第一章流體流動1

1.流體流動主要內(nèi)容：討論黏性流體流動的基本原理，并運用這些原理分析和計算流體的輸運問題。1.1流體性質(zhì)1.2流體靜力學(xué)1.3流體流動概述及基本方程1.4動量傳遞現(xiàn)象1.5流體在管內(nèi)流動的阻力1.6流體輸運管路的計算1.7流量的測量1.8非牛頓流體的流動1.流體流動研究對象在航空、航天、航海，石油、化工、能源、環(huán)境、材料、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域，尤其是化工、石油、制藥、生物、食品、輕工、材料等許多生產(chǎn)領(lǐng)域以及環(huán)境保護和市政工程等，涉及的對象多為流體。

氣體和液體統(tǒng)稱為流體?；どa(chǎn)中的大部分物料為流體。1.1流體性質(zhì)包括：連續(xù)介質(zhì)假定密度壓縮性黏度1.1流體性質(zhì)(1)連續(xù)介質(zhì)假定流體質(zhì)點（V’）流體分子自由程<<流體質(zhì)點尺寸<<設(shè)備大小流體質(zhì)點是研究流體運動規(guī)律的考察對象連續(xù)介質(zhì)假定：假設(shè)流體是由大量質(zhì)點組成的彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。1.1流體性質(zhì)質(zhì)點密度kg/m3（SI制）定義：單位體積的流體所具有的質(zhì)量。

(2)密度液體密度氣體密度1.1流體性質(zhì)理想氣體的密度：標準狀態(tài)（1atm，0℃）下每kmol氣體的體積為22.4m3，則其密度為：

注：以上3式只適用于理想氣體。氣體混合物：體積分率，理想氣體混合物中其值與摩爾分率x相等液體混合物：質(zhì)量分率比容：單位質(zhì)量物體的體積kg/m3記：常溫下水的密度1000kg/m3,標態(tài)下空氣密度1.293kg/m3比重：某物質(zhì)的密度對水（標態(tài)下空氣）的密度之比d：1.1流體性質(zhì)混合物密度的確定原則液體混合物：按理想溶液各組分混合前后體積不變。1.1流體性質(zhì)1.1流體性質(zhì)(3)壓縮性不可壓縮流體：壓力改變時其密度隨壓力改變很小的流體?？蓧嚎s流體：壓力改變時其密度隨壓力改變有顯著變化的流體液體：ρ=f(T

)不可壓縮流體氣體：ρ=f(T

，p)可壓縮流體注：若在輸送過程中壓力改變不大，氣體也可按不可壓縮流體來處理。1.1流體性質(zhì)(4)黏度(1)牛頓黏性定律

黏性：流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。流體不管在靜止還是在流動狀態(tài)下，都具有黏性，但只有在流體流動時才能顯示出來。用黏度度量。

流體的內(nèi)摩擦力：運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運動而產(chǎn)生的相互作用力。它是流體黏性的表現(xiàn)，又稱為黏滯力或黏性摩擦力。流體流動時的內(nèi)摩擦是流動阻力產(chǎn)生的原因。

1.1.1牛頓黏性定律與黏度1.1.1牛頓黏性定律與黏度流體在圓管內(nèi)的分層流動示意圖平板間流體速度變化或牛頓黏性定律式中稱為黏滯系數(shù)或動力黏度，簡稱為黏度。其值隨流體不同而異，是流體的一種物理性質(zhì)。(2)黏度①動力黏度（簡稱黏度）

定義式：物理意義：

——

促使流體流動時產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。黏度的單位：

國際單位制：Pa·s

物理單位制：g/(cm·s)，稱為P（泊）

1cP=0.01P=0.001Pa·s1.1.1牛頓黏性定律與黏度黏度數(shù)據(jù)的獲得：查表；估算影響?zhàn)ざ鹊囊蛩兀吼ざ葹槲镄猿?shù)之一，隨物質(zhì)種類和狀態(tài)而變。同一溫度下，液態(tài)黏度比氣態(tài)黏度大得多。液體黏度隨溫度升高而減小，氣體的黏度隨溫度升高而增大。工程中一般忽略壓強對黏度的影響。(2)黏度

①動力黏度（簡稱黏度）

1.1.1牛頓黏性定律與黏度②

運動黏度定義式：(2)黏度單位：國際單位制中其單位為m2/s；物理單位制中為cm2/s，稱為斯托克斯，簡稱沲，以St表示。

1St=100cSt=10-4m2/s1.1.1牛頓黏性定律與黏度SI制記：cgs制工程制

1kgf?s/m2=9810cP粘度的單位

1.1.1牛頓黏性定律與黏度

根據(jù)流變特性，流體分為牛頓型與非牛頓型。

服從牛頓黏性定律的流體稱為牛頓型流體，如氣體和大多數(shù)液體。凡不遵循牛頓黏性定律的流體，稱為非牛頓型流體，如泥漿、某些高分子溶液、懸浮液等。(3)非牛頓型流體1.1.1牛頓黏性定律與黏度非牛頓流體（Non-Newtonianfluid）非牛頓流體（Non-Newtonianfluid）1.2流體靜力學(xué)主要內(nèi)容：研究的目的：了解流體在重力和壓力下的平衡規(guī)律，討論靜止流體內(nèi)部壓力的變化規(guī)律流體的受力靜止流體的壓力特性流體靜力學(xué)方程流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用1.2.1流體的受力(1)體積力（又稱質(zhì)量力）場力或體積力（質(zhì)量力）：非接觸力，大小與流體的質(zhì)量成正比，例如：重力，離心力，電磁力等處于重力場中的流體，無論運動與否都受到力的作用。重力場——重力加速度離心力場——離心加速度

1.2.1流體的受力(2)表面力表面力：接觸力，大小與和流體相接觸的物體（包括流體本身）的表面（或假想表面）積成正比，例如：壓強和應(yīng)力正應(yīng)力：與壓縮（或擴張）形變相對應(yīng)的應(yīng)力，方向與作用面相垂直。剪應(yīng)力：與剪切形變相對應(yīng)的應(yīng)力，方向與作用面相平行。表面張力：存在于不同流體的相鄰界面，使液體表面具有收縮的趨勢。其大小用表面張力系數(shù)來表示，其單位為N/m。其大小對于流體的分散和多相流動與傳熱傳質(zhì)有重要影響。1.2.2靜止流體的壓力特定(1)壓力的定義和單位流體的壓力（p）是流體垂直作用于單位面積上的力，嚴格地說應(yīng)該稱壓強。力靜止流體內(nèi)部任一點的壓力稱為該點流體的靜壓力，其特點為：（1）作用于某一點不同方向上的壓強在數(shù)值上是相等的；（2）若通過該點指定一作用平面，則壓力的方向垂直于此面；（3）在重力場中，同一水平面上各點的流體靜壓力相等，但隨位置高低而變。SI制1at（工程大氣壓）=1kgf/cm2

=9.807×104N/m2(Pa)=10mH2O=735.6mmHg記：常見的壓力單位及它們之間的換算關(guān)系

1atm=101300Pa=101.3

kPa=0.1013MPa=10330kgf/m2=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.013bar1.2.2靜止流體的壓力特定(2)壓力的表示方法（壓強的基準）壓強的大小常以兩種不同的基準來表示：一是絕對真空，所測得的壓強稱為絕對壓強；二是大氣壓強，所測得的壓強稱為表壓或真空度。一般的測壓表均是以大氣壓強為測量基準。1.2.2靜止流體的壓力特定真空度壓強表壓大氣壓絕對真空絕壓絕壓壓強的基準和度量（1）被測流體的壓力>大氣壓表壓=絕壓－大氣壓（2）被測流體的壓力<大氣壓真空度=大氣壓－絕壓=－表壓1.2.2靜止流體的壓力特定Z1Z212靜止液體內(nèi)的壓強分布研究的目的：了解流體在重力和壓力下的平衡規(guī)律，討論靜止流體內(nèi)部壓力的變化規(guī)律1.2.3流體靜力學(xué)方程Zyxdxdy微元流體的靜力學(xué)平衡（1）重力：（2）作用于上底面積的壓力：（3）作用于下底面積的壓力：由于液柱靜止，故：

Zyxdxdy在Z軸上，作用于該立方體（流體質(zhì)點）上的力整理得：X軸方向力的平衡式：y軸方向力的平衡式：流體平衡微分方程將上式分別乘以dz、dx、dy，并相加各式不可壓縮流體流體靜力學(xué)的基本方程式(該方程亦適用于氣體）推導(dǎo)過程見柴誠敬主編化工原理，不要求掌握。如液面壓強為P0,則靜止液體內(nèi)任一點壓強為：于是有：變形整理有：與液面高度差說明：上式僅適用于重力場中靜止的不可壓縮流體。但對于氣體若壓強變化不大，密度可近似取平均值而視為常數(shù)，則上式亦可使用靜止流體內(nèi)部靜壓強僅與垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。水越深壓強越大，天空越高氣壓越低。等壓面：靜止的，連續(xù)的同一流體內(nèi)處于同一水平面上的各點壓強處處相等。1.2.4流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用(1)壓力和壓力差的測量2p1p2112基準面指示液LiU形壓差計z2z1被測流體LRh34ρ00測兩點之間壓強差，如點1和點2之間的壓差。3-4面為等壓面，

p3＝p4當被測管道水平放置時，兩測壓口處于等高面上，z1＝z2，U形壓差計直接測得兩點的壓差，即當測量氣體時1.2.2流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用說明：如U管的一側(cè)與大氣相通，則所測的數(shù)值為該截面處流體的表壓強微差壓差計（雙液體U管壓差計）RL2L1Gp1p2微差壓差計

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