西安交大化工原理电子课件

西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页第一章流体力学基础1.1概述1.2流体静力学及其应用1.3流体流动的基本方程1.4管路计算1.5流速、流量测量西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.1概述•1连续介质模型流体是由分子或原子所组成，分子或原子无时无刻不在作无规则的热运动。假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.1概述•2流体的压缩性流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩性。实际流体都是可压缩的。液体的压缩性很小，在大多数场合下都视为不可压缩，而气体压缩性比液体大得多，一般应视为可压缩，但如果压力变化很小，温度变化也很小，则可近似认为气体也是不可压缩的。西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.1概述•3作用在流体上的力作用在流体上的所有外力F可以分为两类：质量力和表面力，分别用FB、FS表示，于是：质量力：质量力又称体积力，是指作用在所考察对象的每一个质点上的力，属于非接触性的力，例如重力、离心力等。SBFFFkjiFzyxggg西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.1概述•3作用在流体上的力表面力：表面力是指作用在所考察对象表面上的力。任一面所受到的应力均可分解为一个法向应力（垂直于作用面，记为ii）和两个切向应力（又称为剪应力，平行于作用面，记为ij，ij），例如图中与z轴垂直的面上受到的应力为zz（法向）、zx和zy（切向），它们的矢量和为：kjiτzzzzyzx西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.1概述•3作用在流体上的力类似地，与x轴、y轴相垂直的面（参见图1-2）上受到的应力分别为：kjiτxxzxyxxkjiτyyzyyyxzxxyxxyyyMxzyzzxzyzzoyx图1-2任一点所受到的应力西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2流体静力学及其应用•1.2.1静止流体所受的力•1.2.2流体静力学基本方程•1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.1静止流体所受的力•静止流体所受的外力有质量力和压应力两种,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。（1）压力单位在国际单位制（SI制）中，压力的单位为N/m2，称为帕斯卡（Pa），帕斯卡与其它压力单位之间的换算关系为：1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压）=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.1静止流体所受的力（2）压力的两种表征方法绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度以大气压为基准测得的压力。当地大气压绝压表压绝压当地大气压真空度西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.2流体静力学基本方程•对连续、均质且不可压缩流体，=常数，•对于静止流体中任意两点1和2，则有：两边同除以g)(2112zzgpp2112zzgpgp——静力学基本方程常数pgz西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.2流体静力学基本方程•讨论（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面；（3）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。即压力可传递，这就是巴斯噶定理；（4）若记，称为广义压力，代表单位体积静止流体的总势能（即静压能p与位能gz之和），静止流体中各处的总势能均相等。因此，位置越高的流体，其位能越大，而静压能则越小。西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•1．压力计（1）单管压力计或表压式中pa为当地大气压。单管压力计只能用来测量高于大气压的液体压力，不能测气体压力。paRA1•..图1-5单管压力计gRppa1gRpppa11西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•1．压力计（2）U形压力计设U形管中指示液液面高度差为R，指示液密度为0，被测流体密度为，则由静力学方程可得：将以上三式合并得：paA1hR230图1-6U形压力计ghpp2132ppgRppa03ghgRppa01西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用若容器A内为气体，则gh项很小可忽略，于是：显然，U形压力计既可用来测量气体压力，又可用来测量液体压力，而且被测流体的压力比大气压大或小均可。gRppa01西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•2．压差计（1）U形压差计设U形管中指示液液面高度差为R，指示液密度为0，被测流体密度为，则由静力学方程可得：21z2流向z1R330图1-7U形压差计311pRzgp3022pgRgzp西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用根据而3、3面为等压面及广义压力的定义两边同除以g得：式中：为静压头与位头之和，又称为广义压力头。U形压差计的读数R的大小反映了被测两点间广义压力头之差。gR021gRgzpgzp02211Rgg021zgpg西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•讨论（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；p1pap1pa表压真空度西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•讨论（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？p1p2z2RAA’z1gzzgRpp)()(12021西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•2．压差计（2）双液柱压差计又称微差压差计适用于压差较小的场合。密度接近但不互溶的两种指示液1和2，1略小于2；扩大室内径与U管内径之比应大于10。p1p2z11z1R2图1-8双液柱压差计gRpp1221西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.2.3静力学原理在压力和压力差测量上的应用•例1-1当被测压差较小时，为使压差计读数较大，以减小测量中人为因素造成的相对误差，也常采用倾斜式压差计，其结构如图1-9所示。试求若被测流体压力p1=1.014105Pa（绝压），p2端通大气，大气压为1.013105Pa，管的倾斜角=10，指示液为酒精溶液，其密度0=810kg/m3，则读数R为多少cm？若将右管垂直放置，读数又为多少cm？p1Rp2R0图1-9倾斜式压差计西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3流体流动的基本方程•1.3.1基本概念•1.3.2质量衡算方程----连续性方程•1.3.3运动方程•1.3.4总能量衡算和机械能衡算方程西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•1．稳定流动与不稳定流动流体流动时，若任一点处的流速、压力、密度等与流动有关的流动参数都不随时间而变化，就称这种流动为稳定流动。反之，只要有一个流动参数随时间而变化，就属于不稳定流动。西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•2．流速和流量流速（平均流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。AvdAAAVu1uG西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•2．流速和流量体积流量单位时间内流经管道任意截面的流体体积，V——m3/s或m3/h。质量流量单位时间内流经管道任意截面的流体质量，m——kg/s或kg/h。西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•3．粘性及牛顿粘性定律当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为粘性。产生内摩擦力的根本原因是流体的粘性。牛顿粘性定律:服从此定律的流体称为牛顿型流体。yvxv=0图1-10平板间粘性流体分层运动及速度分布yvyxdd西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•3．粘性及牛顿粘性定律粘度的单位:=Pas在c.g.s制中，的常用单位有dyns/cm2即泊（P），以及厘泊（cP），三者之间的换算关系如下：1Pas=10P=1000cPmsmmNdd2yv西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•4.非牛顿型流体凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿型流体。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度成曲线关系，或者成不过原点的直线关系，如图1-11所示。宾汉塑性流体涨塑性流体牛顿流体假塑性流体dv/dy图1-11剪应力与速度梯度关系西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•5.流动类型和雷诺数有色液体(a)层流水(b)湍流图1-12雷诺实验装置图1-13两种流动类型西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•5.流动类型和雷诺数实验研究发现，圆管内流型由层流向湍流的转变不仅与流速u有关，而且还与流体的密度、粘度以及流动管道的直径d有关。将这些变量组合成一个数群du/，根据该数群数值的大小可以判断流动类型。这个数群称为雷诺准数，用符号Re表示，即其因次为：=m0kg0s0duReduRem(m/s)(kg/m3)Ns/m2西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•当Re≤2000时为层流；当Re4000时，圆管内已形成湍流；当Re在20004000范围内，流动处于一种过渡状态。•若将雷诺数形式变为：u2与惯性力成正比，u/d与粘性力成正比，由此可见，雷诺准数的物理意义是惯性力与粘性力之比。duudu2Re西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.1基本概念•6.几种时间导数（1）偏导数又称局部导数，表示在某一固定空间点上的流动参数，如密度、压力、速度、温度、组分浓度等随时间的变化率。（2）全导数（3）随体导数又称物质导数、拉格朗日导数ttddztzytyxtxttddddddddtDDzvyvxvttzyxDD西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.2质量衡算方程---连续性方程•对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：•即•对均质、不可压缩流体，1=2=常数有•对圆管，A=d2/4，d为直径，于是21mm2211AuAu1控制体212图1-14管道或容器内的流动222211dudu222111AuAu西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.2质量衡算方程---连续性方程•如果管道有分支，则稳定流动时总管中的质量流量应为各支管质量流量之和，故管内连续性方程为•推广至任意截面m1mm2图1-15分支管路21mmm111222muAuAuA常数西安交大化工原理电子课件返回主题后页前页1.3.2质量衡算方程--