第二章流體流動過程

1、第一章 流體流動過程及 流體輸送設備,第一章 流體流動過程,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 流體靜力學基本方程式,第三節(jié) 流體流動的基本方程式,第四節(jié) 管內流體流動現(xiàn)象,第五節(jié) 管內流體流動的阻力,第六節(jié) 流量的測量,第七節(jié) 流體輸送設備,,本章主要內容：,1. 主要討論流體處于相對靜止和流動過程的基本原理和基本規(guī)律：流體靜力學基本方程、連續(xù)性方程、機械能衡算方程、流動阻力及能量損失的計

2、算；,2. 流體在輸送系統(tǒng)中壓強的變化與測量；,3. 輸送管路設計與所需功率的計算；,4. 流量測量；,5. 輸送設備的選型與操作；,6. 根據(jù)流體流動規(guī)律減小輸送能耗，強化化工設備中傳熱、傳質過程等。,,第一節(jié) 概述,一. 流體質點與連續(xù)介質模型,把流體視為由無數(shù)個流體微團（或流體質點）所組成，這些流體微團緊密接觸，彼此沒有間隙。這就是連續(xù)介質模型。,流體微團（或流體質點）：,,宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個幾何上沒有維

3、度的點；,同時微觀上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計學性質,,二. 流體的特征,1．易流動性,當流體受到外部切向力作用時，易于變形而產生流動。,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) 流體靜力學基本方程式,一. 流體的熱力學屬性,二. 流體靜力學基本方程式,三. 流體靜力學基本方程式的討論

4、,四. 流體靜力學基本方程式的應用,,一. 流體的熱力學屬性,1．流體的密度,流體的密度—單位體積流體的質量。用?表示，屬于物性。,獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊,影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力,（2）公式計算：,液體混合物：,氣體：,----------理想氣體狀態(tài)方程,氣體混合物：,2．流體的壓強及其表示方法,流體的壓強—流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱壓強。用p表示，工程上習慣稱之為壓力。,,（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(標準大氣壓)＝1.013×105 Pa ＝760 mmHg ＝10.33 mH2O,表壓＝絕對壓力－當?shù)卮髿鈮?真空度＝當?shù)卮髿鈮海^對壓力,,絕對壓力,表壓,,,二. 流體靜力學基本方程式,流體所受到的力,,,質量力,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,,質量

6、力,法向力,---- 單位面積上的壓力稱為壓強, 習慣上稱為靜壓力。,---- 重力場中單位質量流體所受 質量力,即為重力加速度。,圖2-2 靜力學基本 方程的推導,,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水平面，液柱的上、下底面與基準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),當液柱處于相對靜止狀態(tài)時，說明作用在此液柱上諸力的合力為零，即：,p2A－ 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：,p2 ＝ p0 ＋ ?g h,(3),(4),上述式子均稱為流體靜力學基本方程式。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部壓力（壓強）的變化規(guī)律。,1. 當容器液面上方的壓力p0 一定時，靜止液體內任一點壓力的大小，與液體本身的密度 ?和該點距液面的深度 h 有關。因此，在靜止的、連通的同一種液體內，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。,2. 當p0 改變時，液體內部各點的壓力也將發(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表示。,4. 將(2)式移項

9、整理得：,(5),或,適用場合：絕對靜止、連續(xù)、均質、不可壓縮流體,三. 流體靜力學基本方程式的討論,四. 流體靜力學基本方程式的應用,,1. 壓力計,(1)單管壓力計,p1 – pa = p1 (表) = ?g R,(2)U形壓力計,p1 = pa + ?0 gR – ?g h,2．壓差計,(1) U形管壓差計,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,?1略小于?2,讀數(shù)放大,p1 - p2 = ( ?2 - ? 1) g R,,第三節(jié) 流體流動的基本方程式,一. 流體的流動屬性,二. 連續(xù)性方程式,三. 伯努利方程式,四. 伯努利方程式的應用,,,一. 流體的流動屬性,1．流量和流速,流量,,體積流量,qV,＝,V,t,,m3/s,質量流量,kg/s,q

11、m ＝ ? qV,,流速,,體積流速,u,＝,qV,A,,質量流速,平均流速,……,m/s,kg/(m2?s),w ＝ ? u,,qm ＝w A ＝? u A,,,2．流體的運動狀態(tài),(1) 穩(wěn)定流動,流體流動過程中，任一截面上與流動相關的物理量 (流速、壓強、密度等) 不隨時間變化的流動。,(2) 不穩(wěn)定流動,在流動過程中，流體在任一截面上的物理量隨時間而變化的流動。,二. 連續(xù)性方程式,圖2-3 簡單控制體積中的質量守恒,流體流動

12、過程中 涉及三大守恒定律：,質量守恒,動量守恒,能量守恒,,,質量衡算,衡算范圍—劃定體積/控制體積/控制體,對于在控制體內作穩(wěn)定流動的流體，根據(jù)質量守恒定律有：,,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)定流動時的連續(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：運動著的流體涉及的能量形式有,內能、位能、動能、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：,在靜止和流動流體內部都存在著靜壓強，因此，系統(tǒng)的任一截面上都具有壓力。當流體要通過某一截面進入系統(tǒng)時，必須要對流體做功，才能克服該截面的壓力，把流體壓入系統(tǒng)內。這樣通過該截面的流體便帶著與此功相當?shù)哪芰窟M入系統(tǒng)，流體所具有的這種能量稱為靜壓能。,靜壓能的計算式：,設：單

14、位質量流體體積為1/?,流體通過管道某截面所受壓力F＝pA。,則：,流體通過該截面所走的距離：,流體具有的靜壓能：,靜壓能＝F × l ＝p / ?,流體穩(wěn)定流動時的能量衡算：,假設：,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.理想流體流動過程的能量衡算,理想流體：,a. 流體在流動時無摩擦，無能量損失,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：,,流體的機械能,,(2-27),2

16、.實際流體流動過程的能量衡算,假設：,Qe＝0,,能量損失：,Wf (J/kg),能量補充：,We (J/kg),gZ1 + u12/ 2 + p1/ ?＋We＝ gZ2 + u22/ 2 + p2/ ?＋Wf,實際流體伯努利方程式：,對實際流體的能量衡算：,,,或寫成：,,機械能衡算方程（柏努利方程）討論：,(1) 適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質流體、等溫流動,--------靜力學方程,四. 伯努利方程式的應用,使