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。

V

m =

ρkg/m

31.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：

RT

pM =

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

n

n 2111m φρφρφρρ+++= ——气体混合物中各组分的体积分数。

n 21,φφφ 或

RT

pM m

m =

ρm

M ——混合气体的平均摩尔质量；

n

n 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

n

n 2211m 1

ρωρωρωρ+++= 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。

ρ

1=

=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 ?

=

ρρ3

4/1000m

kg C =?水ρ

1.1.3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 ρ

ρννβ11=

-=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

A

y

u F x

??∝A

y

u 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

μ

τ=——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

du τ

μ=

：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 /τμcm

s cm cm dyn 2

/=2.cm s dyn =s

cm g

.=泊）(P =P

CP 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：

∑∑=2

12

1i i i i i m M y M u y μ对于分子不缔合的液体混合物：

∑=i

i m u x lg lg μ5）运动粘度

ρ

μ=

v 单位：

SI 制：m 2/s ；

物理单位制：cm 2/s ，用St 表示。

s

m cSt St /1010012

4-==

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：

dA

dF 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：

gh

p 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 5

22

100133.10133.133.10 760/033.11 ?=====换算关系为：Pa

bar O mH mmHg

cm kgf 4

22

10807.99807.010 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）。