化工原理：流体力学与应用－1

1、 Fluid mechanics流体力学流体力学: has to do with the behavior of fluid研究流体在外力作用下平衡和运动规律的科学研究流体在外力作用下平衡和运动规律的科学can be divided into two branches: fluid statics, fluids at rest, 流体静力学流体静力学 fluid dynamics, fluids in motion. 流体动力学流体动力学v The fluid(water and coal gas) moves in the pump, flow meter and the pipe etc

2、., dynamics.vThe fluid is quiet in box, statics流体力学与科学技术之间的联系流体力学与科学技术之间的联系u航空与航海：航空与航海：飞机与轮船飞机与轮船的外形、操纵性、稳定性的外形、操纵性、稳定性u宇宙飞行器宇宙飞行器脱离和重返大脱离和重返大气层气层u石油化工、冶金、土建、石油化工、冶金、土建、混凝土的混凝土的输运输运u人体人体内血液的流动，内血液的流动，流体流动是本课程的基础流体流动是本课程的基础l 流体输送：流体输送：l 压强、流速、流量的测量：压强、流速、流量的测量：l 为强化设备提供适宜的条件为强化设备提供适宜的条件本章重点内容本章重点内容流

3、体静力学方程及应用流体静力学方程及应用质量衡算和连续性方程质量衡算和连续性方程能量衡算和柏努利方程能量衡算和柏努利方程流动阻力与能量损失流动阻力与能量损失管路计算管路计算什么是流体什么是流体流体是指一切在应力作用下能够流动、没有固定流体是指一切在应力作用下能够流动、没有固定形状的物体。形状的物体。气体与液体，等离子体，膏体（牙膏、熔融的橡气体与液体，等离子体，膏体（牙膏、熔融的橡胶塑料）、悬浮液（水煤浆）、胶体等。胶塑料）、悬浮液（水煤浆）、胶体等。1.1 流体基本性质流体基本性质1.1.1 连续介质假定连续介质假定1.1.2 流体的可压缩性流体的可压缩性1.1.3 作用在流体上的力作用在流体

4、上的力1.1.5 压强压强1.1.4 质量力与密度质量力与密度1.1.6 剪切力与粘度剪切力与粘度1.1.1 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：工程意义：利用利用连续函数的数学工具连续函数的数学工具，从宏观研究，从宏观研究 流体。流体。1.1 流体基本性质流体基本性质 流体：液体、气体、固体颗

5、粒悬浮于液体或气体中流体：液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中 1.1.2 流体的可压缩性流体的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；变化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。 描述流体可压缩性的参数：体积压缩系数描述流体可压缩性的参数：体积压缩系数 dpdvv1dpd1 表面力表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力，：通过直接接触而作用于流体表面的力， 其大小与流体的表面积成正比。其大小与流体的表面积成正比。 压压 力：垂直于表面的法向力；力：垂直于表

6、面的法向力；剪切力剪切力：平行于表面的切向力。：平行于表面的切向力。压力压力剪切力剪切力1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 质量力质量力: 作用于流体每个质点上的力，其大小与流作用于流体每个质点上的力，其大小与流 体的质量成正比，如体的质量成正比，如重力、离心力重力、离心力等。等。一、密度一、密度 单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。Vm kg/m3 二、单组分密度二、单组分密度),(Tpf 液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。1.1.4 质量力与密度质量力与密度 气体气体 当压力不太

7、高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算： RTpM 注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值，若条件不同，则需进行换算。下之值，若条件不同，则需进行换算。三、混合物的密度三、混合物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 nn2111m 气体混合物中各组分的气体混合物中各组分的体积分数体积分数。 n21, 或或RTpMmm mM混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量； nn2211myMyMyMMn21,yyy气体混合物中各组

8、分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分数。分数。 混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 nn2211m1 aaan21,aaa液体混合物中各组分的液体混合物中各组分的质量分数质量分数。 四、四、比容比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。 1mVvm3/kg 1.1.5 压强压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强。流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强。 uThe pressure at any point in the fluid is independent of

9、direction. -forces at any given point in a static fluid must be the same in all directionsPressure is a scalar quantity (标量、无向量标量、无向量)一、一、压强的单位压强的单位 SI制：制：N/m2或或Pa；或或以流体柱高度表示以流体柱高度表示 ：ghp 注：用液柱高度表示压强时，必须指明注：用液柱高度表示压强时，必须指明流体的种流体的种类类，如，如600mmHg，10mH2O等。等。 Head of Fluid ()Ph headmgm二、二、 压强的表示方法压强的表示方法

10、 绝对压强绝对压强 以绝对真空为基准测得的以绝对真空为基准测得的真实真实压强值。压强值。 表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的以大气压为基准测得的相对相对压强值。压强值。标准大气压的换算关系：标准大气压的换算关系：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O表表 压压 = 绝对压绝对压 大气压大气压真空度真空度 = 大气压大气压 绝对压绝对压绝对压绝对压 绝对压绝对压 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 Pa例1-1某离心泵进出口真空表和压力表读数分别为220 mmHg和1.7kgf/cm2。若当地大气压强为760 mmHg

11、，求它们的绝对压力(Pa)。p1 = 7.2 104 Pap 2= 2.68105Pa一、一、 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 yuAFdd 或或yudd Fuududy式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N； 剪应力，剪应力，Pa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/s； 比例系数，称为比例系数，称为流体的粘度流体的粘度，Pas 。 yudd 1.1.6 剪切力与粘度剪切力与粘度二、二、流体的粘度流体的粘度(viscosity)内摩擦力的产生：黏滞力或黏性摩擦力。流动性的反面：黏性； 粘度的物理意义粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生 单位速度梯

12、度所需的剪应力。单位速度梯度所需的剪应力。yudd/ 运动的流体内部相邻流体层间，由于分运动的流体内部相邻流体层间，由于分 子运动而产生的相互作用力称为内摩擦力。子运动而产生的相互作用力称为内摩擦力。 内摩擦力产生的条件：内摩擦力产生的条件：黏性内因速度差外因),(Tpf 液体液体 :)(Tf T 气体气体 : 一般一般)(Tf T 超高压超高压),(Tpf p 粘度的物理本质粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。2. 粘度的单位粘度的单位SI制：制：Pas 或或 N.s/m2 kg/(ms)物理制：物理制：cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP10

13、-3 Pas牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体，如水、空气粘性定律的流体，如水、空气非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体，如非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体，如 血液、牙膏血液、牙膏 流体的流变学流体的流变学3.3.运动粘度运动粘度 粘度粘度与密度与密度之比。之比。 m2/s数据获得数据获得： 查取：注意单位。共线图查取：注意单位。共线图 实验测定：？实验测定：？ 计算：主要用于混合液体。计算：主要用于混合液体。 三、理想流体与实际流体三、理想流体与实际流体 理想流体：理想流体：粘度为零粘度为零的流体；的流体；实际流体或

14、粘性流体：具有粘性的流体。实际流体或粘性流体：具有粘性的流体。00dydu实际流体的重要物理性质实际流体的重要物理性质1. 粘性2. 可压缩性3. 易流动性（在受到剪切力的作用下可产生形变）液体黏度共线图粘度的测量粘度的测量【例【例1-11-1】图】图1-21-2所示间距为所示间距为1 1m的两个平面间充满某种润滑油，的两个平面间充满某种润滑油，可看成牛顿型流体。要把一块面积为可看成牛顿型流体。要把一块面积为0.4m2的薄板以的薄板以2020mmin-1-1的速度在油中拖动，问需要多大的力？已知润滑油的粘度为的速度在油中拖动，问需要多大的力？已知润滑油的粘度为0.0063Pas。解解:1 = 0.0063 (20 60) 0.33 = 0.00636Pa 2 = 0.0