发布时间 : 星期四 文章化工原理习题详解 1.流体流动更新完毕开始阅读
1 流体流动
1.1 教学基本要求
本章应掌握的内容：
（1）流体及相应的基本概念；
（2）流体静力学的基本原理及应用； （3）流体动力学的基本原理及应用；
（4）流体流动阻力的相关概念、基本原理及应用； （5）流体流量的测量原理及设备。
（6）液体输送机械的结构特点、工作原理、性能参数、操作、选型及典型设备间的区别，重点掌握离心泵及往复泵；
（7）典型气体输送机械的结构特点、工作原理和操作性能。
1.2 重点内容概要
1.2.1流体及其主要物理性质 1.2.1.1 连续介质假定
气体和液体具有易变形的特征，表现出流动性。气体和液体统称为流体。 液体可视为不可压缩性流体；气体可视为可压缩性流体。
在流体流动的研究中，常将流体视为由无数流体微团（或流体质点）组成的连续介质。这些质点一个紧挨着一个，质点间无空隙，即可认为流体充满其占据的空间，从而可以摆脱复杂的分子运动，从宏观的角度来研究流体在外力作用下的机械运动规律。
1.2.1.2 流体的物理性质 （1）流体的密度
m①定义： ?? kg/m3 （1-1）
V②影响因素： ρ= f (T,P）
对液体：密度随压力变化很小，可忽略；温度影响较明显。 对气体：温度、压力均影响显著，不可忽略。
③气体的密度：当压力不太高、温度不太低时，ρ可按理想气体考虑，即：
mPM ??? （1-2）
VRT也可以按下式计算：
???0?0?T0P T?0M （1-3） 22.4式中：ρ0 ——标准状态（P0=101.3kPa，T0=273K）下气体的密度，kg/ m3。 气体混合物：以1m3混合气体为基准
?m???i?xv,i （1-4）
i?1n式中：xv,i ——混合物中i组分的体积分率。 理想气体混合物： ?m?PMm，其中Mm为平均分子量： RT Mm??(Mi?yi) （1-5）
式中：yi ——混合物中 i组分的摩尔分率，在低压下，yi= xv,i。 ④液体的密度：液体混合物，以1kg混合液体为基准
1?m??i?1nxw,i?i （1-6）
式中：xw,I ——混合物中i组分的质量分率。 （2）流体的重度和比重
重度：单位体积的流体所具有的重量，单位为N/m3（SI单位制），kgf/m3（工程单位制）。
Gmg ?????g （1-7）
VV重度是工程制的物理量，在同一单位制中，γ和ρ在数值和单位上是不等的，但是工程单位制中的γ和SI制中的ρ数值相等。
比重：液体的比重通常指其密度与水在4℃时的密度之比，即
d4?????? （无因次） （1-8） 441000?w?wV1? （1-9） m?（3）流体的比体积（比容）v： ??（4）流体的黏度 ①流体的黏性
流体流动时，相邻两层流体间存在着相互作用力，两种力大小相等，方向相反，称为内摩擦力。流体在流动时产生内摩擦力的这种性质，称为流体黏性。
黏性是流体固有的属性之一，只不过流体的黏性只有在其流动时才会表现出来。黏性越大时，其流动性就越小。流体在流动时的内摩擦力，是流动阻力产生的根源。
②牛顿黏性定律
???du （1-10） dy式中：
τ——剪应力，单位面积上的内摩擦力，N/m2；
du/dy ——速度梯度，与流动方向垂直的方向（径向）上的速度变化率，1/s； μ ——比例系数，即动力黏度，绝对黏度，简称黏度。 ③黏度的单位及换算
1Pa·s=1 N·s /m2=10P=1000cP （厘泊）
1P（泊）=1dyn·s/cm2
④运动黏度ν： ??
? （1-11） ?1St=100cSt（厘沲）=1×10-4m2/s
⑤黏度的影响因素
温度对流体黏度的影响很大，气体的黏度远小于液体的黏度。
液体的黏度随温度的升高而减小，而气体的黏度却随温度的升高而增大。压力对液体的黏度基本没有影响，对气体黏度的影响也很小，在工程计算中可忽略，只有在极高或极低的压力下，才需要考虑压力对气体黏度的影响。 （5）理想流体与黏性流体
自然界中的所有流体都具有黏性，具有黏性的流体统称为黏性流体或实际流体。
完全没有黏性的流体，即μ=0，称为理想流体。理想流体并不存在。 （6）牛顿流体与非牛顿流体
剪应力与速度梯度的关系遵循牛顿黏性定律的流体叫做牛顿型流体；不遵循这一规律的流体为非牛顿型流体。对非牛顿流体而言，黏度不再是纯粹的物性，而是随着速度梯度而改变，称为表观黏度。 1.2.2流体静力学 1.2.2.1流体的压力
（1）定义：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上称为压力，常用P表示。流体的压力具有垂直性、各方向上的均等性、连续性。
（2）压力的单位及换算
1atm=1.013×105Pa=10.33mH2O=760mmHg=1atm =1.033at 1at=1kgf/cm2 =9.087×104Pa=10mH2O=735.6mmHg
（3）压力的表示方法
以绝对真空（0atm）为基准计量的压力称为绝对压力，是流体的真实压力，以当地大气压为基准计量的压力称为表压或真空度。
表压力=绝对压力-大气压力
真空度=大气压力-绝对压力
1.2.2.2流体静力学基本方程式
P2?P1??g?Z1?Z2? （1-12）
也可写成： P2?P0??gh （1-13） 应用注意事项：
①方程适用于静力场中静止的单一连续流体。对于气体，可认为容器内气体压力均相等。
②静止液体内部任一点压力的大小，与液体本身密度ρ和该点距液面的高度有关，越深则其压力越大。
③利用一定高度的液体柱可以表示压强差的大小，这是液柱压差计的原理。但需注意，在使用液柱高来表示压强或压强差时，必须注明是何种液体。
④当液面上方压力P0变化时，必以同样的大小传递到液体内部各点，这就是帕斯卡原理。
⑤静止、连续的同一液体的同一水平面上，各点压力相等，即等压面为一水平面。这就是液面计的依据—连通器原理。
⑥在连续、静止的同一种流体中，静压能与位能守恒。 1.2.2.3 流体静力学基本方程式的应用 （1）压力测量
利用流体静力学基本方程可以测量流体的静压强，使用的测压仪器一般称为液柱压差计，较为典型的有：U型管压差计、倒装U型管压差计、斜管压差计和微差压差计（双液压差计）。
由测量原理，可以得出：
①两截面的压强差ΔP仅与指示液读数R和密度差（ρ0-ρ）有关，而与U型管的粗细、长短和位置无关；与测压引线的粗细、长短亦无关。
②若压差ΔP一定，指示液与被测流体的密度差数值越小，则指示液读数R越大，可根据这一规律来选择适当的指示液。
③可用U型管压差计来测量设备某一处的压力。 （2）液面测定
液面计根据静止、连续的、同一流体、同一水平面上各点压力相等这一原理设计而成。
（3）液封高度的计算
为了防止气体泄漏和安全等目的，要采用液封（或称水封），液封高度需针对具体情况而定。 1.2.3流体动力学 1.2.3.1流量与流速
（1）体积流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的流体体积，以V表示，单位：m3/s或m3/h。所取截面应与流体流动方向相垂直。
（2）质量流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的质量，以W表示，单位：kg/s或kg/h。体积流量与质量流量的关系：
W?V? （1-14）
（3）（平均）流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离，以u表示，单位：m/s。工程上，平均流速一般是以流体的体积流量除以管路横截面积：
V u? （1-15）
A（4）质量流速：单位时间内流体流过管路单位截面积的质量，以G表示，单位kg/(m2·s）。
WV? G???u? （1-16）
AA注意：由于气体为可压缩性流体，其流速、体积、密度均随温度和压力的变化而变化，但其质量始终不变，因此质量流速是不随温度和压力变化的。故在气体管路的分析和计算中，采用质量流速比较方便。 1.2.3.2稳定流动与不稳定流动
在流动系统中，如果与流动有关的各参数（u、P、ρ等）只随位置变化，不随时间变化，为稳定流动。
在流动系统中，如果与流动有关的各参数（u、p、ρ等）不仅随位置变化，而且还随时间变化，为不稳定流动。