内蒙科大化工原理教案01流体流动

1、第一章 流体流动第一节 概述几个概念：1流体：具有流动性的液体和气体统称为流体。2连续性介质假定：流体是由连续的流体质点组成的。3流体静力学研究流体处于静止平衡状态下的规律及其应用；4流体动力学研究流体在流动状态下的规律及其应用。5不可压缩流体和可压缩流体第二节 流体静力学一、流体的密度：单位体积流体的质量 =m/V kg/m3 重度工程单位制中，表示密度的单位，其数值与密度相同。比重物料密度与纯水（227K）密度之比，其数值的一千倍等于密度的数值。比容密度的倒数。1 纯流体的密度液体的密度随压强变化小，但随温度稍有变化；气体的密度随压强、温度变化大。理想气体（t不太低，p不太高的气体，可用理想气体状态方程）PV=nRT 或对t低，p高的气体，可用真实气体状态方程计算2 混合流体的密度（1）液体混合物的（1kg基准） (假设为理想溶液)i：液体混合物中各纯组分的密度。Wi：液体混合物中各组分的质量分率。（2）气体混合物（1m3基准） yi：气体混合物中各组分的体积分率。一、 流体的静压强1 静压强定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。2 压强的单位（1）直接按压强定义：N/m2，Pa（

2、帕斯卡） （2）间接按流体柱表示：m H2O柱，mm Hg柱 （3）与大气压作为计量单位：标准大气压(atm)，工程大气压（at） 单位换算：1atm=1.0133105 Pa =760mmHg=10.33m H2O=1.033kgf/cm21 at =9.807104 Pa =735.6mmHg= 10m H2O=1 kgf/cm23表示压强的基准（1） 绝对压强以绝对真空为基准测得的压强；（2） 相对压强以当地大气压为基准测得的压强：表压和真空度p当地大气压， 表压强=绝对压强-大气压强p r 所以 p1- p2=r0gR 倒U形管压差计斜管液柱压强计微差液柱压强计Rhpaor2液面的测定结论：3.确定液封高度作用：当设备内压强超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。若设备要求压强不超过p1，按静力学基本方程式，则水封管口的液面高度h：h设备p1P0r第三节流体在管内流动前节讨论了静止流体内部压强的变化规律，对于流体输送过程中遇到的问题，必须要找出流体在管内的流动规律连续性方程式与柏努利方程式。出发点质量、动量、能量守恒一、流量与流速1流量：在单位时间内流过管道任一

3、截面的流体量。质量流量：用质量来计量，以G表示kg/s体积流量：用体积来计量，以V表示m3/sG=V2流速：单位时间内，流体质点在导管中流动方向上所流过的距离（点速度） 实验证明，在导管截面上各点的流速是不同的，具有速度分布。在工程上为方便起见，通常使用平均速度概念： m/s质量流速： kg/m2.sw = u3管径d 计算后管径要圆整讨论： V由工艺生产任务定； u关键选择，若u大，管道阻力大，动力消耗大，操作费用大；d可小 若u小，管道阻力小，但d大，建设成本大。所以，设计管道时，需要综合考虑这两个互相矛盾的经济因素。一般情况下，液体流速u = 0.5-3m/s; 气体流速u = 10-30m/s介绍：公称压力公称直径无缝钢管与水煤气管二、定常态流动与非定常态流动1， 定常态流动流体在管道中流动时，流体在任一点上的流速、压强等有关物理参数都不随时间而改变，这种流动称为定常态流动。2， 非定常态流动若流体在截面上的只要有一个物理量随时间而变，则称为非定常态流动。溢流212三、流体定态流动时的连续性方程式推导：以管内壁，截面1-1与2-2为衡算范围 G1 = G2 r1A1u1 = r

4、2A2u2若不可压缩流体：A1u1 = A2u2 说明：u只与截面积有关，而与管路上任何设备无关。四、柏努利方程式（Bernowlli Equation）流动系统的机械能衡算1 理想流体的柏努利方程式对不可压缩流体：=const，则： 对气体，若压力变化不大，可看成不可压缩性流体，误差约5%，用平均密度，2 实际流体柏努利方程式的几种形式流体具有粘度，流动时有摩擦阻力；管路中有能量输入机械。 J/kg单位质量流体的机械能守恒方程。 J/N或m流体柱单位重量流体的机械能守恒方程。 各项为：位压头，动压头，静压头，有效压头（外加压头），压头损失静力学方程是柏努利方程式的一个特例。3柏努利方程式的应用柏努利方程是流体流动的基本方程，应用范围很广，具体有：1）分析和解决流体输送问题2） 体流动过程中流量的测定3） 器间的相对位置，流体压强4） 确定输送设备的有效功率举例：解题要点：1， 绘出流程，注明流向，列出已知条件； 2， 确定计算系统取截面，截面与流动方向垂直，两截面间要连续，稳定； 且已知条件最多，要包括未知条件， 一般规律：取起点与终点取容器的液面，u = 0，p = p03， 基准

5、高度的选取Dz为相对值，一般取地平面，水平面等较低截面；4， 单位的一致性SI制；5注意压强，计算时应使用绝对压强。第四节 流体在管内的流动阻力本节主要讨论流体流动阻力产生的原因、影响因素及其计算。流体流动必须克服阻力，产生阻力的根本原因是流体具有粘度。一、牛顿粘性定律和粘度Fu固定板Ay1牛顿粘性定律 比例系数，也称动力粘度速度梯度3 粘度物理意义在du/dy=1时，单位面积上所产生的内摩擦力大小。粘度单位Ns/m2，即Pas 常用粘度单位物理制：=P（泊）， 1cP=0.001Pas运动粘度, 单位为m2/s, cm2/s(st)4牛顿型流体服从牛顿粘性定律的流体，如气体和大多数液体。非牛顿型流体不服从牛顿粘性定律的流体。二、流体流动类型与雷诺准数 在讨论流体流动阻力产生的原因及其影响因素时，必然会想到阻力与速度有关，下面是1883年著名法国科学家雷诺作的一个实验。1 雷诺实验表面上看，流体流动类型由流速决定，低于某一流速，质点作直线运动，属滞流型，称滞流临界速度。实验发现，不同流体的滞流临界速度不同。2雷诺数Re及流动类型判断流型判断Re层流2000Re4000不稳定的过度区Re

6、4000湍流 雷诺数Re的含义：反映了与阻力有关的惯性力与粘性力的对比关系。3流体流动相似原理在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体的边界几何条件相似，则流体的流动状态也相似。三、流体在圆管内的速度分布层流与湍流的本质区别内部质点的运动方式1流体在圆形管中层流时的速度分布实验证明：Umax1， 其速度分布为抛物线形状。管中心流速最大，向管壁方向渐减，靠管壁的流速为零。平均速度为最大速度的一半。2， 速度的抛物线分布规律，并不是流体刚入管口就形成的，而是要经过一段距离起始段长度X0=0.05dRe速度分布方程式： 最大流速（r =0） 流量 平均流速 哈根泊谡叶方程式 2流体在圆管中湍流时的速度分布特点：流体质点的运动方向和速度大小随时在变化。速度分布只能用实验方法得到。实验测定：湍流速度分布线形状截头抛物线 平均流速u=0.82umax层流底层（laminar sublayer）四、流体流动的阻力计算阻力损失的分类：直管阻力损失流体流经直管时所引起。局部阻力损失流体流经阀门及出入口等局部障碍所引起。 阻力分类并不意味着质的不同，而只是起因于不同的外部原因而已。1 流体在直管中的流动阻力（沿程阻力） J/kg 实验可知：阻力与u、l成正比，与d成反比；其单位可用动能u2/2来表示。（1）流体在直管中作层流时的阻力损失由 得 （2）流体在直管中湍流时的阻力损失原因： 流动时，流体质点间相互碰撞而进行的湍流动量传递。1）管壁粗糙度对阻力损失的影响。工业中金属管按光滑程度分类：光滑管 粗糙管绝对粗糙度管壁粗糙面突出部分的平均高度。相对粗糙度/d在一定的Re下，粗糙度 hf. 流动类型对绝对粗糙度的影响： 滞流层流层掩盖了粗糙面， l与e无关 湍流在低速下，Re不大，层流层掩盖了粗糙面， l与e无关 在高速下，Re大，粗糙面部分暴露在湍流中，引起旋涡，阻力增加。

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