1、2020/8/30,第 一 章 流 體 流 動及輸送,概述 流體的密度 流體的比容 流體的黏度,1.1 概述 1.2 流體的物理性質,2020/8/30,（一）、流體的分類和特征 、分類 氣體（含蒸汽）和液體統稱流體 （）按狀態(tài)：氣體、液體和超臨界流體 （）按可壓縮性：不可壓縮性流體、可壓縮性流體 （）按是否可忽略分子間作用力： 理想流體、 粘性（實 際）流體 （）按流變特性（剪力與速度梯度之間的關系）： 牛頓型流體、非牛頓型流體,第一節(jié)流體的概述,2020/8/30,、流體的特征 （）流動性； （）無固定形狀，隨容器形狀而變化 （）受外力作用時內部產生相對運動。 （二）、連續(xù)介質假定 （1）

2、流體質點：由大量分子構成的微團，其尺寸遠小于設備尺寸，但卻遠大于分子自由程。 （2）連續(xù)介質：質點在流體內部緊緊相連，彼此間沒有間隙，即流體充滿所占空間。,2020/8/30,（3）在研究流體流動時，常擺脫復雜的分子運動 和分子間相互作用，從宏觀角度出發(fā)，將流體視為由無數流體質點（或微團）組成的連續(xù)介質。 （三）作用在流體上的力 任取一微元體積流體作為研究對象，進行受力分析，它受到的力有質量力（體積力）和表面力兩類。 （1）質量力（體積力） 與流體的質量成正比，質量力對于均質流體也稱為 體積力。如 重力和離心力,2020/8/30,（2）表面力 表面力與作用的表面積成正比。單位面積上的表面力稱

3、之為應力。 垂直于表面的力F，稱為壓力（法向力）。 單位面積上所受的壓力稱為壓強p。 平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。 單位面積上所受的剪力稱為剪應力。,2020/8/30,1.2.1、流體的密度,密度定義 單位體積的流體所具有的質量，; SI單位kg/m3。,2. 影響的主要因素,1.2 流體的物理性質,2020/8/30,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,理想氣體在標況下的密度為：,例如：標況下的空氣，,操作條件下（T, P）下的密度：,2020/8/30,1.2.2、流體的比容,SI單位,2020/8/30,1.2.3流體的粘度,牛頓粘性定律,流體的內

4、摩擦力：運動著的流體內部相鄰兩流體層間的作 用力。又稱為粘滯力或粘性摩擦力。 流體阻力產生的依據,2020/8/30,剪應力：單位面積上的內摩擦力，以表示。,適用于u與y成直線關系,2020/8/30,牛頓粘性定律,式中：,速度梯度,比例系數，它的值隨流體的不同而不同，流體的粘性愈大，其值愈大，稱為粘性系數或動力粘度，簡稱粘度。,2020/8/30,2、流體的粘度 1)物理意義,促使流體流動產生單位速度梯度的剪應力。 粘度總是與速度梯度相聯系，只有在運動時才顯現出來 2)粘度與溫度、壓強的關系 液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強變化時，液體的粘度 基本不變。 b)氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓

5、強增加而增加的很少。,2020/8/30,3）粘度的單位 在SI制中：,在物理單位制中，,SI單位制和物理單位制粘度單位的換算關系為：,2020/8/30,實驗證明,氣體及水、溶濟、甘油等液體服從牛頓粘性定律，此類流體統稱為牛頓型流體,不服從牛頓粘性定律的流體，稱非牛頓型流體，如泥漿等,2020/8/30,第 一 章 流 體 流 動及輸送,1.3.1 流體的壓力 1.3.2 流體靜力學方程 1.3.3 流體靜力學方程的應用,1.3 流體靜力學,2020/8/30,1.3.1 流體的靜壓強,1、壓強的定義 流體的單位表面積上所受的壓力，稱為流體的靜壓強，簡稱壓強。,SI制單位：N/m2，即Pa。

6、,其它常用單位有：,atm（標準大氣壓）、工程大氣壓kgf/cm2、bar；流體柱高度（mmH2O，mmHg等）。,2020/8/30,換算關系為：,2、壓強的表示方法,1）絕對壓強（絕壓）：,流體體系的真實壓強稱為絕對壓強。 （以真空為基準）。,2）表壓 強（表壓）：,壓力上讀取的壓強值稱為表壓。 （以大氣壓力為基準）,表壓強=絕對壓強-大氣壓強,3）真空度：,真空表上讀取的壓強值稱為真空度。 （以大氣壓力為基準）,2020/8/30,真空度=大氣壓強-絕對壓強=-表壓,絕對壓強、真空度、表壓強的關系為,絕對零壓線,大氣壓強線,絕對壓強,表壓強,絕對壓強,真空度,當用表壓或真空度來表示壓強時

7、，應分別注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。,2020/8/30,1.3.2、流體靜力學基本方程式推導,在圖1-4中的兩個垂直位置2 和 1 之間對上式作定積分 由于 和 g 是常數，故,（1-5）,（1-5a）,若將圖1-4中的點1移至液面上（壓強為p0），則式1-5a變?yōu)? 上三式統稱為流體靜力學基本方程式。,圖1-4靜止液體內壓力的分布,（1-5b）,Pa,J/kg,2020/8/30,2、方程的討論,1）液體內部壓強P是隨P0和h的改變而改變的，即：,2）當容器液面上方壓強P0一定時，靜止液體內部的 壓強P僅與垂直距離h有關，即：,處于同一水平面上各點的壓強相等。

8、,2020/8/30,3）當液面上方的壓強改變時，液體內部的壓強也隨之 改變，即：液面上所受的壓強能以同樣大小傳遞到 液體內部的任一點。,4）從流體靜力學的推導可以看出,它們只能用于靜止的 連通著的同一種流體的內部，對于間斷的并非單一 流體的內部則不滿足這一關系。,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，在使用液柱高度來表示壓強 或壓強差時，需指明何種液體。,2020/8/30,6)方程是以不可壓縮流體推導出來的，對于可壓縮性的 氣體，只適用于壓強變化不大的情況。,例：圖中開口的容器內盛有油和水，油層高度h1=0.7m, 密度,，水層高度h2=0.6m，密度為,1）

9、判斷下列兩關系是否成立 PAPA，PBPB。 2）計算玻璃管內水的高度h。,2020/8/30,解：（1）判斷題給兩關系是否成立 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）計算水在玻璃管內的高度h,PA和PA又分別可用流體靜力學方程表示,設大氣壓為Pa,2020/8/30,2020/8/30,1.3.3、靜力學方程的應用,1、壓強與壓強差的測量,1）U型管壓差計,根據流體靜力學方程,2020/8/30,當被測的流體為氣體時，,可忽略,則,，,兩點間壓差計算公式,若U型管的一端與被測流體相連接，另一端與

10、大氣相通，那么讀數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。,當P1-P2值較小時，R值也較小，若希望讀數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。,當管子平放時：,2020/8/30,2）傾斜U型管壓差計 假設垂直方向上的高度為Rm，讀數為R1，與水平傾斜角度,2) 微差壓差計,U型管的兩側管的頂端增設兩個小擴大室,其內徑與U型管的內徑之比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。,2020/8/30,根據流體靜力學方程可以導出：,微差壓差計兩點間壓差計算公式,2020/8/30,

11、2. 液位測量,（1）近距離液位測量裝置,壓差計讀數R反映出容器 內的液面高度。,液面越高，h越小，壓差計讀數R越小；當液面達到最高時，h為零，R亦為零。,2020/8/30,（2）遠距離液位測量裝置,管道中充滿氮氣，其密度較小，近似認為,而,所以,2020/8/30,3. 液封高度的計算,液封作用： 確保設備安全：當設備內壓力超過規(guī)定值時，氣體從液封管排出； 防止氣柜內氣體泄漏。,液封高度：,為了保證安全，在實際安裝時使管子插入液面下的深度應比計算值略小些，使超壓力及時排放；對于后者應比計算值略大些，嚴格保證氣體不泄漏。,2020/8/30,第一章 流體流動,1.4.1 流量與流速 1.4.

12、2 管道的選用 1.4.3 穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動 1.4.4 連續(xù)性方程式 1.4.5 柏努利方程 1.4.6 柏努利方程式的應用,1.4 流體動力學,2020/8/30,1.4.1 流量與流速,1、流量 單位時間內流過管道任一截面的流體量，稱為流量。 (1) 若流量用質量來計量，稱為質量流量qm；單位：kg/s (2)若流量用體積來計量，稱為體積流量qV；單位為：m3/s 體積流量和質量流量的關系是,2、平均流速 (1)質點流速 流體質點單位時間內在流動方向上所流過的距離， 稱為質點流速u。單位為：m/s。,2020/8/30,流量與流速的關系為：,(2)平均流速 流體在管截面上的速度分布規(guī)

13、律較為復雜，實驗表明,流體流經管道任一截面上各點的流速沿管徑而變化,即在管截面中心處最大,越靠近管壁流速將越小,在管壁處流速為零。工程上為計算方便起見，流體的流速通常指整個管截面上的平均流速， 其表達式為：,2020/8/30,質量流速：單位時間內流體流過管道單位面積的質量流量用G表示，單位為kg/(m2.s)。 數學表達式為：,對于圓形管道:,管道直徑的計算式,生產實際中，管道直徑應如何確定？,2020/8/30,對于圓形管道：,流量qV一般由生產任務決定。,流速選擇：,1.4.2 管徑的估算,2020/8/30,1.4.3 定態(tài)流動與非定態(tài)流動,流動系統,定態(tài)流動 （或穩(wěn)態(tài)流動）:,流動系

14、統中流體的流速、壓強、 密度等有關物理量僅隨位置而改 變，而不隨時間而改變,非定態(tài)流動（或非穩(wěn)態(tài)流動）:,上述物理量不僅隨位置而且隨時間 變化的流動。,2020/8/30,定態(tài)流動（或穩(wěn)態(tài)流動）,2020/8/30,1.4.4 連續(xù)性方程,在定態(tài)流動系統中，對直徑不同的管段做物料衡算:,衡算范圍：取管內壁截面1-1與截面2-2間的管段 衡算基準：1s 對于連續(xù)定態(tài)系統：,2020/8/30,把這一關系推廣到管路系統的任一截面，有：,若流體為不可壓縮流體 ：,一維定態(tài)流動的連續(xù)性方程,2020/8/30,對于圓形管道：,表明：當體積流量qV一定時，管內流體的流速與管道直徑 的平方成反比。,202

15、0/8/30,例 一輸水管路的管內徑為 , 新購置的水泵吸入管 規(guī)格為 ,壓出管規(guī)格為 , 水泵在最佳工況點工作時吸入管的流速為 。試求 壓出管和管路中水的流速。,解：,壓出管中水的流速為,管路中水的流速為,2020/8/30,1.4.5 能量衡算方程式（伯努利方程）,1、流體流動的總能量衡算,1）流體本身具有的能量,物質內部能量的總和稱為內能 單位質量流體的內能以U表示，單位J/kg。,內能：,流體因處于重力場內而具有的能量。,位能：,2020/8/30,質量為m流體的位能,單位質量流體的位能,流體以一定的流速流動而具有的能量,動能：,質量為m、流速為u的流體所具有的動能,單位質量流體所具有

16、的動能,靜壓能（流動功）,通過某截面的流體具有的用于 克服壓力功的能量,2020/8/30,將質量為m、體積為V的流體推進此截面所需要的力：,該流體通過此截面所走的距離 ：,該流體通過截面需要的靜壓能：,單位質量流體本身所具有的總能量為 ：,對1kg流體需要的靜壓能：,2020/8/30,單位質量流體通過劃定體積所吸的熱：qe (J/kg)； 質量為m的流體所吸的熱=m qe J； 流體吸熱時qe為正，流體放熱時qe 為負。,熱,2）系統與外界交換的能量,單位質量通過劃定體積接受的功為：We (J/kg) 質量為m 的流體所接受的功= mWe (J),功,流體接受外功時，We為正，向外界做功時

17、, We為負； 流體本身所具有能量、熱和功就是流動系統的總能量。,2020/8/30,3）總能量衡算 衡算范圍：截面1-1和截面2-2間的管道和設備 衡算基準：1kg 流體,設1-1截面的流體流速為u1，壓強為P1， 截面積為A1， 比容為1；,截面2-2的流體流速為u2，壓強為P2， 截面積為A2， 比容為v2。,取o-o面為基準水平面， 1-1和2-2截面中心與基準水平面的距離為Z1，Z2。,2020/8/30,對于定態(tài)流動系統： 輸入能量=輸出能量,輸入能量,輸出能量,2020/8/30,穩(wěn)定流動過程的總能量衡算式,2020/8/30,流體與環(huán)境所交換的熱,阻力損失,2、流動系統的機械能

18、衡算式柏努利方程 1）流動系統的機械能衡算式,根據熱力學第一定律,2020/8/30,代入上式得：,流體穩(wěn)定流動過程中的機械能衡算式,2）柏努利方程（Bernalli） 當流體不可壓縮時，,2020/8/30,代入：,對于理想流體，當沒有外功加入時We=0,柏努利方程,2020/8/30,3、柏努利方程式的討論 1）柏努利方程式表明理想流體在管內做定態(tài)流動，沒有 外功加入時，任意截面上單位質量流體的總機械能即動能、 位能、靜壓能之和為一常數，用E表示。 即：1kg理想流體在各截面上的總機械能相等，但各種 形式的機械能卻不一定相等，可以相互轉換。,2）對于實際流體，在管路內流動時，應滿足： 上游

19、截面處的總機械能大于下游截面處的總機械能。,2020/8/30,3）式中各項的物理意義,處于某截面上的流體本身所具有的能量,流體流動過程中所獲得或消耗的能量,We和hf：,We： 輸送設備對單位質量流體所做的有效功 Ne： 單位時間輸送設備對流體所做的有效功，即功率,4）當體系無外功，且處于靜止狀態(tài)時,流體的靜力平衡是流體流動狀態(tài)的一個特例,2020/8/30,5）柏努利方程的不同形式 a) 若以單位重量的流體為衡算基準,m,位壓頭，動壓頭，靜壓頭、壓頭損失 He 輸送設備對流體所提供的有效壓頭,2020/8/30,b) 若以單位體積流體為衡算基準,靜壓強項P可以用絕對壓強值代入,也可以用表壓

20、強值代入,pa,6）對于可壓縮流體的流動，當所取系統兩截面之間的絕對壓強變化小于原來壓強的20%，,仍可使用柏努利方程。式中流體密度應以兩截面之間流體的平均密度m代替 。,2020/8/30,2020/8/30,1.4.6 柏努利方程的應用 1）確定流體的流量,例：20的空氣在直徑為80mm的水平管流過，現于管路中接一文丘里管，如本題附圖所示，文丘里管的上游接一水銀U管壓差計，在直徑為20mm的喉徑處接一細管，其下部插入水槽中。空氣流入文丘里管的能量損失可忽略不計，當U管壓差計讀數R=25mm，h=0.5m時，試求此時空氣的流量為多少m3/h? 當地大氣壓強為101.33103Pa。,2020

21、/8/30,2020/8/30,分析：,求流量Vh,已知d,求u,直管,任取一截面,柏努利方程,氣體,判斷能否應用？,2020/8/30,2020/8/30,解：取測壓處及喉頸分別為截面1-1和截面2-2 截面1-1處壓強 ：,截面2-2處壓強為 ：,流經截面1-1與2-2的壓強變化為：,2020/8/30,2020/8/30,在截面1-1和2-2之間列柏努利方程式。以管道中心線作基準水平面。 由于兩截面無外功加入，所以We=0。 能量損失可忽略不計hf=0。 柏努利方程式可寫為：,式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表壓） ，P2= - 4905Pa（表壓 ）,2020/8/30,2020/8/30,化簡得：,由連續(xù)性方程有：,2020/8/30,2020/8/30,聯立(a)、(b)兩式,2020/8/30,2020/8/30,2）確定容器間的相對位置 例：如本題附圖所示，密度為850kg/m3的料液從高位槽送入塔中，高位槽中的液面維持恒定，塔內表壓強為9.81103Pa，進料量為5m3/h，連接 管直徑為382.5mm，料液在連接 管內流動時的能量損失為30J/kg(不包 括出口的能量損失)，試求高位槽內 液面應為比塔內的