第一章流體流動過程及流體輸送設(shè)備

第一章流體流動過程及

流體輸送設(shè)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(xué)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(nèi)流體流動現(xiàn)象第五節(jié)管內(nèi)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(shè)備本章主要內(nèi)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(xué)基本方程、連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程、流動阻力及能量損失的計(jì)算；2.流體在輸送系統(tǒng)中壓強(qiáng)的變化與測量；3.輸送管路設(shè)計(jì)與所需功率的計(jì)算；4.流量測量；5.輸送設(shè)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(qiáng)化化工設(shè)備中傳熱、傳質(zhì)過程等。第一節(jié)概述一.流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)模型流體氣體液體把流體視為由無數(shù)個流體微團(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幾何上沒有維度的點(diǎn)；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(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．易流動性

當(dāng)流體受到外部切向力作用時，易于變形而產(chǎn)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：流體可壓縮流體不可壓縮流體返回密度為常數(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 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)，簡稱壓強(qiáng)。用p表示，工程上習(xí)慣稱之為壓力。（1）壓力單位SI制中，N/m2=Pa，稱為帕斯卡（2）壓力大小的兩種表征方法1atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)＝1.013×105

Pa＝760mmHg＝10.33mH2O表壓＝絕對壓力－當(dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩龋疆?dāng)?shù)卮髿鈮海^對壓力絕對壓力表壓二.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)p1p0p2Gz2z1Z0z0

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。分析垂直方向上液柱的受力：向上：p2A向下：p1AG＝

gA

(z1-z2)當(dāng)液柱處于相對靜止?fàn)顟B(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：p2－p1g=z1-z2(2)若液柱上表面取在液面上，令z1-z2=h，則上式可寫為：p2＝

p0＋gh

(3)p2－p0g=h(4)上述式子均稱為流體靜力學(xué)基本方程式。它反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，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，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表示。4.將(2)式移項(xiàng)整理得：=z1＋z2＋

p1g

p2g(5)或=z＋常數(shù)

pg適用場合：絕對靜止、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)p

a

R

A1

..

p1–pa=p1(表)=gR

(2)U形壓力計(jì)rpa

A

1

h

R

2

3

r0p1=pa+0gR

–

gh

2．壓差計(jì)(1)U形管壓差計(jì)

2

1

z2

z1r

Ra

br012p1+

g(z1

+R)

=p2+

gz2

+0

gRp1-p2

=

g(z2-z1)

+(

0

-)

gR

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)

gR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(yīng)用一.流體的流動屬性1．流量和流速

流量體積流量qV＝Vtm3/s質(zhì)量流量mqm＝tkg/sqm＝

qV流速體積流速u＝qVA質(zhì)量流速qmw＝A平均流速……m/skg/(m2s)

w＝

uqm

＝wA＝

uA2．流體的運(yùn)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(guān)的物理量(流速、壓強(qiáng)、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(zhì)量守恒流體流動過程中涉及三大守恒定律：質(zhì)量守恒動量守恒能量守恒質(zhì)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(nèi)作穩(wěn)定流動的流體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律有：qm1＝qm2＝常數(shù)1

u1A1＝2

u2A2＝常數(shù)

(3-20)連續(xù)性方程式u1A1＝u2A2不可壓縮流體：或=

u1u2

A2A1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＋qm2uA

＝u1A1＋u2A2三.伯努利方程式

傳熱速率Qe

，

能量：運(yùn)動著的流體涉及的能量形式有內(nèi)能、位能、動能、靜壓能、熱、功u2/2，J/kggz，J/kg功率We，He取決于溫度，U，J/kg圖2-4控制體的能量衡算p/，J/kg…….能量衡算式靜壓能的概念：在靜止和流動流體內(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)流體要通過某一截面進(jìn)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(nèi)。這樣通過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)：單位質(zhì)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：

1=

Al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(shè)：T、U、不變輸入能量＝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+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(jī)械能(2-27)2.實(shí)際流體流動過程的能量衡算假設(shè)：T、U、不變Qe＝0能量損失：Wf

(J/kg)……由摩擦阻力引起能量補(bǔ)充：We(J/kg)……由流體輸送設(shè)備提供

gZ1+u12/2+p1/

＋We＝gZ2+u22/2+p2/

＋Wf實(shí)際流體伯努利方程式：對實(shí)際流體的能量衡算：機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）外加壓頭靜壓頭動壓頭位壓