第一章流體流動(dòng)

第一節(jié)概述第二節(jié)流體靜力學(xué)第三節(jié)流體流動(dòng)中的守恒原理第四節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第五節(jié)阻力損失第六節(jié)流體輸送管路的計(jì)算第七節(jié)流速和流量的測(cè)定流動(dòng)現(xiàn)象：①日常生活中②工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中煤氣煤氣水孔板流量計(jì)泵水封填料塔水池煤氣洗滌塔引言（2）流體的流動(dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過(guò)程有著重要影響化工設(shè)備中的傳熱，傳質(zhì)以及反應(yīng)過(guò)程大多是在流動(dòng)的條件下進(jìn)行的一、在所有化工單元操作中為什么首先討論“流體流動(dòng)”？流體流動(dòng)的規(guī)律是化工原理的重要基礎(chǔ)！（1）

化學(xué)工業(yè)中涉及各種流體的輸送研究流體的流動(dòng)規(guī)律可進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)，輸送機(jī)械的選擇及功率的計(jì)算。（3）流體的混合(5)流量和流速的測(cè)量(畢托管，孔板流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì))二、“流體流動(dòng)”主要研究?jī)?nèi)容（1）流體靜力學(xué)（2）流體流動(dòng)中的守恒原理(3)流體流動(dòng)的型態(tài)及阻力計(jì)算(4)管路計(jì)算

動(dòng)量守恒－機(jī)械能損失數(shù)據(jù)缺少時(shí)的計(jì)算能量守恒－柏努利方程－能量衡算質(zhì)量守恒－連續(xù)性方程－物料衡算介紹流體靜力學(xué)原理及工程應(yīng)用流體質(zhì)點(diǎn)：指含有大量分子的流體微團(tuán)其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，遠(yuǎn)大于分子自由程3、連續(xù)性假定連續(xù)性假定：●可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述●假定流體是由大量質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）所組成●可看作彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)●物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)在空間作連續(xù)分布但流體質(zhì)點(diǎn)模型的使用是有條件的。當(dāng)特性長(zhǎng)度與平均自由程之比大于103-4時(shí)，就可以使用流體質(zhì)點(diǎn)模型，否則流體質(zhì)點(diǎn)模型就不適用。如1mm3常溫常壓氣體含2.51015個(gè)分子，分子平均自由程為0.1m數(shù)量級(jí)，此時(shí)不能使用流體質(zhì)點(diǎn)模型。在100km的高空，壓力約為0.133Pa，空氣中氧氣和氮?dú)夥肿拥钠骄杂沙碳s為1m，這時(shí)仍可使用流體質(zhì)點(diǎn)模型，但在直徑為1m的容器內(nèi)，如壓力也為0.133Pa，則不能使用流體質(zhì)點(diǎn)模型。所以，在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設(shè)是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立。（1）拉格朗日法選定一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，跟蹤觀察，描述運(yùn)動(dòng)參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。同對(duì)固體的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述：X=?1(t)（如：觀看球賽）4、運(yùn)動(dòng)的描述方法（2）歐拉法在固定位置上觀察流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，描述運(yùn)動(dòng)參數(shù)在指定空間和時(shí)間的變化ux=?x(x,y,z,t)uy=?y(x,y,z,t)x,y,z為位置坐標(biāo)，t為時(shí)間uz=?z(x,y,z,t)（如：交通流量測(cè)量點(diǎn)）定態(tài)流動(dòng)指運(yùn)動(dòng)空間各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)

即：()=0()=0()=05、定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)則ux=?x(x,y,z)uy=?y(x,y,z)uz=?z(x,y,z)表明流動(dòng)的速度只隨空間位置而變，而與時(shí)間無(wú)關(guān)。如：河水在河床中流動(dòng)；工業(yè)生產(chǎn)流水線中的工種（2）流線：同一瞬時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向，流線上各點(diǎn)的切線表示該點(diǎn)的速度方向。這是采用歐拉法考察的結(jié)果

abca,b,c為同一瞬時(shí)各質(zhì)點(diǎn)，箭頭為運(yùn)動(dòng)方向

6、流線與軌線（1）軌線：同一流體質(zhì)點(diǎn)不同時(shí)刻所占空間位置的連線即質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。這是采用拉格朗日法考察流體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果二、流體流動(dòng)中的作用力

1、體積力：作用于流體每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力體積力正比例于質(zhì)量，又稱為質(zhì)量力在重力場(chǎng)中體積力即重力，在離心場(chǎng)中為離心力2、表面力：作用于所研究流體體積表面上的力表面力正比例于表面積（1）

壓力：垂直于流體表面的力

壓強(qiáng)

p：?jiǎn)挝幻娣e上所受的壓力（2）剪力（切力）：平行于表面的力

剪應(yīng)力τ：?jiǎn)挝幻娣e上所受的剪力

壓力剪力牛頓粘性定律τ右>τ左－粘性系數(shù)（粘度）N?s/m2或pa·s－法向速度梯度1/suFAyxF:內(nèi)摩擦力粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部的剪切力

速度梯度剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力是動(dòng)量傳遞的基本方程式剪應(yīng)力的大小實(shí)際上代表了動(dòng)量傳遞的速率。3、液體所受剪應(yīng)力與固體所受剪應(yīng)力的區(qū)別：固體：液體：(1)與固體表面的摩擦力不同，內(nèi)摩擦力與法向壓力無(wú)關(guān)。(2)固體的剪應(yīng)力正比于剪切變形（角變形）dθ，而流體的剪應(yīng)力正比于剪切變形的速率，這里的速度梯度就是變形的速率dθ/dt。靜止的流體不能承受剪應(yīng)力(哪怕是非常微小的剪應(yīng)力)和剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。

（4）、流體中的動(dòng)量傳遞的進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)際流體變形需要一定的力。這個(gè)力體現(xiàn)為流體內(nèi)部的剪切力，其大小與流體的密度及粘度等性質(zhì)有關(guān)。這一現(xiàn)象可以用分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)來(lái)解釋：

yττu(b)

流體的動(dòng)量傳遞(a)u22211λu1由分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)可見，剪應(yīng)力的產(chǎn)生，是由于不同流體層的分子具有不同速度，或即不同的動(dòng)量所致。全面討論：——單位體積流體所具有的動(dòng)量；——比例系數(shù)，稱為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)，關(guān)于正負(fù)號(hào)的說(shuō)明：對(duì)剪應(yīng)力：“+”表示剪應(yīng)力的方向和流向一致；“-”表示剪應(yīng)力的方向和流向相反。——是在方向上的變化率，稱為動(dòng)量梯度；——?jiǎng)恿總鬟f速率，即單位時(shí)間單位面積的動(dòng)量對(duì)動(dòng)量傳遞：取“-”，表示動(dòng)量傳遞的方向和動(dòng)量梯度的方向相反。由圖可見，動(dòng)量傳遞的方向和剪應(yīng)力的方向互相垂直。用動(dòng)量傳遞推導(dǎo)粘度的數(shù)值動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)等于分子平均速度和分子平均自由程的乘積的由氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō),可以估計(jì)分子的平均速度和分子平均自由程的值,從而估計(jì)出粘度的數(shù)值,它在數(shù)量級(jí)上是正確的，說(shuō)明這一理論的正確性。②粘度單位物理制(厘米·克·秒制)泊(達(dá)因·秒/厘米2)1厘泊=(1/100)泊國(guó)際制(SI)N·s/m2帕斯卡··秒（寫作Pa·s）單位制換算1厘泊=(1/100)泊=(1/1000)N·s/m2=1/1000Pa·s1CP=1/100P=1/1000pa·s運(yùn)動(dòng)黏度③非牛頓型流體

凡是剪應(yīng)力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓型流體，如膠體溶液、泥漿、乳濁液、長(zhǎng)鏈聚合物溶液、涂料及混凝土等。非牛頓型流體的剪應(yīng)力與速度梯度成曲線關(guān)系，或者成不過(guò)原點(diǎn)的直線關(guān)系，如圖所示。

2、位能在重力場(chǎng)中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度為z時(shí)的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時(shí)重力對(duì)液體所作的功。單位質(zhì)量流體所具有的位能gz

3、動(dòng)能液體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量，稱為動(dòng)能。單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能4、壓強(qiáng)能流體自低壓向高壓對(duì)抗壓力流動(dòng)時(shí)，流體由此獲得的能量稱為壓強(qiáng)能。單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能v—