最新1-1流体静力学

1-1流体静力学

第一章：流体流动

本章符号说明

英文字母：

a－加速度，m/s2；或质量分率；

A－截面积，m2；

d,de－分别为圆管直径及非圆管的当量直径，m；

e－涡流粘度，Pa.S；

E－1Kg流体具有的总机械能，J/Kg；

F－流体的内摩擦力，N；

g－重力加速度，m/s2；

G－质量速度，Kg/( m2.S)；

h－高度，m；

hf－1Kg流体流动时为克服摩擦阻力而损失的能量，简称能量损失，J/Kg；

h f’－局部能量损失，J/Kg；

l,le－分别为直管的长度及管件的当量长度，m；

m－质量，Kg；

M－摩尔质量，Kg/Kmol；

N－输送设备的轴功率，Kw；

Ne－输送设备的有效功率，Kw；

p－压强，Pa；

ㅿp f－因克服流动阻力而引起的压强降，Pa；

P－压强，N；

r－半径，m；

r H－水力半径，m；

R－液柱压差计读数，m；或气体滞数，J/(Kmol.K)；

Re－雷诺准数，无因次；

S－两流体层间的接触面积，m2；

T－热力学温度，K；

u－速度，m/s；

u max－流动截面上的最大速度，m/s；

U－1 Kg流体的内能，J/Kg；

v－比容，m3/Kg；

V－体积，m3；

Vs－体积流量，m3/s；

w s－质量流量，Kg/s；

We－1Kg流体通过输送设备所获得的能量，或输送设备

y－气体的摩尔分率；对1Kg流体所作的有效功J/Kg；

z－高度，m；

希腊字母：

µ－粘度，Pa.S; Ø－气体的体积分率；

ε－绝对粗糙度，m或m ξ－阻力系数；

η－效率；ν－运动粘度，m2/s或cSt；

ρ－密度，Kg/ m3；τ－内摩擦应力，Pa；

下标：

1.2－截面序号；f－摩擦力的；s－秒的；m－平均。

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。

1、1、掌握的内容

（1）（1）流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取；

（2）（2）压强的定义、表示法及单位换算；

（3）（3）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；

（4）（4）流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；

（5）（5）流体在管内流动时流动阻力（直管阻力和局部阻力）的计算；

（6）（6）正确使用各种数据图表。

2、2、了解的内容

（1）（1）流体的连续性和压缩性、定态流动与非定态流动；

（2）（2）层流与湍流的特征；

（3）（3）管内流体速度分布；

（4）（4）牛顿粘性定律；

（5）（5）层流内层的概念；

（6）（6）简单管路计算。

流体是气体与液体的总称。流体流动是最普遍的化工单元操作之一，同时研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。

1．连续介质假定从微观讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。但工程上，在研究流体流动时，常摆脱复杂的分子运动和分子间相互作用，从宏观角度出发，将流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。所谓质点是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质。把流体模化为连续介质，并非符合所有的情况，如高真空度下的气体就是例外。

2．流体主要特征具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。

3．流体种类如果流体的体积不随压强变化而变化，受热时体积膨胀不显著，该流体称为不可压缩性流体；若体积随压强和温度发生显著变化，则称为可压缩性流体。一般液体的体积随压强和温度变化很小，可视为不可压缩性流体；而对于气体，当压强和温度变化时，体积会有较大的变化，常视为可压缩性流

体，但如果压强和温度的变化率不大时，该气体也可近似地按不可压缩性流体处理。

1－1 流体静力学

本节重点：流体静力学基本方程式及其应用。 难点：U 形压差计的测量。

1.1.1 密度

单位体积流体的质量，称为流体的密度，表达式为

V m =

ρ

（1-1）

式中 ρ——流体的密度，kg/m 3； m ——流体的质量，kg ； V ——流体的体积，m 3。

对一定的流体，其密度是压强和温度的函数，即 ),(T p f =ρ

一．液体密度 通常液体可视为不可压缩流体，其密度仅随温度略有变化（极高压强除外），其变化关系可由手册中查得。在工程计算中，常将液体密度视为常数。

二．气体密度 对于气体，当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算

RT pM =

ρ 或 T p pT 00

ρρ=

（1-2）

式中 p ——气体的绝对压强，Pa ； M ——气体的摩尔质量，kg/mol ； T ——绝对温度，K ；

R ——气体常数，其值为8.314 J/（mol ·K ）。

下标0表示由手册中查得的条件。

一般在手册中查得的气体密度都是在一定压强与温度下的，若条件不同，则密度需进行换算。

化工生产中遇到的流体，大多为几种组分构成的混合物，而通常手册中查得的是纯组分的密度，混合物的平均密度ρm 可以通过纯组分的密度进行计算。 三．液体混合物的密度 对于液体混合物，其组成通常用质量分率表示。假设各组分在混合前后其体积不变，以1kg 混合液为基准，则有

n n

m

a a a ρρρρ+

++

=

...1

2

2

1

1

（1-

3）

式中 n a a a ...,21——液体混合物中各组分的质量分率； n ρρρ...,21——各纯组分的密度，kg/m 3。

四．气体混合物的密度 对于气体混合物，其组成通常用体积分率表示。现以1m 3混合气体为基准，若各组分在混合前后质量不变，以1Kg 混合液为基准，混合液的平均密度可近似用下式计算：

n n m φρφρφρρ+++= (2111)

（1-4）

式中 n φφφ...,21——气体混合物中各组分的体积分率。

气体混合物的平均密度m ρ也可利用式（1-2）计算，但式中的摩尔质量M 应用混合气体的平均摩尔质量M m 代替，即

RT pM m

m =

ρ （1-5）

而 n n m y M y M y M M +++= (2211)

（1-6）

式中 n M M M ...,21——各纯组分的摩尔质量，kg/Kmol ； n y y y ...,21——气体混合物中各组分的摩尔分率。

对于理想气体，其摩尔分率y 与体积分率φ相同。