第一章流體流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備

1、第一章第一章 流體流動(dòng)過(guò)程流體流動(dòng)過(guò)程第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式第三節(jié)第三節(jié) 流體流動(dòng)的基本方程式流體流動(dòng)的基本方程式第四節(jié)第四節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象第五節(jié)第五節(jié) 管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力第六節(jié)第六節(jié) 流量的測(cè)量流量的測(cè)量第七節(jié)第七節(jié) 流體輸送設(shè)備流體輸送設(shè)備質(zhì)質(zhì)量量傳傳遞遞熱熱量量傳傳遞遞動(dòng)動(dòng)量量傳傳遞遞三三傳傳本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1. 主要討論流體處于相對(duì)靜止和流動(dòng)過(guò)程的基本原理和基本規(guī)律：流體靜力學(xué)基本方程、連續(xù)性方程、機(jī)械能衡算方程、流動(dòng)阻力及能量損失的計(jì)算；2. 流體在輸送系統(tǒng)中壓強(qiáng)的變化與測(cè)量；3.

2、 輸送管路設(shè)計(jì)與所需功率的計(jì)算；4. 流量測(cè)量；5. 輸送設(shè)備的選型與操作；6. 根據(jù)流體流動(dòng)規(guī)律減小輸送能耗，強(qiáng)化化工設(shè)備中傳熱、傳質(zhì)過(guò)程等。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一一. 流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)模型流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)模型流體 氣體 液體 把流體視為由無(wú)數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒(méi)有間隙。這就是連續(xù)介質(zhì)模型。流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）：流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）： 宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒(méi)有維度的點(diǎn)； 同時(shí)微觀上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)u二二. 流體的特征流體的特征1 1易流動(dòng)性易流

3、動(dòng)性 當(dāng)流體受到外部切向力作用時(shí)，易于變形而產(chǎn)生流動(dòng)。2 2可壓縮性可壓縮性 流體在外部溫度和壓力作用下，流體分子間的距離會(huì)發(fā)生一定的改變，表現(xiàn)為流體密度大小的變化。工程上：流體 可壓縮流體 不可壓縮流體密度為常數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式一一. 流體的熱力學(xué)屬性流體的熱力學(xué)屬性二二. 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式三三. 流體靜力學(xué)基本方程式的討論流體靜力學(xué)基本方程式的討論四四. 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用一一. 流體的熱力學(xué)屬性流體的熱力學(xué)屬性1 1流體的密度流體的密度 流體的密度單位體積流體的質(zhì)量。用表示，屬于物性。 獲得方

4、法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊(cè)nnmwww 22111RTpMnn2211 m影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力（2）公式計(jì)算：液體混合物：氣體：-理想氣體狀態(tài)方程氣體混合物：2 2流體的壓強(qiáng)及其表示方法流體的壓強(qiáng)及其表示方法 流體的壓強(qiáng)流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。用p表示，工程上習(xí)慣稱之為壓力。-以 當(dāng) 地 大 氣 壓 為 基 準(zhǔn) （1）壓力單位SI 制中， N/m2 = Pa，稱為帕斯卡（2）壓力大小的兩種表征方法1 atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)1.013105 Pa 760 mmHg 10.33 mH2O表壓絕對(duì)壓力當(dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩犬?dāng)?shù)卮髿鈮航^對(duì)壓力絕對(duì)壓力表壓-以 絕

5、對(duì) 真 空 為 基 準(zhǔn) 二二. 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式流體所受到的力質(zhì)量力表面力如重力、離心力等，屬于非接觸性的力。法向力切向力 (剪力)(壓力)靜止流體所受到的力質(zhì)量力法向力- 單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng), 習(xí)慣上稱為靜壓力。- 重力場(chǎng)中單位質(zhì)量流體所受 質(zhì)量力,即為重力加速度。 圖2-2 靜力學(xué)基本 方程的推導(dǎo)p1p0p2Gz2z1Z0z0 如圖2-2所示：容器中盛有密度為的靜止液體?，F(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。若以容器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1和z2，以p1和p2分別表示高度為z1和z2處的壓力，液面上方的壓力為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) 當(dāng)液柱處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，說(shuō)明作用在此液柱上諸力的合力為零，即：p2A p1A gA (z1- z2)0化簡(jiǎn)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，則上式可寫為：p2 p0 g h (3)p2 p0 g=h(4)上述式子均稱為流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式。它反映了流體不受水平外力作用，只在重力重力作用下流體內(nèi)部壓力（壓強(qiáng)）壓力（壓強(qiáng)）的變化規(guī)律。1. 當(dāng)容器液面上方的壓力p0 一定一定時(shí)

7、，靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)壓力的大小，與液體本身的密度 和該點(diǎn)距液面的深度 h 有關(guān)。因此，在靜止的、連通的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上的各點(diǎn)的壓力都相等。此壓力相等的面，稱為等壓面。2. 當(dāng)p0 改變改變時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生同樣大小的改變 帕斯卡原理。3. 壓力或壓力差的大小可用液柱高度來(lái)表示。4. 將(2)式移項(xiàng)整理得：=z1z2 p1 g p2 g(5)或=z常數(shù) p g適用場(chǎng)合：絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮流體適用場(chǎng)合：絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮流體三三. 流體靜力學(xué)基本方程式的討論流體靜力學(xué)基本方程式的討論四四. 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用 1.

8、1. 壓力計(jì)壓力計(jì)(1)單管壓力計(jì)p a R A1 . p1 pa = p1 (表表) = g R (2)U形壓力計(jì)指示液 pa A 1 h R 2 3 0p1 = pa + 0 gR g h 2壓差計(jì)壓差計(jì)(1) U形管壓差計(jì) 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) 雙液柱壓差計(jì) 1 1略小于略小于 2 2 p1 p2 z1 1 z1 R 2 p1 R R 0 傾斜式壓差計(jì)傾斜式壓差計(jì) p2 讀數(shù)放大 p1 - p2

9、 = ( 2 - 1) g R第三節(jié)第三節(jié) 流體流動(dòng)的基本方程式流體流動(dòng)的基本方程式一一. 流體的流動(dòng)屬性流體的流動(dòng)屬性二二. 連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式三三. 伯努利方程式伯努利方程式四四. 伯努利方程式的應(yīng)用伯努利方程式的應(yīng)用一一. 流體的流動(dòng)屬性流體的流動(dòng)屬性1 1流量和流速流量和流速 流量流量體積流量體積流量qVVtm3/s質(zhì)量流量質(zhì)量流量mqmtkg/sqm qV流速流速體積流速體積流速uqVA質(zhì)量流速質(zhì)量流速qmw A平均流速平均流速m/skg/(m2 s) w uqm w A u A2 2流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) (1) 穩(wěn)定流動(dòng) 流體流動(dòng)過(guò)程中，任一截面上與流動(dòng)相關(guān)的物理量

10、(流速、壓強(qiáng)、密度等) 不隨時(shí)間變化的流動(dòng)。(2) 不穩(wěn)定流動(dòng) 在流動(dòng)過(guò)程中，流體在任一截面上的物理量隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。 控制體 2 1 1 2 二二. 連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式 圖2-3 簡(jiǎn)單控制體積中的質(zhì)量守恒 流體流動(dòng)過(guò)程中 涉及三大守恒定律：質(zhì)量守恒動(dòng)量守恒能量守恒 質(zhì)量衡算衡算范圍劃定體積/控制體積/控制體對(duì)于在控制體內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的流體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律有：qm1 qm2 常數(shù) 1 u1 A1 2 u2 A2 常數(shù) (3-20)連續(xù)性方程式連續(xù)性方程式u1 A1 u2 A2不可壓縮流體：或= u1 u2 A2 A1思考：思考： 如果管道有分支，則穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的連續(xù)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 換換熱熱器器 2 z2 流流體體入入 1 泵泵 z1 1 He 1 流流體體出出 傳熱速率傳熱速率Qe ， 能量能量：運(yùn)動(dòng)著的流體涉及的能量形式有運(yùn)動(dòng)著的流體涉及的能量形式有內(nèi)能內(nèi)能、位能、動(dòng)能、靜壓能、位能、動(dòng)能、靜壓能、 熱、熱、 功功u2/2， J/kggz ，J/kg功率功率We，He取決于溫取決于溫度，度，U，J/kg圖2-4 控制體的能量衡算p/ ， J/kg.能量衡算式靜壓能的概念：靜壓能的概念： 在靜止和流動(dòng)流體內(nèi)部都存在著靜壓強(qiáng)，因此，系統(tǒng)的任一截面上都具有壓力

12、。當(dāng)流體要通過(guò)某一截面進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，必須要對(duì)流體做功，才能克服該截面的壓力，把流體壓入系統(tǒng)內(nèi)。這樣通過(guò)該截面的流體便帶著與此功相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)入系統(tǒng)，流體所具有的這種能量稱為靜壓能。靜壓能的計(jì)算式：靜壓能的計(jì)算式：設(shè)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體體積為1/ ,流體通過(guò)管道某截面所受壓力FpA。則：流體通過(guò)該截面所走的距離： 1= Al流體具有的靜壓能： 靜壓能F l p / 流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算：流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算：假設(shè)：T、U、 不變輸入能量輸入能量U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ 1 + Qe +We輸出能量輸出能量U2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2由能量守恒定律：由

13、能量守恒定律： 輸入能量輸入能量 輸出能量輸出能量U1 + g1Z1 + u12/ 2 + p1/ 1 + Qe +WeU2 + g2Z2 + u22/ 2 + p2/ 2總能量衡算式：總能量衡算式：(J/kg)1.理想流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算理想流體：理想流體：a. 流體在流動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦，無(wú)能量損失流體在流動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦，無(wú)能量損失b. 不可壓縮流體不可壓縮流體Qe0、We0 gZ1 + u12/ 2 + p1/ gZ2 + u22/ 2 + p2/ 常數(shù)常數(shù)理想流體伯努利方程式：理想流體伯努利方程式：流體的機(jī)械能流體的機(jī)械能(2-27)2.實(shí)際流體流動(dòng)過(guò)程的能量衡算假設(shè)：T、U、 不變Qe0能量損

14、失： Wf (J/kg)由摩擦阻力引起能量補(bǔ)充： We (J/kg)由流體輸送設(shè)備提供 gZ1 + u12/ 2 + p1/ We gZ2 + u22/ 2 + p2/ Wf實(shí)際流體伯努利方程式：實(shí)際流體伯努利方程式：對(duì)實(shí)際流體的能量衡算：fewpugzwpugz2222121122Wf稱為摩擦損失，永遠(yuǎn)為正，單位 J/kg 總機(jī)械能 Et 機(jī)械能衡算方程機(jī)械能衡算方程（柏努利方程（柏努利方程）每一項(xiàng)單位均為 J/kg fehgpguzHgpguz2222121122每一項(xiàng)單位均為 m外加壓頭外加壓頭靜壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭動(dòng)壓頭位壓頭位壓頭壓頭損失壓頭損失或?qū)懗桑夯驅(qū)懗桑?fewpugzwpugz2222121122(2)對(duì)靜止流體(3)若流動(dòng)系統(tǒng)無(wú)外加軸功，即 we=0，則 fwEtEt 21由于由于 wf0，故，故 Et1 Et2這這說(shuō)說(shuō)明明流流體體能能自自動(dòng)動(dòng)從從高高（機(jī)機(jī)械械能能）能能位位流流向向低低（機(jī)機(jī)械械能能）能能位位機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）討論：機(jī)械能衡算方程（柏努利方程）討論： (1) 適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫流動(dòng) 2211pgzpgz -靜力學(xué)方程 Q 2 換換熱熱器器 2 z2