第一章 流体流动过程及 流体输送设备

第一章 流体流动过程 第一节 概述 第二节 流体静力学基本方程式 第三节 流体流动的基本方程式 第四节 管内流体流动现象 第一章 流体流动过程 第一节 概述 第二节 流体静力学基本方程式 第三节 流体流动的基本方程式 第四节 管内流体流动现象 第五节 管内流体流动的阻力 第六节 流量的测量 第七节 流体输送设备

本章主要内容： 1. 主要讨论流体处于相对静止和流动过程的基本原理和基本规律：流体静力学基本方程、连续性方程、机械能衡算方程、流动阻力及能量损失的计算； 2. 流体在输送系统中压强的变化与测量； 3. 输送管路设计与所需功率的计算； 4. 流量测量； 5. 输送设备的选型与操作； 6. 根据流体流动规律减小输送能耗，强化化工设备中传热、传质过程等。

第一节 概述 一. 流体质点与连续介质模型 气体 流体 液体 第一节 概述 一. 流体质点与连续介质模型 流体 气体 液体 把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。 流体微团（或流体质点）： 宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点； 同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质

当流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。 二. 流体的特征 1．易流动性 当流体受到外部切向力作用时，易于变形而产生流动。 2．可压缩性 流体在外部温度和压力作用下，流体分子间的距离会发生一定的改变，表现为流体密度大小的变化。 工程上： 流体 可压缩流体 不可压缩流体 密度为常数 返回

第二节 流体静力学基本方程式 一. 流体的热力学属性 二. 流体静力学基本方程式 三. 流体静力学基本方程式的讨论 第二节 流体静力学基本方程式 一. 流体的热力学属性 二. 流体静力学基本方程式 三. 流体静力学基本方程式的讨论 四. 流体静力学基本方程式的应用

一. 流体的热力学属性 1．流体的密度 流体的密度—单位体积流体的质量。用表示，属于物性。 影响因素：流体种类、浓度、温度、压力 获得方法：（1）查物性数据手册 （2）公式计算： 液体混合物： 气体： ----------理想气体状态方程 气体混合物：

2．流体的压强及其表示方法 流体的压强—流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。 （1）压力单位 SI 制中， N/m2 = Pa，称为帕斯卡 1 atm(标准大气压)＝1.013×105 Pa ＝760 mmHg ＝10.33 mH2O 绝对压力 （2）压力大小的两种表征方法 表压 表压＝绝对压力－当地大气压 真空度＝当地大气压－绝对压力

二. 流体静力学基本方程式 质量力 流体所受到的力 表面力 质量力 静止流体所受到的力 法向力 如重力、离心力等，属于非接触性的力。 切向力 二. 流体静力学基本方程式 如重力、离心力等，属于非接触性的力。 质量力 流体所受到的力 表面力 切向力 (剪力) 法向力 (压力) 质量力 ---- 重力场中单位质量流体所受 质量力,即为重力加速度。 静止流体所受到的力 法向力 ---- 单位面积上的压力称为压强, 习惯上称为静压力。

如图2-2所示：容器中盛有密度为的静止液体。现从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，以p1和p2分别表示高度为z1和z2处的压力，液面上方的压力为p0。 Z p0 p1 z0 G z1 p2 z2 分析垂直方向上液柱的受力： 图2-2 静力学基本 方程的推导 向上： p2A 向下： p1A G＝ gA (z1- z2)

p2A－ p1A － gA (z1- z2)＝0 p2 ＝ p1 ＋ g (z1- z2) p2－ p1 z1- z2 当液柱处于相对静止状态时，说明作用在此液柱上诸力的合力为零，即： p2A－ p1A － gA (z1- z2)＝0 化简得： p2 ＝ p1 ＋ g (z1- z2) (1) 或： p2－ p1 g = z1- z2 (2) 若液柱上表面取在液面上，令 z1- z2 = h，则上式可写为： p2 ＝ p0 ＋ g h (3) p2－ p0 g = h (4) 上述式子均称为流体静力学基本方程式。它反映了流体不受水平外力作用，只在重力作用下流体内部压力（压强）的变化规律。

z1＋ z2＋ z＋ 三. 流体静力学基本方程式的讨论 三. 流体静力学基本方程式的讨论 1. 当容器液面上方的压力p0 一定时，静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度 和该点距液面的深度 h 有关。因此，在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的面，称为等压面。 2. 当p0 改变时，液体内部各点的压力也将发生同样大小的改变— 帕斯卡原理。 3. 压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。 4. 将(2)式移项整理得： = z1＋ z2＋ p1 g p2 = z＋ 常数 p g 或 (5) 适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体

四. 流体静力学基本方程式的应用 1. 压力计 (1)单管压力计 p1 – pa = p1 (表) = g R (2)U形压力计 四. 流体静力学基本方程式的应用 1. 压力计 p a R A 1 .. (1)单管压力计 p1 – pa = p1 (表) = g R (2)U形压力计 r p a A 1 h R 2 3 p1 = pa + 0 gR – g h

2．压差计 (1) U形管压差计 由 pa = pb，得： p1 +  g (z1 + R) = p2 +  g z2 + 0 g R  (1) U形管压差计 由 pa = pb，得： p1 +  g (z1 + R) = p2 +  g z2 + 0 g R p1 - p2 =  g (z2 - z1) + ( 0 - ) g R

(2) 双液柱压差计 1略小于2 p1 - p2 = ( 2 -  1) g R 读数放大

第三节 流体流动的基本方程式 一. 流体的流动属性 二. 连续性方程式 三. 伯努利方程式 四. 伯努利方程式的应用

一. 流体的流动属性 1．流量和流速 V 体积流量 qV m3/s ＝ t qm ＝  qV 流量 m qm ＝ t kg/s 质量流量 qV …… 体积流速 平均流速 u ＝ m/s A 流速 qm w ＝ A w ＝  u kg/(m2s) 质量流速 qm ＝w A ＝ u A

2．流体的运动状态 (1) 稳定流动 流体流动过程中，任一截面上与流动相关的物理量 (流速、压强、密度等) 不随时间变化的流动。 (2) 不稳定流动 在流动过程中，流体在任一截面上的物理量随时间而变化的流动。

u2 A1 二. 连续性方程式 质量守恒 质量衡算 流体流动过程中 涉及三大守恒定律： 动量守恒 能量守恒 二. 连续性方程式 质量守恒 质量衡算 流体流动过程中 涉及三大守恒定律： 动量守恒 能量守恒 衡算范围—划定体积/控制体积/控制体 对于在控制体内作稳定流动的流体，根据质量守恒定律有： qm1 ＝ qm2 ＝ 常数 (3-20) 连续性方程式 1 u1 A1 ＝ 2 u2 A2 ＝常数 不可压缩流体： u1 A1 ＝ u2 A2 图2-3 简单控制体积中的质量守恒 或 = u1 u2 A2 A1

思考： 如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？ qm ＝ qm1 ＋qm2 u A ＝ u1 A1 ＋ u2 A2

三. 伯努利方程式 …….能量衡算式 能量：运动着的流体涉及的能量形式有 内能、位能、动能、静压能、 热、 功 取决于温度，U，J/kg 三. 伯努利方程式 …….能量衡算式 能量：运动着的流体涉及的能量形式有 内能、位能、动能、静压能、 热、 功 取决于温度，U，J/kg p/  ， J/kg 传热速率 Qe ， gz ，J/kg u2/2， J/kg 功率We，He 图2-4 控制体的能量衡算

静压能的概念： 在静止和流动流体内部都存在着静压强，因此，系统的任一截面上都具有压力。当流体要通过某一截面进入系统时，必须要对流体做功，才能克服该截面的压力，把流体压入系统内。这样通过该截面的流体便带着与此功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能。 静压能的计算式： 设：单位质量流体体积为1/,流体通过管道某截面所受压力F＝pA。 1 = A l 则： 流体通过该截面所走的距离： 流体具有的静压能： 静压能＝F × l ＝p / 

流体稳定流动时的能量衡算： 输入能量＝ U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ 1 + Qe +We 输出能量＝ U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2 由能量守恒定律： 输入能量＝ 输出能量 U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ 1 + Qe +We 总能量衡算式： ＝U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2 (J/kg) 1.理想流体流动过程的能量衡算 理想流体： a. 流体在流动时无摩擦，无能量损失 b. 不可压缩流体 T、 U、  不变 假设： Qe＝0、We＝0

gZ1 + u12/ 2 + p1/ ＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ＝常数 理想流体伯努利方程式： gZ1 + u12/ 2 + p1/ ＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ＝常数 (2-27) 流体的机械能 2.实际流体流动过程的能量衡算 T、 U、  不变 假设： Qe＝0 …… 由摩擦阻力引起 能量损失： Wf (J/kg) …… 由流体输送设备提供 能量补充： We (J/kg) 实际流体伯努利方程式： gZ1 + u12/ 2 + p1/ ＋We＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ＋Wf

对实际流体的能量衡算： 机械能衡算方程（柏努利方程） 或写成： 外加压头 静压头 动压头 位压头 压头损失

机械能衡算方程（柏努利方程）讨论： (1) 适用条件：不可压缩、连续、均质流体、等温流动 --------静力学方程

四. 伯努利方程式的应用 使用机械能衡算方程时，应注意以下几点： ․控制体的选取： ․基准水平面的选取 ․压力 四. 伯努利方程式的应用 使用机械能衡算方程时，应注意以下几点： ․控制体的选取： 控制体内的流体必须连续、均质； 有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直，且已知条件最多 包含待求变量 ․基准水平面的选取 ․压力 用绝压或表压均可，但两边必须统一。