1、第一章 流体流动一、教学目的：通过本章学习，掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题:（1）掌握流体流动的计算原理：流速的选择，管径的计算，输送机械选型。（2）掌握管路系统的设计计算（3）流动参数的测量：压强（压力） 、流速（流量）等。二、教学内容：1、流体静力学基本方程的应用2、连续性方程、柏努力方程的物理意义、适用条件、应用柏努力方程解题的要点和注意事项。3、两种流型（层流和湍流）的本质区别，流动阻力的计算4、管路计算5、流量测量6、了解边界层的基本概念（边界层的形成和发展，边界层分离）及牛顿型流体和非牛顿型流体三、教学重点连续性方
2、程、柏努力方程的物理意义、适用条件及其应用；流动阻力的计算四、教学难点：柏努力方程的应用，复杂管路的计算五、教学方法及手段课堂教学与计算机模拟六、课时分配：流体静力学基本方程式 4 学时流体在管内的流动 4 学时流体流动现象 3 学时流动阻力 4 学时管路计算 2 学时流量测量 1 学时七、课外作业八、自学内容第一章 流体流动流体是液体与气体（含蒸汽）的统称，具有可流动性。化工过程中处理的物料以液体占多数，原来是固体的物料可能时亦制成溶液输送或处理，液体输送遂成为化工过程中最普遍的单元操作之一。流体是由流体质点构成的连续介质，流体质点是保持其宏观性能的最小流体单元，其尺寸远大于分子的平均自由程
3、同时又远小于设备尺寸，流体可以视为由无数彼此相连的流体质点组成的，是一种连续介质，流体的物理性质和运动参数也相应是连续分布的（流体满足连续介质假定） 。一流体的分类（1）按状态分：气体、液体、超临界流体。（2）按可压缩性分：不可压缩流体和可压缩流体。（3）按是否可忽略分子间作用力分：理想流体和实际流体。（4）按是否满足牛顿粘性定律分：牛顿型和非牛顿型流体。二流体特征1流动性（抗剪能力很小） ；2无固定形状，气体能充满整个密闭容器空间；3流动时产生内摩擦。三作用在流体上的力 外界作用于流体上的力有两种：质量力和表面力。1质量力（又称体积力）质量力作用于流体的每个质点上，并与流体的质量成正比，对于
4、均质流体也与流体的体积成正比。流体在重力场中受到重力、在离心力场中受到的离心力都是典型的质量力。2表面力（又称接触力或机械力）表面力与流体的表面积成正比。作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类，即垂直于表面的力（压力）和平行于表面的力（剪力或切力） 。静止流体只受到压力的作用，而流动流体则同时受到两类表面力的作用。11 流体的物理性质1、教学目的 回顾流体的性质，掌握牛顿粘性定律的表达式、适用条件；粘度的物理意义及不同单位之间的换算。 2、教学重点 掌握牛顿粘性定律及流体的粘度。3、教学难点 无111 流体的密度1、流体的密度单位体积流体的质量称为流体的密度，记为 ，单位 kg/m3理想气
5、体：pv=nRT=pM/RT混合气体： m= 1y1+ 2y2+ 3y3+ nyn（y:摩尔分率）以平均摩尔质量代替摩尔质量可用 =pM/RT 计算 m。混合液体：1/=a 1/ 1+a2/ 2+a3/ 3+an/ n(a:质量分率，假设液体混合后体积不变)2、比体积与相对密度1/ 称为比体积（比容） ，表示单位质量物质具有的体积，常以 v 表示。相对密度 d：指某物质的密度与 4水的密度之比。112 流体的粘度1、牛顿粘性定律（1）内摩擦力（又称为粘滞力或粘性摩擦力）实际流体在圆管内流动时，流速在管壁处为 0，沿半径向中心方向增大，在一定条件下可将管内流体看成是由无数极薄的流体圆筒（流体层）
6、组成的，内层速度较大，外层速度较小，内层流体对外层流体的流动起带动作用，外层对内层起拖曳作用，这种流体层间的相互作用形成了流体的内摩擦，流体流动时为克服这种内摩擦需消耗机械能。（2）牛顿粘性定律单位流体层所受的剪切应力与速度梯度间满足： FduAy 为剪应力； 为速度梯度，表示与流动方向垂直的方向的速度变化率； 2、流体的粘度（1）动力粘度 为流体的动力粘度，单位为 Pas，物理单位制单位为 g/(cms)，称为P（泊） ，其百分之一为厘泊 cp1Pas=10P=100cp 不管在静止还是在流动状态下，流体都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示出来，粘度是流体的运动属性。液体的粘度随温度升高而
7、减小，气体粘度随温度升高而增大。压强对粘度的影响很小（极高、极低压强除外）（2）运动粘度 =/ 运动粘度，单位为 m2/s，物理单位制单位为 cm2/s 称为斯托克斯，简称为沲（St） 。1St=100cSt=10 -4m2/s3、理想流体指粘度为零的流体，实际上不存在。113、非牛顿型流体简介不满足牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体，有宾汉塑性流体；假塑性流体；涨塑性流体等12 流体静力学基本方程式1、教学目的 通过学习掌握流体在重力场中的平衡规律（静止流体内部压强的变化规律）及其工程应用。 2、教学重点 学习本知识点要重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。应用流体静力学原理
8、解题的关键是正确选取等压面。3、教学难点 无流体静力学是研究流体在外力作用下处于静止或相对静止状态下的规律。在实际生产中，其应用面很广，如压强测量，液封高度的计算，贮槽内液面的测量等，都是以流体静力学方程式等为依据的。121、静止流体的压力垂直作用于流体单位面积上的压力称为流体的压强，以 p 表示，单位为Pa。俗称压力。在连续静止的流体内部，压强为位置的连续函数，任一点的压强与作用面垂直，且在各个方向都有相同的数值。各单位之间的换算关系：1atm=101.3kPa=10330kgf/m2=10.33mH2O=760mmHg近似将 1kgf/cm2作为 1 工程大气压，以 at 表示。1、以绝对
9、真空为基准以绝对真空为基准的压力实际数值称为绝对压强 简称绝压，是流体的真实压强。2、以大气压强为基准（1）表压从压力表上读得的压力值称为表压，压力表所显示的读数表示表内压力比表外大气压高出的值，若表内、外压力相等，则压力表的读数为 0。表压=绝压-大气压（2）真空度从真空表上读得的压力值称为真空度，真空表所显示的读数表示表内压力比表外大气压低多少真空度=大气压-绝压真空度越高，绝压越低。由于真空度按表压算是一负值，因此工业上亦将真空度称为负压。注意：用表压或真空度表示压力时，应分别注明以免混淆。如 200kPa（表压） ，700kPa（真空度） ，如大气压不是 1 标准大气压则也需注明。例：
10、多效蒸发器末效的绝压为 0.15105Pa，问在北京(大气压 1.0133105Pa)和兰州(大气压 0.853105Pa)操作时真空表上的读数各为若干。解：北京 真空度：1.013310 5-0.15105=0.8633105（真）兰州 真空度：0.85310 5-0.15105=0.703105（真）122 流体静力学基本方程1、静压力的特点静止流体内任一点的压力，称为该点流体的静压力，其特点为：(1)从各方向作用于某一点上的流体静压力相等；(2)若通过该点指定一作用平面，则压力的方向垂直于该面；(3)在重力场中同一水平面上各点的流体静压力相等，但随位置高低而变。2、流体静力学基本方程式考
11、虑高度 z 一流体微元 dxdydz，底面积 dxdy，高度 z 处压力为 p,密度 ，流体微元所受的力：向上作用于下底的总压力 pdxdy，向下作用于上底的总压力(p+dp)dxdy，向下作用的重力 gdxdydz，静止时三力之和为 0：p dxdy -(p+dp) dxdy-gdxdydz=0dp+gdz=0若 为常数，在 z=z1z 2,p=p1p 2间积分：p2=p1+g(z 1-z2)此即为流体静力学基本方程式，说明静止流体内压强变化的规律，p/ 和 gz 分别表示单位质量流体所具有的静压能和位能。在同一种静止流体中不同高度上的微元其静压能和位能各不相同，但其总势能保持不变。(1)液
12、面上所受的压力能以同样大小传递到液体内的任一点（巴斯噶原理） ；(2)静止的同一种连续液体内部某水平面上压强的大小只与所在的位置有关，因积分时 设为常数，且积分区间 z1z 2没有分段（即同种、连续、等高处静止流体的压强相等）(3)压强差可以用一定高度的液柱来表示，但需注明是何液体。例:求 2105Pa 的压差以水柱(1000kg/m 3)、汞柱(13600kg/m 3)及 CCl4柱(1594kg/m3)的高度。解：水柱高度:H=p/g=20.4mH 2O汞柱高度:H=p/g=1.50mHgCCl4柱高度:H=p/g=12.8mCCl 4注意：不同液体的液柱高度不能相加或相减。例、本题附图所
13、示的开口容器内盛有油和水。油层高度 h1=0.8m，密度 1=800kg/m3水层高度 h2=0.6m、密度 2=1000kg/m3。（1）判断 pA=pA,pB=pB是否成立（2）计算水在玻璃管内的高度 h解：（1）p A=pA成立。因 A 及 A两点在静止的连通着的同一种流体内，并在同一水平面上。所以截面 A-A称为等压面。pB=pB不成立。因 B 及 B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一流体，即截面 B-B不是等压面。（2）p A=pApA=pa+ 1gh1+ 2gh2pA=pa+ 2ghh=h2+ 1h1/ 2=0.6+8000.8/1000=1.24m123 流体静力
14、学基本方程在的应用1、压强与压强差的测定（1） 、U 型管压差计在一要 U 型玻璃管内装有指示液 A，A 与被测流体不互溶也不起化学作用，且 A Bpa=papa=p1+ Bg(m+R)pa=p2+ Bg(m+z)+ AgR导得:p 1-p2= Bgz+( A- B)gR（2） 、斜管压差计p 很小时，为减小读数误差，可选择 A- B很小的指示液也可采用斜管压差计和微差压差计。玻璃管斜放后，可使原来的读数放大:R/R=sin, 越小放大的倍数越大，但 太小，则由 引起的误差增大。（3） 、微差压差计（双液体 U 管压差计）p 很小时，为减小读数误差，可采用微差压差计和斜管压差计。U 管的两臂各
15、与起“水库”作用的扩张室相连，管内装两种互不相溶，不起化学作用的指示液 A 和 C，若 p1p 2，指示液 A 的读数 R，扩张室的指示液 C 高度变化很小，为 R利用流体静力学基本原理导得:p1-p2=( A- c)gR+( c- B)gR一般 R很小p1-p2=( A- c)gR适当的选择 A、C 两种指示液，使 A- c很小，读数 R 比普通 U 型管可放大若干倍。例:如图所示测压差装置，管内流水，连接管内充满了水，已知h1=1.2m，h 2=0.3m,h4=1.3m,h5=0.35m,计算 pa-pb（指示液为 Hg）解：p1=p1p2=p2p3=p3p1=pa+gh 1p1=p2+H
16、 gg(h1-h2)p3=p2+g(h 5-h2)p3=pb+gh 4+H gg(h5-h4)导得：p a-pb=( Hg-)g(h 1+h4-h2-h5)=2.29105Pa例、在本题附图所示的实验装置中，与异径水平管段两截面（1-1 、2-2 ）连一倒置 U 管压差计，压差计读数 R=200mm。试求两截面间的压强差。 （管内为水，U管内为空气）解： g与 ，根据流体静力学基本原理，截面 a-a为等压面，则 pa=pap1=pa+gMp2=pa+ gg R+ g(M-R)所以 p1- p2=（- g）g R由于 ，粗糙度对摩擦系数的影响与层流相近；若 b，凸起部分伸入湍流区与流体质点碰撞使湍动加剧，加大流体阻力，Re 越大，层流底越薄，这种影响愈显著。湍流时摩擦系数的量纲分析p f=f(d,l,u,)=Kd albuc j k q通过量纲分析得到（左右两边量纲相同）：p f/u 2=K（l/d） b(du/) -k(/d) q与范宁公式对比说明 是 Re 和 /d 的函数 =F(Re,/d)，2、磨擦系数的计算（1）层流时的磨擦系数p f=8lu/R 2=(l/d)(u 2/2)=64/Re此即为层流时 与 Re 的关系，层流区又称为阻力一次方区。（2）湍流时的摩擦系数
