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化工原理课件_天大版

第一章流体流动•学习指导•一、基本要求:•了解流体流动的基本规律,要求熟练掌握流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用,并在此基础上解决流体输送的管路计算问题。

•二、掌握的内容•流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取;•压强的定义、表示法及单位换算;•流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用;•流动型态及其判断,雷诺准数的物理意义及计算;•流动阻力产生的原因,流体在管内流动时流动阻力(直管阻力和局部阻力)的计算;•简单管路的设计计算及输送能力的核算;•管路中流体的压力、流速及流量的测量:液柱压差计、测速管(毕托管)、孔板流量计、转子流量计的工作原理、基本结构及计算;•因次分析法的原理、依据、结果及应用。

•3、了解的内容•牛顿型流体与非牛顿型流体;•层流内层与边界层,边界层的分离。

第一节流体的重要性质• 1.1.1连续介质假定把流体视为由无数个流体微团(或流体质点)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):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⎩⎨⎧液体气体流体密度——单位体积流体的质量。

Vm =ρkg/m31.单组分密度),(T p f =ρ液体密度仅随温度变化(极高压力除外),其变化关系可从手册中查得。

1.1.2 流体的密度气体当压力不太高、温度不太低时,可按理想气体状态方程计算:RTpM =ρ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。

2.混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变,则有nn 2111m φρφρφρρ+++= ——气体混合物中各组分的体积分数。

n 21,φφφ 或RTpM mm =ρmM ——混合气体的平均摩尔质量;nn 2211m y M y M y M M +++= n 21,y y y ——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。

混合液体假设各组分在混合前后体积不变,则有nn 2211m 1ρωρωρωρ+++= n 21,ωωω ——液体混合物中各组分的质量分数。

比容——单位质量流体具有的体积,是密度的倒数。

ρ1==m V v m 3/kg比重(相对密度):某物质的密度与4℃下的水的密度的比值,用d 表示。

,4水C d ︒=ρρ34/1000mkg C =︒水ρ1.1.3流体的可压缩性与不可压缩流体•一、液体的可压缩性β——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。

dp d dp d ρρννβ11=-=二、不可压缩流体密度为常数的流体。

三、流体的流动性——流体不能承受拉力1.1.4流体的黏性•一、牛顿黏性定律流体的内摩擦力:运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力。

又称为粘滞力或粘性摩擦力。

——流体阻力产生的依据Ayu F x∆∆∝Ayu F x∆∆=μ对许多种流体,当流动是层状流(如流动较慢)时,力F 与△u 、面积A 成正比,与△y 成反比,如加一比例系数μ,则可表示为:dy du μτ=——牛顿粘性定律式中:速度梯度:μ比例系数,它的值随流体的不同而不同,流体的粘性愈大,其值愈大,称为粘性系数或动力粘度,简称粘度。

剪应力:单位面积上的内摩擦力,以τ表示。

A F =τ适用于u 与y 成直线关系y u x ∆∆=μ当取极限,即△y →0时,有:二、流体的黏度•1)物理意义dy duτμ=:促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

粘度总是与速度梯度相联系,只有在运动时才显现出来2)粘度与温度、压强的关系a) 液体的粘度随温度升高而减小,压强变化时,液体的粘度基本不变。

b)气体的粘度随温度升高而增大,随压强增加而增加的很少。

3)粘度的单位在SI 制中:[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=dy du /τμm s m m N )/(/2=2.m S N =S Pa .=在物理单位制中,[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=dy du /τμcms cm cm dyn 2/=2.cm s dyn =s cm g .=泊)(P =PCP s Pa 1010001==⋅SI 单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为:4) 混合物的粘度对常压气体混合物:∑∑=2121i i i i i m M y M u y μ对于分子不缔合的液体混合物:∑=ii m u x lg lg μ5)运动粘度ρμ=v 单位:SI 制:m 2/s ;物理单位制:cm 2/s ,用St 表示。

s m cSt St /10100124-==三、理想流体与黏性流体•黏性流体(实际流体):具有粘性的流体;•理想流体:完全没有黏性(μ=0)的流体。

(是假设存在的)1.2流体静力学••本节重点:静力学基本方程式及其应用。

•难点:U形压差计的测量。

1.2.1流体的受力dA dF t =1τVg F g ρ=⎩⎨⎧表面力体积力流体所受的力⎩⎨⎧切向力法向力如重力、离心力等,属于非接触性的力。

体积力(质量力):与流体的质量成正比;表面力(机械力):与力作用的面积成正比。

如重力:切向应力:切向应力:dAdF n n =τ压力:流体垂直作用于单位面积上的力,称为流体的静压强,习惯上又称为压力。

1.压力的单位SI 制:N/m 2或Pa ;或以流体柱高度表示:ghp ρ=其它常用单位有:atm (标准大气压)、工程大气压kgf/cm2、bar ;流体柱高度(mmH2O ,mmHg 等)。

注意:用液柱高度表示压力时,必须指明流体的种类,如600mmHg ,10mH 2O 等。

1.2.2 静止流体的压力特性2.压力的表示方法绝对压力:以绝对真空为基准测得的压力。

表压或真空度:以大气压为基准测得的压力。

表压=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力表压=-真空度Pa bar O mH mmHg cm kgf atm 522100133.10133.133.10 760/033.11 ⨯=====换算关系为:Pa bar O mH mmHg cm kgf 42210807.99807.010 6.735/11 ⨯=====工程大气压3)真空度:真空表的读数真空度=大气压强-绝对压强=-表压绝对压强、真空度、表压强的关系为绝对零压线大气压强线A 绝对压强表压强B 绝对压强真空度当用表压或真空度来表示压强时,应分别注明。

如:4×103Pa (真空度)、200KPa (表压)。

zp+(y x pp+(∂p/∂x)dx pp+(∂p/∂y)dy pp+(∂p/∂z)dz作x 方向力的平衡,有:dxdydz g x ρpdydz +0)(=∂∂+-dydz dx x pp 0=∂∂-xpg x ρ同理,有:0=∂∂-ypg y ρ 0=∂∂-zpg z ρ0=-p ∇B M Fρ哈密顿算子zy x ∂∂+∂∂+∂∂=kj i ∇1.2.3流体静力学基本方程------流体静力学微分方程式(或称为欧拉方程)•欧拉方程推论:•由方程知p 不是x ,y (水平方向)的函数,仅与垂直坐标z 有关。

因此,当流体不可压缩(ρ=常数)时,欧拉方程积分可得:常数=+gz pρ(1-11)通常液体视为ρ=0,在静止液体内部的不同高度处任取两平面z 1和z 2,设两平面的压力分别为p 1和p 2。

+p 1Z 0Z 2Z 1d Z p p+d p GAP 1P 2对d Z 段,由于流体静止,有:=∑F 0)d (=-+-gAdZ A p p pA ρ0d d =+Z g pρ对不可压缩流体,ρ=const常数ρ=+gZ p流体静力学方程2211gZ p gZ p +=+ρρ)(2112Z Z g p p -+=ρ对平面1-1和2-2处,则有假设z 1取在液面上,并设对应压力为p 0,则有p=p 0+ρgh表明在重力作用下,静止液体内部压强的变化规律。

2、方程的讨论•1)液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的,即:()hPfP,=2)当容器液面上方压强P一定时,静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关,即:hP∝处于同一水平面上各点的压强相等。

3)当液面上方的压强改变时,液体内部的压强也随之改变,即:液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。

4)从流体静力学的推导可以看出,它们只能用于静止的连通着的同一种流体的内部,对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系。

5)gh P P ρ+=0可以改写成h gP P =-ρ0压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示,这就是液体压强计的根据,在使用液柱高度来表示压强或压强差时,需指明何种液体。

6)方程是以不可压缩流体推导出来的,对于可压缩性的气体,只适用于压强变化不大的情况。

例:图中开口的容器内盛有油和水,油层高度h 1=0.7m, 密度31/800m kg =ρ,水层高度h 2=0.6m ,密度为32/1000mkg =ρ1)判断下列两关系是否成立P A =P A ’,P B =P ’B 。

2)计算玻璃管内水的高度h 。

解:(1)判断题给两关系是否成立∵A ,A ’在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上'AA P P =∴因B ,B ’虽在同一水平面上,但不是连通着的同一种液体,即截面B-B ’不是等压面,故不成立。

'B B P P =(2)计算水在玻璃管内的高度h'AA P P = P A 和P A ’又分别可用流体静力学方程表示设大气压为P a21gh gh P P a A 水油ρρ++=aA P gh P +=水ρ''AA P P = ghP gh gh P a a 水水油ρρρ+=++∴21 h10006.010007.0800=⨯+⨯mh 16.1=1.2.4流体静力学方程的应用一、压力与压力差的测量1.U 型管压差计ba P P = 根据流体静力学方程()R m g P P B a ++=ρ1gRm z g P P A B b ρρ+++=)(2())( 21gR m z g P R m g P A B B ρρρ+++=++∴()gz 21A B A gR P P ρρρ+-=-当被测的流体为气体时,可忽略,则B ρB A ρρ>>,——两点间压差计算公式gRP P A ρ≈-21若U 型管的一端与被测流体相连接,另一端与大气相通,那么读数R 就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差,也就是被测流体的表压。

当P 1-P 2值较小时,R 值也较小,若希望读数R 清晰,可采取三种措施:两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U 型管压差计、采用微差压差计。

当管子平放时:()gRP P B A ρρ-=-212.倾斜U 型管压差计假设垂直方向上的高度为R m ,读数为R 1,与水平倾斜角度αmR R =∴αsin 1αsin 1m R R =2)微差压差计U 型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室,其内径与U 型管的内径之比>10,装入两种密度接近且互不相溶的指示液A 和C ,且指示液C 与被测流体B 亦不互溶,ρA >ρC 。

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