1流體靜力學(xué)密度壓力

流體靜力學(xué)平衡方程

2流體流動(dòng)

1.研究流體流動(dòng)問(wèn)題的重要性流體是氣體與液體的總稱。流體流動(dòng)是最普遍的化工單元操作之一；研究流體流動(dòng)問(wèn)題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。34流體的特征具有流動(dòng)性；無(wú)固定形狀，隨容器形狀而變化；受外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。5流體靜力學(xué)密度一、定義單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。kg/m3

二、單組分密度液體密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。6氣體當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算：

注意：手冊(cè)中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度下之值，若條件不同，則密度需進(jìn)行換算。7三、混合物的密度混合氣體各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有

——?dú)怏w混合物中各組分的體積分率。

或——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量

——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾(體積)分率。

8混合液體假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有

——液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。

四、比容單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。m3/kg9

壓力流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。

一、壓力的特性

流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反；作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。二、壓力的單位

SI制：N/m2或Pa；10或以流體柱高度表示：注意：用液柱高度表示壓力時(shí)，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O三、壓力的表示方法

絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。11表壓=絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力

絕對(duì)壓力

絕對(duì)真空

表壓

真空度

大氣壓

12流體靜力學(xué)平衡方程

一、靜力學(xué)基本方程

重力場(chǎng)中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：（1）上端面所受總壓力（2）下端面所受總壓力（3）液柱的重力設(shè)流體不可壓縮，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下13液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零:——靜力學(xué)基本方程

壓力形式能量形式14（3）在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。

15二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用

1.壓力及壓力差的測(cè)量

（1）U形壓差計(jì)

設(shè)指示液的密度為，被測(cè)流體的密度為。

A與A′面為等壓面，即而p1p2mRAA’16所以整理得若被測(cè)流體是氣體，，則有17討論：（1）U形壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真空度；

表壓真空度p1pap1pa18（2）指示液的選?。褐甘疽号c被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其密度要大于被測(cè)流體密度。應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類及壓差的大小選擇指示液。

19思考：若U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù)R反映了什么？p1p2z2RAA’z120（2）雙液體U管壓差計(jì)

擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。密度接近但不互溶的兩種指示液A和C；適用于壓差較小的場(chǎng)合。21（3）倒U形壓差計(jì)

指示劑密度小于被測(cè)流體密度，如空氣作為指示劑

（5）復(fù)式壓差計(jì)

（4）傾斜式壓差計(jì)

適用于壓差較小的情況。適用于壓差較大的情況。222.液位測(cè)量

（1）近距離液位測(cè)量裝置

壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。

液面越高，h越小，壓差計(jì)讀數(shù)R越小；當(dāng)液面達(dá)到最高時(shí)，h為零，R亦為零。23（1）遠(yuǎn)距離液位測(cè)量裝置

241.體積流量

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。

VS——m3/s或m3/h2.質(zhì)量流量

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。

mS——kg/s或kg/h。

二者關(guān)系：一、流量流體的流量與流速25流速2.質(zhì)量流速

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。流速

（平均流速）單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。

kg/（m2·s）流量與流速的關(guān)系：

m/s26對(duì)于圓形管道：流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：三、管徑的估算

↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓流動(dòng)阻力↑→動(dòng)力消耗↑

→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)27常用流體適宜流速范圍：

水及一般液體1~3m/s粘度較大的液體0.5~1m/s低壓氣體8~15m/s壓力較高的氣體15～25m/s

28

定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化；

非定態(tài)流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。29定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒——連續(xù)性方程

對(duì)于定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下：

推廣至任意截面

——連續(xù)性方程112230不可壓縮性流體，圓形管道：即不可壓縮流體在管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。31定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒——柏努利方程

一、總能量衡算32（1）內(nèi)能貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。1kg流體具有的內(nèi)能為U（J/kg）。衡算范圍：1-1′、2-2′截面以及管內(nèi)壁所圍成的空間衡算基準(zhǔn)：1kg流體基準(zhǔn)面：0-0′水平面（2）位能流體受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。

33（3）動(dòng)能1kg的流體所具有的動(dòng)能為(J/kg)（4）靜壓能

靜壓能=1kg的流體所具有的靜壓能為

(J/kg)（5）熱設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為(J/kg)。

lAV34（6）外功(有效功)1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為We(J/kg)。以上能量形式可分為兩類：機(jī)械能：位能、動(dòng)能、靜壓能及外功，可用于輸送流體；內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。352．實(shí)際流體的機(jī)械能衡算

假設(shè)流體不可壓縮，則流動(dòng)系統(tǒng)無(wú)熱交換，則流體溫度不變，則

(1)以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)

設(shè)1kg流體損失的能量為ΣWf（J/kg），有：(1)式中各項(xiàng)單位為J/kg。并且實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)有能量損失。36（2）以單位重量流體為基準(zhǔn)

將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g:令

則

（2）式中各項(xiàng)單位為37z——位壓頭——?jiǎng)訅侯^He——外加壓頭或有效壓頭。——靜壓頭總壓頭Σhf——壓頭損失38（3）以單位體積流體為基準(zhǔn)

將(1)式各項(xiàng)同乘以:式中各項(xiàng)單位為（3）——壓力損失393．理想流體的機(jī)械能衡算

理想流體是指流動(dòng)中沒(méi)有摩擦阻力的流體。

（4）（5）——柏努利方程式

40

管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象一、牛頓粘性定律

流體的粘度

或Fuu＋dudy式中：F——內(nèi)摩擦力，N；

τ——剪應(yīng)力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；μ——比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pa·s。

41牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓粘性定律的流體；非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。

二、流體的粘度

（動(dòng)力粘度）1.粘度的物理意義

流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。42液體:T↑→↓氣體:一般T↑→↑超高壓p↑→↑粘度的物理本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。2.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關(guān)系1cP＝10-3Pa·s433.運(yùn)動(dòng)粘度

粘度μ與密度ρ的之比。m2/s44層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。二、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

45流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí),管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系。

一、層流時(shí)的速度分布

46二、湍流時(shí)的速度分布

剪應(yīng)力：e為湍流粘度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。

湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：47湍流流動(dòng)時(shí)：48湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；過(guò)渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。——層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。49流體流動(dòng)阻力直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

直管阻力一、阻力的表現(xiàn)形式