1、第一章 流体力学基础(流体流动与流体输送设备 )（第一章、第二章）内容提要 1. 流体静力学2. 流体动力学（柏努利方程） 3. 流体在管内的流动（连续性方程）4. 流体的流动现象、流动阻力及管路计算 5. 流量测量6. 流体输送设备及原理q掌握连续性方程和能量方程 q掌握管路的计算方法q熟悉泵的工作原理，掌握泵的设计选性及性能的计算方法要求流体的特征 ： 具有流动性。即 q抗剪和抗张的能力很小； q无固定形状，随容器的形状而变化； q在外力作用下其内部发生相对运动 。流体 : 液体和气体统称为流体。第一节 概 述在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。流体的输送： 根据生产要求，往往要将
2、这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成 流体输送 的任务，实现生产的连续化 。压强、流速和流量的测量： 以便更好的掌握生产状况。为强化设备提供适宜的流动条件： 除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。流体的研究意义在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的 连续介质 。流体微团或流体质点 ： 它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数（如压力、温度），从而使我们可以观察这些参
3、数的变化情况。连续性的假设 流体介质是由连续的质点组成的； 质点运动过程是连续性的。流体的研究方法不可压缩流体： 流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。实际 上流体都是可 压缩 的， 而 一般把液体当作不可 压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。 可压缩流体： 流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。流体的可压缩性与不可压缩性流体静力学 是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。作用在流体上的力有 质量力 和 表面力 。q质量力 ：作用于流体每个质点上的力，与流体的质量成正比，如：重力和离心力。q表面力
4、：作用于流体质点表面的力，其大小与表面积成正比，如：压力和剪力 。第二节 流体静力学单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为（ 1-1）式中 流体的密度， kg/m3；m 流体的质量， kg；V 流体的体积， m3。不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力 p和温度 T的函数，可用下式表示 ： f（ p， T） （ 1-2） 1 流体的物理特性1.1 密度 液体的密度 随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。 气体的密度 随压力和温度的变化较大。 式中 p 气体的压力， kN/m2或 kPa；T 气体的绝对温度， K；M 气体的分子量， kg/kmol
5、；R 通用气体常数， 8.314kJ/kmolK。(1-3)当 压 力不太高、温度不太低 时 ，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：上式中的 0 M/22.4kg/m3为标准状态（即 T0=273K及p0=101.3kPa） 下气体的密度。气体密度也可按下式计算(1-4)在气体 压 力 较 高、温度 较 低 时 ，气体的密度需要采用真 实气体状态方程式计算。气体混合物 : 当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式 (1-3)计算气体的密度。 气体混合物分子量由下式计算： 气体混合物的组成通常以 体积分率 表示。 对于理想气体， 体积分率 与 摩尔分率 、 压力分率 是相等的 。
6、 Mm M y1 + M2y2 + + Mnyn (1-6) 式中 ： M 、 M2、 Mn 气体混合物各组分的分子量；y1 、 y2 、 yn 气体混合物各组分的摩尔分率。液体混合物 : 液体混合时，体积往往有所改变。若混合前后体积不变，则 1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度 m。式中 1、 2、 ， n 液体混合物中各组分的质量分率；1、 2、 ， n 液体混合物中各组分的密度， kg/m3；m 液体混合物的平均密度， kg/m3。单位质量流体的体积，称为流体的 比容 ，用符号 v表示，单位为 m3/kg， 则亦即流体的比容是密度的倒数。1.2
7、比容 v例 1-1 已知硫酸与水的密度分别为 1830kg/m3与998kg/m3， 试求含硫酸为 60%( 质量 )的硫酸水溶液的密度。解：应用混合液体密度公式，则有例 1-2 已知干空气的组成为： O2 21% 、 N2 78% 和 Ar 1%( 均为体积 %) 。试求干空气在压力为 9.81104Pa、 温度为 100 时的密度。解： 首先将摄氏度换算成开尔文：100 273+100=373K 求干空气的平均分子量： Mm M y1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96气体的平均密度为：垂直作用于流体单位面积上的力，称为
8、 流体的压强 ，简称压强。习惯上称为 压力 。作用于整个面上的力称为总压力。在 静止流体 中，从各方向作用于某一点的 压力大小均相等 。压力的单位 :v 帕斯卡 , Pa, N/m2 (法定单位 );v 标准大气压 , atm; v 某流体在柱高度 ; v bar（ 巴）或 kgf/cm2等。1.3 压力1标准大气压 (atm)=101300Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2(bar, 巴 ) =10.33mH2O =760mmHg换算关系：压力可以有不同的计量基准 :p 绝对压力 （ absolute pressure） ： 以绝对真空 (即零大气压 )为基准。p表压
9、 (gauge pressure)： 以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示：表压绝对压力大气压力p 真空度 （ vacuum）： 当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值，即：真空度大气压力绝对压力注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。图 1-1 绝对压力、表压和真空度的关系 （ a） 测定压力 大气压（ b） 测定压力 大气压绝对压力测定压力表压大气压当时当地大气压 （表压为零）绝对压力为零真空度绝对压力测定压力（ a） （ b）流体静力学基本方程式是用于描述静止流体内部的压力沿着高度变化的数学表达式。对于不可压缩流体，密
10、度不随压力变化，其静力学基本方程可用下述方法推导。2 流体静力学基本方程式在垂直方向上作用于液柱的力有：1. 下底面所受之向上总压力为 p2A；2. 上底面所受之向下总压力为 p1A；3. 整个液柱之重力 G gA(Z1-Z2)。现从静止液体中任意划出一垂直液柱，如图 所示。液柱的横截面积为 A， 液体密度为 ， 若以容器器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为 Z1和 Z2， 以p1与 p2分别表示高度为 Z1及 Z2处的压力。 p0p1p2Gz2z1上两式即为 液体静力学基本方程式 .p2 p1 g(Z1-Z2) 如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为 p
11、0， 液柱 Z1-Z2 h， 则上式可改写为 在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：p2A p1A gA(Z1-Z2) 0p2 p0 gh p p0 gh 由上式可知： 当液面上方的压力一定时，在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有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为 等压面 。 当液面的上方压力 p0有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。hgpp =-r 0 p p0 gh可改写为 由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。或上式中各项的单位均为 m。静力学基本方程式中各项的意义
12、：将 p2 p1 g(Z1-Z2) 两边除以 g并加以整理可得：上式两边除以 并加以整理可得：液体静力学基本方程式（重要形式） 动力学位压头 （ potential tential head） ： 静压头 (static head)： 式中的第二项 p/g 称为静压头，又称为单位质量流体的 静压能 (pressure energy)。第一项 Z为流体距基准面的高度，称为位压头。若把重量mg的流体从基准面移到高度 Z后，该流体所具有的位能为 mgZ。 单位质量流体的位能，则为 mgz/mg=z 。 即上式中 Z（ 位压头）是表示单位重量的流体从基准面算起的 位能 (potential energ
13、y)。如图所示：密闭容器，内盛有液体，液面上方压力为 p。图 1-2 静压能的意义 ，静压头的意义：说明 Z1处的液体对于大气压力来说，具有上升一定高度的能力。位压头（能）静压头（能）常数 也 可将上述方程 各项均乘以 g， 可得 注：指示剂的选择指示液密度 0， 被测流体密度为 ， 图中 a、 b两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体（指示液）的同一水平面上。通过这个关系，便可求出 p1 p2的值。3 流体静力学基本方程式的应用一、压力测量1 U型管液柱压差计 （ U-tube manometer）0根据流体静力学基本方程式则有：U型管右侧 pa p1+ g (m+R)U型管左侧 pb p2+ g m+0g Rpa pbp1 p2 R（ 0 ） g 测量气体时，由于气体的 密度比指示液的密度 0小得多，故 0 0， 上式可简化为p1 p2 R0g0PaPb下图所示是倒 U型管压差计。该压差计是利用被测量液体本身作为指示液。压力差 p1 p2可根据液柱高度差 R进行计算。
