第二章流體流動(dòng)過(guò)程

1、第一章 流體流動(dòng)過(guò)程及 流體輸送設(shè)備,第一章 流體流動(dòng)過(guò)程,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式,第三節(jié) 流體流動(dòng)的基本方程式,第四節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象,第五節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力,第六節(jié) 流量的測(cè)量,第七節(jié) 流體輸送設(shè)備,,本章主要內(nèi)容：,1. 主要討論流體處于相對(duì)靜止和流動(dòng)過(guò)程的基本原理和基本規(guī)律：流體靜力學(xué)基本方程、連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程、流動(dòng)阻力及能量損失的計(jì)

2、算；,2. 流體在輸送系統(tǒng)中壓強(qiáng)的變化與測(cè)量；,3. 輸送管路設(shè)計(jì)與所需功率的計(jì)算；,4. 流量測(cè)量；,5. 輸送設(shè)備的選型與操作；,6. 根據(jù)流體流動(dòng)規(guī)律減小輸送能耗，強(qiáng)化化工設(shè)備中傳熱、傳質(zhì)過(guò)程等。,,第一節(jié) 概述,一. 流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)模型,把流體視為由無(wú)數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒(méi)有間隙。這就是連續(xù)介質(zhì)模型。,流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）：,,宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒(méi)有維

3、度的點(diǎn)；,同時(shí)微觀上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì),,二. 流體的特征,1．易流動(dòng)性,當(dāng)流體受到外部切向力作用時(shí)，易于變形而產(chǎn)生流動(dòng)。,2．可壓縮性,流體在外部溫度和壓力作用下，流體分子間的距離會(huì)發(fā)生一定的改變，表現(xiàn)為流體密度大小的變化。,工程上：,返回,,密度為常數(shù),第二節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式,一. 流體的熱力學(xué)屬性,二. 流體靜力學(xué)基本方程式,三. 流體靜力學(xué)基本方程式的討論

4、,四. 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,,一. 流體的熱力學(xué)屬性,1．流體的密度,流體的密度—單位體積流體的質(zhì)量。用?表示，屬于物性。,獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊(cè),影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力,（2）公式計(jì)算：,液體混合物：,氣體：,----------理想氣體狀態(tài)方程,氣體混合物：,2．流體的壓強(qiáng)及其表示方法,流體的壓強(qiáng)—流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。用p表示，工程上習(xí)慣稱之為壓力。,,（1）壓力

5、單位,SI 制中， N/m2 = Pa，稱為帕斯卡,（2）壓力大小的兩種表征方法,1 atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)＝1.013×105 Pa ＝760 mmHg ＝10.33 mH2O,表壓＝絕對(duì)壓力－當(dāng)?shù)卮髿鈮?真空度＝當(dāng)?shù)卮髿鈮海^對(duì)壓力,,絕對(duì)壓力,表壓,,,二. 流體靜力學(xué)基本方程式,流體所受到的力,,,質(zhì)量力,表面力,,如重力、離心力等，屬于非接觸性的力。,,,法向力,切向力,(剪力),(壓力),靜止流體所受到的力,,質(zhì)量

6、力,法向力,---- 單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng), 習(xí)慣上稱為靜壓力。,---- 重力場(chǎng)中單位質(zhì)量流體所受 質(zhì)量力,即為重力加速度。,圖2-2 靜力學(xué)基本 方程的推導(dǎo),,如圖2-2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

7、析垂直方向上液柱的受力：,向上：,p2A,向下：,p1A,G＝ ?gA (z1- z2),當(dāng)液柱處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，說(shuō)明作用在此液柱上諸力的合力為零，即：,p2A－ p1A － ?gA (z1- z2)＝0,化簡(jiǎn)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：,p2 ＝ p0 ＋ ?g h,(3),(4),上述式子均稱為流體靜力學(xué)基本方程式。它反

8、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(qiáng)）的變化規(guī)律。,1. 當(dāng)容器液面上方的壓力p0 一定時(shí)，靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)壓力的大小，與液體本身的密度 ?和該點(diǎn)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(diǎn)的壓力都相等。此壓力相等的面，稱為等壓面。,2. 當(dāng)p0 改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生同樣大小的改變— 帕斯卡原理。,3. 壓力或壓力差的大小可用液柱高度來(lái)表示。,4. 將(2)式移項(xiàng)

9、整理得：,(5),或,適用場(chǎng)合：絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮流體,三. 流體靜力學(xué)基本方程式的討論,四. 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,,1. 壓力計(jì),(1)單管壓力計(jì),p1 – pa = p1 (表) = ?g R,(2)U形壓力計(jì),p1 = pa + ?0 gR – ?g h,2．壓差計(jì),(1) U形管壓差計(jì),p1 + ? g (z1 + R) = p2 + ? g z2 + ?0 g R,p1 - p2 =

10、? g (z2 - z1) + ( ?0 - ?) g R,由 pa = pb，得：,(2) 雙液柱壓差計(jì),?1略小于?2,讀數(shù)放大,p1 - p2 = ( ?2 - ? 1) g R,,第三節(jié) 流體流動(dòng)的基本方程式,一. 流體的流動(dòng)屬性,二. 連續(xù)性方程式,三. 伯努利方程式,四. 伯努利方程式的應(yīng)用,,,一. 流體的流動(dòng)屬性,1．流量和流速,流量,,體積流量,qV,＝,V,t,,m3/s,質(zhì)量流量,kg/s,q

11、m ＝ ? qV,,流速,,體積流速,u,＝,qV,A,,質(zhì)量流速,平均流速,……,m/s,kg/(m2?s),w ＝ ? u,,qm ＝w A ＝? u A,,,2．流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),(1) 穩(wěn)定流動(dòng),流體流動(dòng)過(guò)程中，任一截面上與流動(dòng)相關(guān)的物理量 (流速、壓強(qiáng)、密度等) 不隨時(shí)間變化的流動(dòng)。,(2) 不穩(wěn)定流動(dòng),在流動(dòng)過(guò)程中，流體在任一截面上的物理量隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。,二. 連續(xù)性方程式,圖2-3 簡(jiǎn)單控制體積中的質(zhì)量守恒,流體流動(dòng)

12、過(guò)程中 涉及三大守恒定律：,質(zhì)量守恒,動(dòng)量守恒,能量守恒,,,質(zhì)量衡算,衡算范圍—?jiǎng)澏w積/控制體積/控制體,對(duì)于在控制體內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的流體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律有：,,qm1 ＝ qm2 ＝ 常數(shù),?1 u1 A1 ＝ ?2 u2 A2 ＝常數(shù),u1 A1 ＝ u2 A2,不可壓縮流體：,思考： 如果管道有分支，則穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程又如何？,qm ＝ qm1 ＋qm2,u A ＝ u1 A1 ＋ u2 A2,,,三.

13、 伯努利方程式,,,能量：運(yùn)動(dòng)著的流體涉及的能量形式有,內(nèi)能、位能、動(dòng)能、靜壓能、 熱、 功,圖2-4 控制體的能量衡算,,…….能量衡算式,靜壓能的概念：,在靜止和流動(dòng)流體內(nèi)部都存在著靜壓強(qiáng)，因此，系統(tǒng)的任一截面上都具有壓力。當(dāng)流體要通過(guò)某一截面進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，必須要對(duì)流體做功，才能克服該截面的壓力，把流體壓入系統(tǒng)內(nèi)。這樣通過(guò)該截面的流體便帶著與此功相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)入系統(tǒng)，流體所具有的這種能量稱為靜壓能。,靜壓能的計(jì)算式：,設(shè)：?jiǎn)?/p>

14、位質(zhì)量流體體積為1/?,流體通過(guò)管道某截面所受壓力F＝pA。,則：,流體通過(guò)該截面所走的距離：,流體具有的靜壓能：,靜壓能＝F × l ＝p / ?,流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算：,假設(shè)：,輸入能量＝,U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ ?1 + Qe +We,輸出能量＝,U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ ?2,由能量守恒定律：,輸入能量＝,輸出能量,,U1 + g1Z1 +

15、 u12/ 2 + p1/ ?1 + Qe +We,＝U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ ?2,總能量衡算式：,(J/kg),1.理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算,理想流體：,a. 流體在流動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦，無(wú)能量損失,b. 不可壓縮流體,Qe＝0、We＝0,,gZ1 + u12/ 2 + p1/ ?＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ?＝常數(shù),理想流體伯努利方程式：,,流體的機(jī)械能,,(2-27),2

16、.實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算,假設(shè)：,Qe＝0,,能量損失：,Wf (J/kg),能量補(bǔ)充：,We (J/kg),gZ1 + u12/ 2 + p1/ ?＋We＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ?＋Wf,實(shí)際流體伯努利方程式：,對(duì)實(shí)際流體的能量衡算：,,,或?qū)懗桑?,機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）討論：,(1) 適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫流動(dòng),--------靜力學(xué)方程,四. 伯努利方程式的應(yīng)用,使