第一章流体流动过程及流体输送设备

1、第一章第一章 流体流动过程流体流动过程第一节第一节 概述概述第二节第二节 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式第三节第三节 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式第四节第四节 管内流体流动现象管内流体流动现象第五节第五节 管内流体流动的阻力管内流体流动的阻力第六节第六节 流量的测量流量的测量第七节第七节 流体输送设备流体输送设备质质量量传传递递热热量量传传递递动动量量传传递递三三传传本章主要内容：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.

2、 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。第一节第一节 概述概述一一. 流体质点与连续介质模型流体质点与连续介质模型流体 气体 液体 把流体视为由无数个流体微团（或流体流体微团（或流体质点）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）：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u二二. 流体的特征流体的特征1 1易流动性易流

3、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 2可压缩性可压缩性 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第二节 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一一. 流体的热力学属性流体的热力学属性二二. 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式三三. 流体静力学基本方程式的讨论流体静力学基本方程式的讨论四四. 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用一一. 流体的热力学属性流体的热力学属性1 1流体的密度流体的密度 流体的密度单位体积流体的质量。用表示，属于物性。 获得方

4、法：（1）查物性数据手册nnmwww 22111RTpMnn2211 m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 2流体的压强及其表示方法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。-以 当 地 大 气 压 为 基 准 （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绝对压力表压-以 绝

5、对 真 空 为 基 准 二二. 流体静力学基本方程式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

6、。分析垂直方向上分析垂直方向上液柱的受力：液柱的受力：向上：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 p1 g=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 p0 g=h(4)上述式子均称为流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式。它反映了流体不受水平外力作用，只在重力重力作用下流体内部压力（压强）压力（压强）的变化规律。1. 当容器液面上方的压力p0 一定一定时

7、，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 p1 g p2 g(5)或=z常数 p g适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体三三. 流体静力学基本方程式的讨论流体静力学基本方程式的讨论四四. 流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用 1.

8、1. 压力计压力计(1)单管压力计p a R A1 . p1 pa = p1 (表表) = g R (2)U形压力计指示液 pa A 1 h R 2 3 0p1 = pa + 0 gR g h 2压差计压差计(1) U形管压差计 2 1 z2 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 1略小于略小于 2 2 p1 p2 z1 1 z1 R 2 p1 R R 0 倾斜式压差计倾斜式压差计 p2 读数放大 p1 - p2

9、 = ( 2 - 1) g R第三节第三节 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式一一. 流体的流动属性流体的流动属性二二. 连续性方程式连续性方程式三三. 伯努利方程式伯努利方程式四四. 伯努利方程式的应用伯努利方程式的应用一一. 流体的流动属性流体的流动属性1 1流量和流速流量和流速 流量流量体积流量体积流量qVVtm3/s质量流量质量流量mqmtkg/sqm qV流速流速体积流速体积流速uqVA质量流速质量流速qmw A平均流速平均流速m/skg/(m2 s) w uqm w A u A2 2流体的运动状态流体的运动状态 (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

10、(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。 控制体 2 1 1 2 二二. 连续性方程式连续性方程式 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)连续性方程式连续性方程式u1 A1 u2 A2不可压缩流体：或= u1 u2 A2 A1思考：思考： 如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？ qm

11、 1 qm qm 2 qm qm1 qm2u A u1 A1 u2 A2三三. 伯努利方程式伯努利方程式 Qe 2 换换热热器器 2 z2 流流体体入入 1 泵泵 z1 1 He 1 流流体体出出 传热速率传热速率Qe ， 能量能量：运动着的流体涉及的能量形式有运动着的流体涉及的能量形式有内能内能、位能、动能、静压能、位能、动能、静压能、 热、热、 功功u2/2， J/kggz ，J/kg功率功率We，He取决于温取决于温度，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：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

12、。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：静压能的计算式：设：单位质量流体体积为1/ ,流体通过管道某截面所受压力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：流体稳定流动时的能量衡算：假设：T、U、 不变输入能量输入能量U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ 1 + Qe +We输出能量输出能量U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2由能量守恒定律：由

13、能量守恒定律： 输入能量输入能量 输出能量输出能量U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ 1 + Qe +WeU2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2总能量衡算式：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：理想流体：a. 流体在流动时无摩擦，无能量损失流体在流动时无摩擦，无能量损失b. 不可压缩流体不可压缩流体Qe0、We0 gZ1 + u12/ 2 + p1/ gZ2 + u22/ 2 + p2/ 常数常数理想流体伯努利方程式：理想流体伯努利方程式：流体的机械能流体的机械能(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

14、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：实际流体伯努利方程式：对实际流体的能量衡算：fewpugzwpugz2222121122Wf称为摩擦损失，永远为正，单位 J/kg 总机械能 Et 机械能衡算方程机械能衡算方程（柏努利方程（柏努利方程）每一项单位均为 J/kg fehgpguzHgpguz2222121122每一项单位均为 m外加压头外加压头静压头静压头动压头动压头位压头位压头压头损失压头损失或写成：或写成： fewpugzwpugz2222121122(2)对静止流体(3)若流动系统无外加轴功，即 we=0，则 fwEtEt 21由于由于 wf0，故，故 Et1 Et2这这说说明明流流体体能能自自动动从从高高（机机械械能能）能能位位流流向向低低（机机械械能能）能能位位机械能衡算方程（柏努利方程）讨论：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 2211pgzpgz -静力学方程 Q 2 换换热热器器 2 z2