1、第一章流體流動Fluid Flow,-內(nèi)容提要- 流體的基本概念靜力學(xué)方程及其應(yīng)用 機械能衡算式及柏努 利方程 流體流動的現(xiàn)象 流動阻力的計算、管路計算,第一章 流體流動 .學(xué)習(xí)要求,1. 本章學(xué)習(xí)目的 通過本章學(xué)習(xí)，重點掌握流體流動的基本原理、管內(nèi)流動的規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和解決流體流動過程的有關(guān)問題，諸如： （1） 流體輸送： 流速的選擇、管徑的計算、流體輸送機械選型。 （2）流動參數(shù)的測量 ： 如壓強、流速的測量等。 （3）建立最佳條件： 選擇適宜的流體流動參數(shù)，以建立傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的最佳條件。 此外，非均相體系的分離、攪拌（或混合）都是流體力學(xué)原理的應(yīng)用。,2 本章應(yīng)

2、掌握的內(nèi)容 （1） 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用； （2）連續(xù)性方程、柏努利方程的物理意義、適用條件、解題要點； （3） 兩種流型的比較和工程處理方法； （4）流動阻力的計算； （5） 管路計算。 3.本章學(xué)時安排 授課14學(xué)時，習(xí)題課4學(xué)時。,1.0概述,流體流動的 考察方法,第一章 流體流動,流體流動規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)： （1）流體存在的廣泛性：管道、設(shè)備中絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體。 （2）流體的輸送 ：研究流體的流動規(guī)律以便進(jìn)行管路的設(shè)計、輸送機械的選擇及所需功率的計算。 （3）壓強、流速及流量的測量 ：為了了解和控制生產(chǎn)過程，需要對管路或設(shè)備內(nèi)的壓強、流量及流速等一系列的參數(shù)進(jìn)行測量，

3、這些測量儀表的操作原理又多以流體的靜止或流動規(guī)律為依據(jù)的。 （4）流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響：化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過程都是在流體流動的情況下進(jìn)行的。,流體流動的考察方法,一. 連續(xù)性假設(shè) 1、流體：液體和氣體的總稱。 流體具有三個特點 （1）流動性，即抗剪抗張能力都很小 （2）無固定形狀，隨容器的形狀而變化。 （3）在外力作用下流體內(nèi)部發(fā)生相對運動 2、流體質(zhì)點：含有大量分子的流體微團(tuán)。 分子自由程流體質(zhì)點尺寸設(shè)備尺寸,二.定態(tài)流動（穩(wěn)定流動）,定義：流體流動時的各參數(shù)不隨時間而變化，僅為位置的函數(shù)，這種流動過程稱為定態(tài)流動。 例如流速u， 定態(tài)：u=f(x,y,z) ，液面不變。 非

4、定態(tài)：u=f(x,y,z,t) ，液面變化。 連續(xù)生產(chǎn)過程中的流體流動， 多為穩(wěn)定流動，在開工或停工階 段，則可能屬于不穩(wěn)定流動。 生產(chǎn)以穩(wěn)定流動為主。,1.1. 流體靜力學(xué),1.1.1.流體密度與比容 1.1.1. 流體靜壓強 1.1.3.流體靜力學(xué)方程 1.1.4.流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用,第一章 流體流動,1.1.1 流體密度與比容,密度定義 單位體積的流體所具有的質(zhì)量，; SI單位kg/m3。,2. 影響的主要因素,液體：,不可壓縮性流體,氣體：,可壓縮性流體,3.氣體密度的計算,理想氣體在標(biāo)況下的密度為：,例如：標(biāo)況下的空氣，,操作條件下（T, P）下的密度：,由理想氣體方程求得操作條件

5、（T, P）下的密度,4.混合物的密度 1）液體混合物的密度m 取1kg液體，令液體混合物中各組分的質(zhì)量分率分別為:,假設(shè)混合后總體積不變，,液體混合物密度計算式,2)氣體混合物的密度 取1m3 的氣體為基準(zhǔn),令各組分的體積分率為:xvA,xvB,xVn, 其中:,i =1, 2, ., n,混合物中各組分的質(zhì)量為：,當(dāng)V總=1m3時，,若混合前后,氣體的質(zhì)量不變，,當(dāng)V總=1m3時,氣體混合物密度計算式,當(dāng)混合物氣體可視為理想氣體時,理想氣體混合物密度計算式,5.與密度相關(guān)的幾個物理量 1）比容：單位質(zhì)量的流體所具有的體積，用表示，單位 為m3/kg。,2）比重(相對密度)：某物質(zhì)的密度與4

6、下的水的密度的比 值，用 d 表示。,在數(shù)值上:,1.1.2靜壓強,1、定義：流體垂直作用于單位面積上的靜壓力。 2、特點：某一點不同方向上的壓強在數(shù)值上相等， 空間各點pf（x,y,z） 3、壓強的單位 （1）按壓強的定義，壓強是單位面積上的壓力，單位Pa。 1bar =105Pa。常用單位有：Pa、KPa、 Mpa。 （2）直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。 （3）以大氣壓強表示：atm（物理大氣壓）、at（工程大氣壓） 1atm=1.0105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2 =1.0133bar 1at=9.81104 Pa=735m

7、mHg=10mH2O,4、靜壓強的表示方法 絕對壓強：以絕對真空為基準(zhǔn)量得的壓強； 表壓強：以大氣壓強為基準(zhǔn)量得的壓強。 真空度：表壓強以大氣壓為起點計算，所以有正負(fù)，負(fù)表壓強就稱為真空度。 三者之間的關(guān)系為： 表壓=絕對壓強大氣壓強 真空度=大氣壓強絕對壓強,絕壓/表壓/真空度的定義及關(guān)系,表壓強=絕對壓強-大氣壓強 真空度=大氣壓強-絕對壓強,若已知某地的大氣壓力為750 mmHg，而設(shè)備A內(nèi)壓力為1000 mmHg，則PA表= _ mmHg = _ Pa。 若設(shè)備B的真空度為300 mmHg，則PB（絕）= _mmHg。,流體壓強具有以下兩個重要特性： 流體壓力處處與它的作用面垂直，并且

8、總是指向流體的作用面； 流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。,如圖所示：容器中盛有密度為的靜止液體?，F(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。若以容器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1和z2，以p1和p2分別表示高度為z1和z2處的壓力，液面上方的壓力為p0。,分析垂直方向上液柱的受力：,向上：,p2A,向下：,p1A,G gA (z1- z2),1、方程的推導(dǎo),1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程 ( Basic equations of fluid statics ),當(dāng)液柱處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時，說明作用在此液柱上諸力的合力為零，即：,p2A

9、p1A gA (z1- z2)0,化簡得：,p2 p1 g (z1- z2),(1),或：,(2),若液柱上表面取在液面上，令 z1- z2 = h，則上式可寫為：,(3),(4),上述式子均稱為流體靜力學(xué)基本方程式。它反映了流體不受水平外力作用，只在重力作用下流體內(nèi)部壓力（壓強）的變化規(guī)律。,壓強形式,能量形式,Pa,J/kg,m,能量形式,2、方程的討論,1）推導(dǎo)條件：重力場，不可壓縮，連續(xù)，靜止，同一流體。 2) 由方程 可知，當(dāng)p0 改變時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生同樣大小的改變 帕斯卡原理。 3) 當(dāng)容器液面上方的壓力p0 一定時，靜止液體內(nèi)任一點壓力的大小，與液體本身的密度 和該

10、點距液面的深度 h 有關(guān)。因此，在靜止的、連通的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上的各點的壓力都相等。此壓力相等的面，稱為等壓面。,壓強差的大小可利用一定高度的液體柱來表示，這就是液體壓強計的根據(jù)，在使用液柱高度來表示壓強或壓強差時，需指明何種液體。,4）從流體靜力學(xué)的推導(dǎo)可以看出,它們只能用于靜止的 連通著的同一種流體的內(nèi)部，對于間斷的并非單一 流體的內(nèi)部則不滿足這一關(guān)系。,6.考察公式， gz：單位質(zhì)量流體所具有的位能。 p/：單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能。,上式表明靜止流體存在著兩種形式的勢能-位能和靜壓能，處于不同位置的流體的位能和靜壓能各不相同，但其總勢能則保持不變。以/表示單位質(zhì)量流體的

11、總勢能，則上式可改寫為/ 常數(shù)。 為虛擬壓強，則靜止流體中虛擬壓強處處相等。,7. 一般液體的密度可視為常數(shù)，而氣體密度則隨壓力而改變。但考慮到氣體密度隨容器高低變化甚微，一般也可視為常數(shù)，故靜力學(xué)基本方程亦適用于氣體。,例：圖中開口的容器內(nèi)盛有油和水，油層高度h1=0.7m, 密度,，水層高度h2=0.6m，密度為,1）判斷下列兩關(guān)系是否成立 PAPA，PBPB。 2）計算玻璃管內(nèi)水的高度h。,解：（1）判斷題給兩關(guān)系是否成立 A，A在靜止的連通著的同一種液體的同一水平面上,因B，B雖在同一水平面上，但不是連通著的同一種液 體，即截面B-B不是等壓面，故,（2）計算水在玻璃管內(nèi)的高度h,PA

12、和PA又分別可用流體靜力學(xué)方程表示,設(shè)大氣壓為Pa,1.1.4靜力學(xué)方程的應(yīng)用,1)壓力計,1、壓強與壓強差的測量,單管壓力計 U型管壓力計,思考：如何測表壓或真空度？,若U型管的一端與被測流體相連接，另一端與大氣相通，那么讀數(shù)R就反映了被測流體的絕對壓強與大氣壓之差，也就是被測流體的表壓。,2）U型管壓差計,根據(jù)流體靜力學(xué)方程,當(dāng)被測的流體為氣體時，,可忽略,則,，,當(dāng)管子平放時：,思考：當(dāng)壓差很小的時候，希望讀數(shù)準(zhǔn)確，有什么辦法？,當(dāng)P1-P2值較小時，R值也較小，若希望讀數(shù)R清晰，可采取三種措施：兩種指示液的密度差盡可能減小、采用傾斜U型管壓差計、 采用微差壓差計。,3）傾斜U型管壓差計

13、 假設(shè)垂直方向上的高度為Rm，讀數(shù)為R1，與水平傾斜角度,4) 微差壓差計,U型管的兩側(cè)管的頂端增設(shè)兩個小擴大室,其內(nèi)徑與U型管的內(nèi)徑之比10，裝入兩種密度接近且互不相溶的指示液A和C，且指示液C與被測流體B亦不互溶。,根據(jù)流體靜力學(xué)方程可以導(dǎo)出：,微差壓差計兩點間壓差計算公式,試問： 1）用普通壓差計，以苯為指示液，其讀數(shù)R為多少？,例：用3種壓差計測量氣體的微小壓差,2）用傾斜U型管壓差計，=30，指示液為苯，其讀 數(shù)R為多少？ 3）若用微差壓差計，其中加入苯和水兩種指示液，擴大 室截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于U型管截面積，此時讀數(shù)R為多少？ R為R的多少倍？,已知：苯的密度,水的密度,計算時可忽略氣體

14、密度的影響。,2）傾斜U型管壓差計,3）微差壓差計,故：,解：1）普通管U型管壓差計,2、液位的測定,液位計的原理遵循靜止液體內(nèi)部壓強變化的規(guī)律,是靜力學(xué)基本方程的一種應(yīng)用。 液柱壓差計測量液位的方法：,由壓差計指示液的讀數(shù)R可以計算出容器內(nèi)液面的高度。 當(dāng)R0時，容器內(nèi)的液面高度將達(dá)到允許的最大高度，容器內(nèi)液面愈低，壓差計讀數(shù)R越大。,遠(yuǎn)距離控制液位的方法：,壓縮氮氣自管口 經(jīng)調(diào)節(jié)閥通入，調(diào) 節(jié)氣體的流量使氣 流速度極小，只要 在鼓泡觀察室內(nèi)看 出有氣泡緩慢逸出 即可。,壓差計讀數(shù)R的大小，反映出貯罐內(nèi)液面的高度 。,例：利用遠(yuǎn)距離測量控制裝置測定一分相槽內(nèi)油和水的兩 相界面位置，已知兩吹氣

15、管出口的間距為H1m，壓差計中 指示液為水銀。煤油、水、水銀的密度分別為800kg/m3、 1000kg/m3、13600kg/m3。求當(dāng)壓差計指示R67mm時，界 面距離上吹氣管出口端距離h。,解：忽略吹氣管出口端到U 型管兩側(cè)的氣體流動阻 力造成的壓強差，則：,（表）,(表）,目的： （1）恒定設(shè)備內(nèi)的壓力，防止超壓； （2）防止氣體外泄； 水封,安全液封,液封高度 計算：,3、液封高度的計算,3、液封高度的計算,液封的作用： 若設(shè)備內(nèi)要求氣體的壓力不超過某種限度時，液封的作用就是：,當(dāng)氣體壓力超過這個限度時，氣體沖破液封流出，又稱為安全性液封。 若設(shè)備內(nèi)為負(fù)壓操作，其作用是：,液封需有一定的液位，其高度的確定就是根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式。,防止外界空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi),例1：如圖所示，某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強不超過 10.7103Pa（表壓），需在爐外裝有安全液封，其作用是 當(dāng)爐內(nèi)壓強超過規(guī)定，氣體就從液封管口排出，試求此爐 的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。,解：過液封管口作基準(zhǔn)水平面 o-o，在其上取1，2兩點。,