(2.5)--流体的重要性质和静力学.ppt

化工化工原理原理UnitOperationsofFoodEngineering流体流动（流体流动（FluidFlow）-内容提要内容提要-流体的流体的重要性质重要性质静力学方程及其应用静力学方程及其应用能量衡算式及柏努利方程能量衡算式及柏努利方程流体流动的现象流体流动的现象流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算都江堰：遇弯截角，逢正抽心！都江堰：遇弯截角，逢正抽心！在在化化工工原原理理中中研研究究流流体体在在静静止止和和流流动动状状态态下下的的规规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。连续性假设连续性假设(Continuumhypotheses)假假定定流流体体是是有有大大量量质质点点组组成成、彼彼此此间间没没有有间间隙隙、完完全全充充满满所所占占空空间间的的连连续续介介质质，流流体体的的物物性性及及运运动动参参数数在在空空间间中中连连续续分分布布，从从而而可可以以使使用用连连续续函函数数的的数数学学工具加以描述。工具加以描述。流体的重要性质流体的重要性质连续介质假定连续介质假定(Continuumhypotheses)流动体系的分类流动体系的分类定态与非定态流动（2 2）压强的基准压强的基准 绝对压强、表压强、真空度绝对压强、表压强、真空度。1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133105Pa流体的压强及其特性流体的压强及其特性（1）定义和单位定义和单位垂垂直直作作用用于于单单位位面面积积上上的的表表面面力力称称为为流流体体的的静静压强压强，简称压强。工程上习惯上将压强称之为压力。简称压强。工程上习惯上将压强称之为压力。在在SI中中，压压强强的的单单位位是是帕帕斯斯卡卡，以以Pa表表示示。但但习习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：压强的基准和量度压强的基准和量度流体的压强及其特性流体的压强及其特性绝对压强绝对压强以绝对零压作起点计算的压强，以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强。是流体的真实压强。表压强表压强压强表上的读数，表示被测流体的压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即绝对压强比大气压强高出的数值，即:表压强绝对压强大气压强表压强绝对压强大气压强真空度真空度真空表上的读数，表示被测流体的真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即绝对压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强真空度大气压强绝对压强流体压强的特性流体压强的特性流体的压强及其特性流体的压强及其特性例例1：在在大大气气压压为为101.3103Pa的的地地区区，某某真真空空蒸蒸馏馏塔塔顶顶真真空空表表的的读读数数为为14.5103Pa。若若在在大大气气压压为为87.3103Pa的的地地区区使使该该塔塔内内绝绝对对压压力力维维持持相相同同的的数数值值，则则真真空空表表读数应为多少？读数应为多少？流流体体压压力力处处处处与与它它的的作作用用面面垂垂直直，并并且且总总是是指指向向流流体体作作用用面面；流流体体中中任任一一点点压压力力的的大大小小与与所所选选定定的的作作用用面的空间方位无关。面的空间方位无关。流量有两种计量方法：体积流量、质量流量体积流量-以qV表示，单位为m3/s。质量流量-以qm表示，单位为kg/s。体积流量与质量流量的关系为：流量与平均流速流量与平均流速由由于于气气体体的的体体积积与与其其状状态态有有关关，因因此此对对气气体体的的体体积积流流量量，须须说说明明它它的的温温度度t和和压压强强p。通通常常将将其其折折算算到到273.15K、1.0133105a下的体积流量称之为下的体积流量称之为“标准体积流量（标准体积流量（Nm3/h）”。a.平均流速（简称流速）平均流速（简称流速）us(BulkVelocity)流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离，称为流流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离，称为流速，以速，以us表示，单位为表示，单位为m/s。流体在管截面上的速度分布规律较为复杂，工程上为计算流体在管截面上的速度分布规律较为复杂，工程上为计算方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速，其表方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速，其表达式为：达式为：dqV,s=usdA式中，式中，A垂直于流动方向的管截面积，垂直于流动方向的管截面积，m2。故。故流量与流速流量与流速u单位时间内单位时间内流体流体在流动方向上流在流动方向上流经经的距离称为流速，以的距离称为流速，以u表示，单位为表示，单位为m/s。u质量质量流速流速/质量质量通量通量G（MassFlux)单位截面积的管道流过的流体的质量流量，以单位截面积的管道流过的流体的质量流量，以G表示，表示，其单位为其单位为kg/(m2s)，其表达式为，其表达式为由于气体的体积随温度和压强而变化，在管截面积不变由于气体的体积随温度和压强而变化，在管截面积不变的情况下，气体的流速也要发生变化，采用质量流速为的情况下，气体的流速也要发生变化，采用质量流速为计算带来方便。计算带来方便。流量与流速流量与流速流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 平板间液体速度分布图平板间液体速度分布图（1）表达式）表达式实验证明实验证明，对于一定的液体对于一定的液体，剪切剪切力力F与两流体层的速度差与两流体层的速度差u成正比；成正比；与两层之间的垂直距离与两层之间的垂直距离y成反比成反比,与与两层间的作用面积两层间的作用面积A（F与与A平行）平行）成正比，即成正比，即:牛顿牛顿黏性黏性定律定律上式只适用于上式只适用于u与与y成直线关系的场合。成直线关系的场合。单单位位面面积积上上的的剪剪切切力力称称为为内内摩摩擦擦力力或或剪剪应应力力，以以表表示示，于于是是上式可写成上式可写成:牛顿牛顿黏性黏性定律定律当当流流体体在在管管内内流流动动时时，径径向向速速度度的的变变化化并并不不是是直直线线关关系系，而而是是的曲线关系。则上式应改写成：的曲线关系。则上式应改写成：式式中中du/dy速速度度梯梯度度，即即在在与与流流动动方方向向相相垂垂直直的的y方方向向上上流流体速度的变化率；体速度的变化率；（1-1-4 4）（1-1-4 4）牛顿黏性定律牛顿黏性定律流体的黏性流体的黏性 比比例例系系数数，其其值值随随流流体体的的不不同同而而异异，流流体体的的黏黏性性愈愈大大，其其值值愈愈大大，所所以以称称为为黏黏滞滞系系数或动力粘度数或动力粘度，简称为黏度。简称为黏度。右面两式所显示的关系右面两式所显示的关系,称为称为牛顿黏性定律牛顿黏性定律。（2 2）物理意义）物理意义 牛牛顿顿黏黏性性定定律律说说明明流流体体在在流流动动过过程程中中流流体体层层间间所所产产生生的的剪剪应应力力与与法法向向速速度度梯梯度度成成正正比比，与压力无关。与压力无关。流流体体的的这这一一规规律律与与固固体体表表面面的的摩摩擦擦力力规规律律不不同。同。流体的黏性流体的黏性注注意意：理理想想流流体体不不存存在在内内摩摩擦擦力力，=0，du/dy=0，=0。引引进进理理想想流流体体的的概概念，对解决工程实际问题具有重要意义念，对解决工程实际问题具有重要意义（3）剪应力与动量传递）剪应力与动量传递实际上反映了动量传递。实际上反映了动量传递。流体的黏度流体的黏度（1）动力黏度（简称黏度）动力黏度（简称黏度）（a）定义式）定义式黏黏度度的的物物理理意意义义是是促促使使流流体体流流动动产产生生单单位位速速度度梯梯度度的的剪剪应应力力。黏度总是与速度梯黏度总是与速度梯度度相联系相联系,只有在运动时才显现出来。只有在运动时才显现出来。（b）单位）单位在在SI中中,黏度的单位黏度的单位:流体的黏度流体的黏度（b）单位）单位在物理单位制中在物理单位制中,粘度的单位为粘度的单位为:当流体的粘度较小时，单位常用当流体的粘度较小时，单位常用cPcP（厘泊）表示。（厘泊）表示。不同单位之间的换算关系为不同单位之间的换算关系为:1Pa:1Pas=10P=1000cPs=10P=1000cP流体黏度亦可用运动黏度（流体黏度亦可用运动黏度（kinematic viscosity)kinematic viscosity)表示，以表示，以 表表示：示：单位：m2/s或cm2/s；St 流体的黏度流体的黏度(c)影响因素影响因素液体：液体：f（t），与压强），与压强p无关，温度无关，温度t，。水（。水（20），），1.005cP；油的粘度可达几十、到几百；油的粘度可达几十、到几百cP。气体：压强气体：压强变化时变化时,液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强增加而增加液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强增加而增加得很少得很少,在一般工程计算中可予以忽略在一般工程计算中可予以忽略,只有在极高或极低的压只有在极高或极低的压强下强下,才需考虑压强对气体粘度的影响。才需考虑压强对气体粘度的影响。p R a b U型管内位于同一水平面上的型管内位于同一水平面上的a、b两点在相连通的同一两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等静止流体内，两点处静压强相等 式中式中工作介质密度；工作介质密度；0指示剂密度；指示剂密度；RU形压差计指示高度，形压差计指示高度，m；p1-p2侧端压差，侧端压差，Pa。若被测流体为气体，其密度较指示若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，上式可简化为液密度小得多，上式可简化为普通普通U型管压差计型管压差计用于测量液体的压差，指示剂密度用于测量液体的压差，指示剂密度 0小于被测液体密度小于被测液体密度，U型管内位于同一型管内位于同一水平面上的水平面上的a、b两点在相连通的同一静止两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等流体内，两点处静压强相等由指示液高度差由指示液高度差R计算压差，若计算压差，若 0倒置倒置U型管压差计型管压差计（Up-sidedownmanometer）在在U U形微差压计两侧臂的上端装有扩张室，形微差压计两侧臂的上端装有扩张室，其直径与其直径与U U形管直径之比大于形管直径之比大于1010。当测压管中。当测压管中两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示剂两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分别为的可维持在同水平面压差计内装有密度分别为 01 01 和和 02 02 的两种指示剂上。的两种指示剂上。有微压差有微压差 p p 存在时，尽管两扩大室液面存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但高差很小以致可忽略不计，但U U型管内却可得型管内却可得到一个较大的到一个较大的 R R 读数。读数。对一定的压差对一定的压差 p p，R R 值的大小与所用的指示剂密度有关，值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，密度差越小，R R 值就越大，读数精度也越高。值就越大，读数精度也越高。微差压差计微差压差计如图所示密闭室内装有测定室内如图所示密闭室内装有测定室内气压的气压的U型压差计和监测水位高度的型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的压强表。指示剂为水银的U型压差计型压差计读数读数R为为40mm，压强表读数，压强表读数p为为32.5kPa。试求：水位高度试求：水位高度h。解：根据流体静力学基本原理，若解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为室外大气压为pa，则室内气压，则室内气压po为为【例【例1-2】谢谢大家！谢谢大家！