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. 流体质点与连续介质模型流体 气体
2、 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
3、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表压绝对压力当地大气压真空度当地大气压绝对压力
4、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p1p0p2Gz2z1Z0z0 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。分析垂直方向上液柱的受力：向上：
5、p2A向下：p1AG 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：p2 p1g=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 p0g=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。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
6、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：=z1z2 p1g p2g(5)或=z常数 pg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p a R A1 . p1 pa = p1 (表) = g R (2)U形压力计pa A 1 h R 2 3 0p1 = pa + 0 gR g h 2压差计(1) U形管压差计 2 1 z2
7、 z1 Ra b 0 1 2 p1 + g (z1 + R) = p2 + 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qVVtm3/s质量流量mqmtkg/sqm qV流速体积流速uqVA质量流速qmw A平均流速m/skg/(m2s) w uqm w A u A2流体的运动状态
8、(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。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 (3-20)连续性方程式u1 A1 u2 A2不可压缩流体：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？q
9、m qm1 qm2u A u1 A1 u2 A2三. 伯努利方程式 传热速率Qe ， 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u2/2， J/kggz ，J/kg功率We，He取决于温度，U，J/kg图2-4 控制体的能量衡算p/ ， J/kg.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
10、道某截面所受压力FpA。则：流体通过该截面所走的距离： 1= Al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：T、U、不变输入能量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 +WeU2 + 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 + u1
11、2/ 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：T、U、不变Qe0能量损失： Wf (J/kg)由摩擦阻力引起能量补充： We (J/kg)由流体输送设备提供 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：机械能衡算方程（柏努利方程）外加压头静压头动压头位压头压头损失或写成： 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
