。u（m/s）流体在管内流动时，流体与管壁、流体与流体层间都存在着相互作用的粘性力，因此管道截面上各点的流速是有差异的，管中心处流速最大，越靠近管壁流速越小，至管壁处流速降为零。圆管内流动时的速度分布：三、流动的型态与雷诺数（理解）（一）流动的型态（雷诺实验）雷诺实验1-小瓶2-细管3-水箱4-水平玻璃管5-阀门判断是层流还是湍流用雷诺数来判断。（二）雷诺数层流与湍流是截然不同的两种流动型态，在一定的条件下可相互转化。实验现象表明：除流速u对流型的转变有最直接的影响外，流道几何尺寸（如管径d）和流体物性（密度ρ、粘度μ）也都有影响。通过大量的研究，雷诺发现可将这几个主要影响因素组合成一个无因次特征数来判断流型，此特征数称为雷诺数，以符号Re表示，即：duRe——雷诺公式，重要，很可能会考填空题。u指平均流速其判据为：Re2000时，流动属层流；Re4000时，流动属湍流；2000Re4000时，流动为过渡状态，可能是层流亦可能是湍流，视外界条件而定。只要Re数相等，流动形态就是一样的。四、湍流的基本特征（掌握）食品工业中涉及的流体流动的单元操作，如流体的输送、搅拌混合、传热等大多数都是在湍流下进行。湍流产生的方式：①由流体与固体壁面的接触流动而发生，称为壁湍流，例如流体流经管道、明渠或浸没物体时；②由不同速度流动的两液层之间的接触而发生，称为自由湍流，如将流体喷射到大量静止流体中时。五、边界层和边界层的分离（了解）（一）边界层流体流经固体壁面时，由于粘性力的存在，在壁面附近产生了速度梯度，这一存在速度梯度的区域称为流动边界层。例如流体进入圆管时，圆管进口处的流速u0均匀一致，如图所示。进入管内，壁面将粘附一层流体滞止不动，由于粘性的作用，该层流体将使与其相邻的流体层减速，受内摩擦影响而产生速度梯度的区域即为边界层。边界层厚度d随流动距离增加而增加。直到距入口端某一个距离x0处，边界层在管中心线汇合并占据整个管截面。自该点后边界层不再改变，管内流动状态也维持不变，称为充分发展了的流动。图1-3-3圆管入口边界层的发展（二）边界层分离当粘性流体流过障碍物或流向改变时，由于流向或流道的突然改变，容易产生逆压强梯度，从而造成边界层的分离。边界层分离造成大量旋涡，大大增加流动的阻力，此项阻力称为形体阻力。总阻力=摩擦阻力+形体阻力边界层分离要引起机械能损失，所以工程上经常要避免或减少它的发生。但在某些场合下，为了促进流体中的传热或混合效率，就要加强边界层分离的作用。（1）平板障碍物（2）逐渐扩大（3）突然扩大（4）突然缩小第四节流体流动的质量衡算和能量衡算【考核知识点和考核要求】掌握：质量衡算、能量衡算※熟练掌握：连续性方程；柏努利方程的应用【本节课时分配】3节【具体讲授内容】一、质量衡算（一）质量守恒方程（掌握）任何流动体系均服从质量守恒方程。输入控制体的质量流量-输出控制体的质量流量+控制体内生成的质量流量=控制体内质量的累积速率ddrqqmioutminm,,一般对控制体内生成的质量流量=0所以ddqqmoutminm,,——质量守恒方程※（二）管内稳定流动的连续性方程（熟练掌握）流体在如图所示的变直径管道中作稳定流动，取截面积为A1和A2的两截面间的管段作为衡算范围，则：qm,in-qm,out=0在稳定流动情况下，管路中无质量积累，流进与流出管路的质量流量相等。若两截面处流体的速度分别为u1、u2，密度分别为ρ1、ρ2，则有：ρ1u1A1=ρ2u2A2——管内稳定流动的连续性方程注：此方程是管路计算的基本方程之一。推导：21mmqquALuALuLVtmqm对不可压缩流体