化工原理上册天津大学柴诚敬流体流动.ppt

1 第一章流体流动 通过本章的学习 应掌握流体在管内流动过程的基本原理和规律 并运用这些原理和规律分析和计算流体流动过程中的有关问题 学习目的与要求 2 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定 3 连续介质假定 假定流体是由连续分布的流体质点所组成 表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数 连续介质假定 4 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定 1 1 2流体的密度 5 流体的密度 流体空间某点上单位体积流体的质量 流体的密度是位置 x y z 和时间 的函数 密度 6 流体的密度 纯物质的密度 液体 基本不随压力变化 极高压力除外 随温度略有变化 气体 密度随温度 压力改变 低压下可按照理想气体状态方程计算 7 气体混合物 混合前后质量不变 液体混合物 混合前后体积不变 组分的质量分数 组分的体积分数 混合物的密度 流体的密度 8 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定1 1 2流体的密度 1 1 3流体的可压缩性与不可压缩流体 9 一 流体的可压缩性 或 1 4 1 5 流体的可压缩性通常用体积压缩系数 来表示 其意义为在一定温度下 外力每增加一个单位时 流体体积的相对缩小量 体积压缩系数 10 二 不可压缩流体 值越大 流体越容易被压缩 可压缩流体 0的流体为可压缩流体 不可压缩流体 0的流体为不可压缩流体 气体在一般情况下是可压缩流体 大多数液体可视为不可压缩流体 11 需要指出 实际流体都是可压缩的 不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已 二 不可压缩流体 12 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定1 1 2流体的密度1 1 3流体的可压缩性与不可压缩流体 1 1 4流体的黏性 13 一 牛顿黏性定律 流体在运动时 相邻流体层之间是有相互作用的 这种相互抵抗的作用力称为剪切力 流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性 黏性是流体的固有属性之一 不论流体处于静止还是流动 都具有黏性 黏性 14 图1 1平板间黏性流体的速度变化 一 牛顿黏性定律 上板以恒定速度沿x的正方向运动 15 实验证明 对于多数流体 任意两毗邻流体层之间作用的剪切力与两流体层的速度差及其作用面积成正比 与两流体层之间的垂直距离成反比 牛顿黏性定律 1 7 一 牛顿黏性定律 16 一 牛顿黏性定律 牛顿型流体 Newtonianfluid 遵循牛顿黏性定律的流体所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体 如水 空气等 17 凡不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体 non Newtonianfluid 某些高分子溶液 悬浮液 泥浆 血液等属于非牛顿流体 非牛顿型流体 non Newtonianfluid 一 牛顿黏性定律 18 二 流体的黏度 一般以泊的1 100的厘泊 cp 来表示黏度 在SI单位制中 黏度的单位为Pa s 在物理单位制上 其单位为P 泊 19 运动黏度 SI单位为m2 s 在物理单位cm2 s称为沲 以St表示 二 流体的黏度 20 的流体称为理想流体 自然界不存在真正的理想流体 三 理想流体与黏性流体 理想流体 21 第一章流体流动 1 2流体静力学 22 流体静力学 流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律 特别是在重力场作用下 静止流体内部的压力变化规律 23 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力 24 外界作用于流体上的力 体积力表面力 25 一 体积力 体积力 bodyforce 又称为场力 质量力 是一种非接触力 地球引力 带电流体所受的静电力 电流通过流体产生的电磁力等均为体积力 本书只涉及重力 设流体密度为 体积为V 则其所受的重力为 体积力 26 表面力 又称接触力或机械力 与流体元相接触的环境流体 有时可能是固体壁面 施加于该流体元上的力 表面力又称为机械力 与力所作用的面积成正比 二 表面力 27 图1 2作用在流体上的力 二 表面力 28 二 表面力 切向应力 法向应力 单位面积上的表面力称为表面应力 表面应力 29 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力 1 2 2静止流体的压力特性 30 静止流体的压力特性 静止的流体内部没有剪应力 只有法线方向的应力 通常将该法向应力称为流体的静压力 以p表示 流体的静压力 31 静止流体的压力特性 在SI单位制中 压力单位是N m2或Pa 其他单位还有 1atm 101300N m2 101 3kPa 1 033kgf cm2 10 33mH2O 760mmHg 不同基准压力之间的换算 压力的单位 表压力 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力真空度 表压力 32 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力1 2 2静止流体的压力特性 1 2 3流体静力学方程 33 流体静力学方程 图1 3流体静力学方程的推导 微元立方流体边长 dx dy dz密度 34 流体静力学方程 z方向上的力 向上为正 仅为重力和静压力 2 作用整个微元体的重力为 1 作用于微元体上 下底面的表面力 压力 分别为 35 流体静力学方程 则z方向上力的平衡式为 化简得 静止流体的欧拉 Euler 方程 36 同理 在x y方向上 y轴 x轴 流体静力学方程 37 或 当流体不可压缩 常数 时 积分可得 流体静力学方程 或 1 11 1 12 1 14 总势能守恒 等压面 38 静力学基本方程式可改写为 因此 压差的大小可用一定的液柱高度来表示 流体静力学方程 1 15 39 不可压缩流体的静力学基本方程式 反映重力场作业下 静止流体内部压力的变化规律 流体静力学方程 40 应注意 液柱高度表示压差大小时必须指明是何种液体 图1 4静止液体内部的压力分布 流体静力学方程 41 流体静力学方程 静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体 42 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力1 2 2静止流体的压力特性1 2 3流体静力学方程 1 2 4流体静力学方程的应用 43 一 压力与压力差的测量 1 U管压差计 U tubemanometer 图1 5U管压差计 动画04 44 根据流体静力学基本方程式可得 于是 一 压力与压力差的测量 45 上式化简 得 若被测流体为气体 由于气体的密度比指示液的密度小得多 气体的密度可以忽略 于是 若U管的一端与被测流体连接 另一端与大气相通 此时读数反映的是被测流体的表压力 一 压力与压力差的测量 46 2 双液U管微压差计 two liquidmanometer 图1 6双液U管微压计 一 压力与压力差的测量 47 如果双液压差计小室内液面差不可忽略时 式中 为小室的液面差 d U管内径 D 小室内径 一 压力与压力差的测量 48 如果双液压差计小室内液面差可忽略 则 1 17 一 压力与压力差的测量 49 二 液位的测量 图1 7压差法测量液位 动画29 50 例1 5附图 二 液位的测量 动画30 51 三 液封高度的计算 设备的液