1、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.
2、 流体质点与连续介质模型,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,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：,返回,密度为常数,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
3、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。,获得方法：（1）查物性数据手册,影响因素：流体种类、浓度、温度、压力,（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,（2）压力大小的两种表征方法,1 atm(标准大气压)1.013105 Pa 760 mmHg 10.33 mH2O,表
4、压绝对压力当地大气压,真空度当地大气压绝对压力,绝对压力,表压,二. 流体静力学基本方程式,流体所受到的力,质量力,表面力,如重力、离心力等，属于非接触性的力。,法向力,切向力,(剪力),(压力),静止流体所受到的力,质量力,法向力,- 单位面积上的压力称为压强, 习惯上称为静压力。,- 重力场中单位质量流体所受 质量力,即为重力加速度。,图2-2 静力学基本 方程的推导,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
5、的压力为p0。,分析垂直方向上液柱的受力：,向上：,p2A,向下：,p1A,G gA (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：,(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),(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。,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
6、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：,(5),或,适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体,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,1. 压力计,(1)单管压力计,p1 pa = p1 (表) = g R,(2)U形压力计,p1 = pa + 0 gR g h,2压差计,(1) U形管压差计,p1 + g (z1 + R) = p2 +
7、g z2 + 0 g R,p1 - p2 = g (z2 - z1) + ( 0 - ) g R,由 pa = pb，得：,(2) 双液柱压差计,1略小于2,读数放大,p1 - p2 = ( 2 - 1) g R,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,流量,体积流量,qV,V,t,m3/s,质量流量,kg/s,qm qV,流速,体积流速,u,qV,A,质量流速,平均流速,m/s,kg/(m2s),w u,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
8、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。,二. 连续性方程式,图2-3 简单控制体积中的质量守恒,流体流动过程中 涉及三大守恒定律：,质量守恒,动量守恒,能量守恒,质量衡算,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,1 u1 A1 2 u2 A2 常数,u1 A1 u2 A2,不可压缩流体：,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
9、方程式,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,图2-4 控制体的能量衡算,.能量衡算式,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FpA。,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：,假设：,输入能量,U1 +
10、 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,U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2,总能量衡算式：,(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,Qe0、We0,gZ1 + u12/ 2 + p1/ gZ2 + u22/ 2 + p2/ 常数,理想流体伯努利方程式：,流体的机械能,(2-27),2.实际流体流动过程的能量衡算,假设：,Qe0,能量损失：,Wf (J/kg),能量补充：,We (J/kg),gZ1 + u12/ 2 + p1/ We gZ2 + u22/ 2 + p2/ Wf,实际流体伯努利方程式：,对实际流体的能量衡算：,或写成：,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,用绝压或表压均可，但两边必须统一。,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,
