第一章 流体流动过程及 流体输送设备.

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1 第一章 流体流动过程及 流体输送设备

2 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

3 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。

4 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

5 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

6 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

7 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：

8 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

9 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。

10 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)

11 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。

12 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

13 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 p1 = pa + 0 gR – g h

14 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

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

16 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

17 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

18 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。

19 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

20 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

21 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

22 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 / 

23 流体稳定流动时的能量衡算： 输入能量＝ U1 + g1Z1 + u12/ p1/ 1 + Qe +We 输出能量＝ U2 + g2Z2 + u22/ p2/ 2 由能量守恒定律： 输入能量＝ 输出能量 U1 + g1Z1 + u12/ p1/ 1 + Qe +We 总能量衡算式： ＝U2 + g2Z2 + u22/ 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

24 gZ1 + u12/ 2 + p1/ ＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ＝常数
理想流体伯努利方程式： gZ1 + u12/ p1/ ＝ gZ2 + u22/ 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/ p1/ ＋We＝ gZ2 + u22/ p2/ ＋Wf

25 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

26 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

27 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。