第二章流体流动过程

2.1 流体基本概念
• 流体定义、特征及性质
特性：易于变形，具有一定压缩性 性质：气体为压缩流体，液体为不可压缩流体
• 连续性假定
内容：流体微团介质及性质的连续性 特点：微观上充分大、宏观上充分小 优点：宏观角度研究流体
• 流体流动的作用力
质量力、表面力
• 质量力 与流体质量成正比，属非接触性力，如重力、离 心力等
根据等压点判定条件可得到:
于是，
pB=pC，pC=pD， pB=pC=pD
（2）根据静力学基本方程可得：
pA pB H2O gh pa H2O gh Hg gR
101330 10009.81 0.2 136009.81 0.25 136646Pa 136.646kPa
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2.３ 流体的流动基本方程
水在附图所示的水平管内流动，在管壁A处连接一U形管压差 计，指示液为汞，密度为13600kg/m3，U形管开口右支管的汞面 上注入一小段水（此小段水的压强可忽略不计），当地大气压Pa 为101.33Pa，水的密度取1000kg/m3，其它数据见附图，求A处的 绝对压强为多少Pa？
解：
（1）取U形管中处于同一水平面上的B、C、D三点，
• 比体积与相对密度
比体积 相对密度
• 压强
单位面积受到的总压力。 压强单位：国际N/m2 ，工程制kgf/cm2 压强基准：表压、真空度
p1
表
绝 对 压
力
压
真
空
大
度
气绝
p2
大气压
压 对余
力 压压
力 绝对真空
• 流体静力学基本方程
假定流体静止 微元体底面积Ａ、高度dz、密度ρ
pA ( p dp)A gAdz 0 dp gdz 0 p gz Const
pa
p1 pA gh1 p2 pa 0 gR
p1 p2 pA pa 0 gR gh1
A
Байду номын сангаасh1
R
1
2
U形测压管图
3. U形管压差计 — 测量流体压差
1) U形管两端分别与两个测压口相连，可测两测压点的压差 2) U形压差计测量均匀管内作稳态流动时A、B两点的压差 3) 指示液要与所测流体B不互溶，其密度大于所测流体的密度
基准面
4. “Π”式压差计
测量液体压差的“Π”式压差计，顶部装有充气阀。指示液为待测液体。 压差计的液面上方可加一定大小压力的空气，使两测压管的液面位于 压差计的刻度范围内。
p1 p2 ( air )gR gR ( air )
R
注： 需将传压管和压差计玻璃管中液柱内 的气泡排除干净，以免影响测量精度。
气体
p
目的：防止设备内的气体泄漏出去以
及设备外的气体窜到设备中来，而又能使
流体能自由地流出。
例如：要求设备内表压 ≤ p, 求 hmax= ? 解：按静力学基本方程式
液封装置示意图
水 gh p h p / 水 g
对于气体，若压力变化很小，温度变化也很小， 则可近似认为气体是不可压缩的。
h
水 A
例题
pA p1 gh1
pB p2 g(h2 R) 0 gR pA pB
p1 gh1 p2 g(h2 R) 0 gR
p1 gh1 p2 gh2 (0 )gR Or
( p1 gz1 ) ( p2 gz2 ) (0 )gR
1
h1 z1
2
h2
z2 R
A
B
U形液柱压差计
p1 p2
p3 p1 0,B gh
p4 p2 0,B g(h R) 0,A gR
p3 p4 p1 p2 (0,A 0,B )gR 扩大室内径和U形管内径之比应大于10； 适用于压差很小、普通压差计难于测准时。
h z
3
R
4
ρ0B
ρ0A
基准面
微差压差计
液位测定 液位计
( p0 gz2 ) ( p0 gz1 ) (0 )gR
• 表面力 作用流体表面的力，与表面积成正比
应力：单位面积上的表面力
表面力分解如下（剪应力为流体粘度引起，静止流体无切 向应力，只存在法向应力）：
切向力(剪力) 剪应力
表面力
法向力
拉力 压力
拉应力 压应力(压强)
2.2 流体静力学方程
• 流体密度
流体密度是流体压力和温度的函数，单位kg/cm3 理想气体及标气密度计算 气体混合物密度 液体密度
• 流体静力学方程的应用
流体压强的测量 1. 单管压力计
p1 p2 g(R h) gR
Ah aR h a R 0 A
h
p2 p1
R
单管压差计
测压管倾斜放置时，倾斜角为α，则： R Rsin
2. U形测压管 — 测量容器表压
管内指示液，密度为ρ0； 指示液要与所测流体(其密度为ρ)不互溶，且ρ0>ρ； 测量A点压强:
z+dz
p0 p+dp
G pz
推断：液柱表面为液面，柱高度为h的静压
p p0 gh
重力场流体静力平衡图
1. 同种、静止、连续流体中各处的总势能相等或说压强能与位能可以相互转换； 2. 静止、连续、同种流体中等高面就是等压面； 3. 帕斯卡定律：液面压强po变化时，流体内任一点压强会以相同大小变化 ； 4. 压力差可以用一定高度的液柱表示，但必须注明是何种液体。
第二章 流体流动过程
流体基本概念 静力学方程 流动基本方程 流动现象 流动阻力 管路计算 流量测量及输送机械
教学要求
• 理解流体相关基本概念 • 掌握流体流动的质量、能量衡算及其方法 • 掌握管道中流体流动阻力的计算 • 了解流体测量方法、仪器及其原理 • 了解离心泵的结构、原理 • 掌握离心泵的扬程、功率及效率计算
A p1
B p2
Π式压差计
5.微差压差计(双液体U形压差计)
当两测压口的压差很小时，R示值较小，如何放大？ 采用方法： ① 选用密度尽可能接近待测流体密度的指示剂； ② 用双液体U形管微形压差计。
其特点： Ｕ形管中放置两种互不相容、密度相差不大的指示液， 上部扩张室，有足够大截面积，使读数变化时，两室液 面无明显变化。
h 0 R
z1
液面越高，读数越小； 液面达到最大高度时，读数为0。
p0
h
z2
R
液位测量示意图
基准面
液封高度 液封装置
在化工厂中各种气液分离器后面，气
体洗涤塔的下边以及气柜等处，为控制设
备内气体压力不超过规定值，以防气体泄
露，常用液封装置。
作用: 当压力超过规定值时，气体从液
封管中排出，以确保设备操作的安全。