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1、第三章 流体流动,流体是气体与液体的总称，流体流动是环境工程中最普遍的单元操作之一。研究流体流动是分析系统质量和能量转换过程的重要基础。,本章主要内容,第一节 流体静力学方程第二节 稳定流动系统的衡算方程第三节 流体流动的内摩擦力第四节 边界层理论第五节 流体流动的阻力损失第六节 管路计算第七节 流体测量,第三章 流体流动,第一节 流体静力学方程,一、流体的性质,1不能承受拉力，具有流动性；,3受外力作用时内部产生相对运动。,2无固定形状，随容器形状而变化；,不可压缩流体：流体体积不随压力变化而变化，一般 指液体；,可压缩流体：流体体积随压力变化而变化，一般指 气体；,物质的宏观性质由物质内部
2、的微观结构和分子间作用力所决定,分子的热运动和相互碰撞,给分子以动能使之趋于飞散,分子间相互作用力的约束,以势能的作用使之趋于团聚,两种力竞争的结果决定了物质的外在宏观性质。而这两种力的大小与分子间距有很大关系。,约为110-8 cm（分子尺度的量级），分子间相互作用势能出现一个极值称为“势阱”，即分子结合能，其值远远大于分子平均动能。分子力占主导地位，分子呈固定排列，分子热运动仅表现为平衡位置附近的振荡。有一定形状且不易变形。,液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞争势均力敌，分子间距比固体大1/3左右。不可压缩、易流动。气体：分子间距约为3.310-7cm（为分子尺度的10倍）。分子
3、平均动能远远大于分子间相互作用势能，分子近似作自由的无规则运动。易流动、可压缩。超临界流体、等离子体,流体,固体,二、连续介质假定,假定流体是由无数内部紧密相连，彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。,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。,当把流体看作是连续介质后，流体微团连续布满整个流体空间，流体的物理性质和运动参数成为空间的连续函数，可以引用连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。,该假定对绝大部分工程技术问题都适用。但当流动体系的特征尺度与分
4、子的平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制，需要用分子动力学理论的微观方法来研究。本书只研究连续介质的力学规律。,三、流体的受力,1、场力：非接触力，大小与流体的质量成正比，例 如：重 力，离心力，电磁力等。,2、表面力：接触力，大小与和流体接触物体(包括流 体本身)的表面积成正比，例如：压强和应力。,处于重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用，连续介质的受力服从牛顿定律。,（2）压力(强)的两种表征方法,（1）压强被视为外部作用力（包括流体柱自身的重力），在流体中传播，其方向始终与作用面相垂直；无论流体运动与否，压强始终存在，静止流体中的压强称为静压强。在流体空
5、间任一点处，各方向的静压强相等。,压力的大小常以两种不同的基准来表示：一是绝对真空；另一个是大气压力。基准不同，表示方法也不同。以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度。,真空度=p0 p,绝对压强,表压=p p0,绝对压强,绝对压强、表压和真空度间的关系,绝对真空 p=0,大气压强 p0,绝对压强 p p0,绝对压强 p p0,例：某水泵进口管处真空表读数为650mmHg柱，出 口管处压力表读数为250Kpa，当地大气压为 1atm，试求水泵进出口处的绝对压力各为多少？解：,四、流体静力学基本方程,。,容器内装有密度为的液体，在液体中
6、取一截面积为A的液柱，液柱的上、下表面与容器底的距离分别为Z1和Z2。作用在上、下表面的压强分别为P1和P2。,垂直方向对液柱进行受力分析：,液柱重力G=gA(Z1Z2)，,上表面受到向下的压力F1=p1A，,下表面受到向上的压力F2=p2A，,液柱处于静止状态，所受合力为零，,压力形式（1-1）,能量形式（1-2）,将液柱的上表面取在容器内的液面上，设液面上方的压强为p0，液柱高度为h，则式（1-1）可改写为,（1-3）,流体静力学基本方程,1、静力学方程适用于在重力场中静止、连续且连通的同种不可压缩流体，如液体。,适用范围：,2、对于气体，密度随压力变化，若气体的压力变化不大，密度近似地取
7、平均值且视为常数时，式(1-1)、(1-2)和(1-3)也适用。,讨论：,（1）Zg、分别为单位质量流体所具有的位能和静压能，即在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但Zg和 可以转换，其总和为常量。因此，静力学基本方程也反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。,（2）式（1-2）可改写为,压力或压力差可用液柱高度表示，但需注明液体的种类。,（3）在静止、连续的同种液体内，同一水平面各点的压强处处相等。压强相等的面称为等压面。,系统中任意一点只有一个压强；与大气连同的两个液面必定是等压面。,五、静力学基本方程的应用,利用静力学基本原理可以测量流体的压力、容器中的液位及计算液
8、封的高度等。,第二节 稳定流动系统的衡算方程,化工及环境工程中常采用管道输送流体。管流系统的质量衡算和能量衡算方程是解决管路计算、流体输送机械的选择及流量测定等实际问题的重要基础和方法。本节学习流体流动的规律，重点研究流体在管道内的流动规律。,一、流动系统的质量衡算方程二、流动系统的能量衡算方程,本节主要内容,第二节 稳定流动系统的衡算方程,一、流体流动的状态,在流动流体系统中，物理量是空间坐标和时间的函数。,稳态流动：流体流动系统中，各截面上的压力、流速、流量等物理量仅随位置变化，而不随时间变化。,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随 位置变化，又随时间变化。,(a)恒位槽(稳定流动)
9、,(b)普通贮槽(不稳定流动),二、流动系统的质量衡算方程,在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算。,1、衡算范围：,3、衡算基准：,取管内壁截面1-1 与2-2 间的管段。,1s(单位时间),输入系统的质量流量：,输出系统的质量流量：,4、写出质量衡算方程：,(3.1.1),2、衡算对象：,管段内的流体,对于稳态过程,对不可压缩流体，为常数,不可压缩流体管内流动的连续性方程,(3.1.2),(3.1.3),不可压缩流体作稳态流动时平均速度um仅随管截面积而变化。,对于圆形管道,(),表明：当体积流量一定时，管内流体的流速与管道直径的平方成反比；流体在均匀直管内作稳态流动时，平均速度恒定
10、不变。,思考：如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程 又如何？,三、流动系统的能量衡算方程,系统与外界交换能量,流体携带能量,（一）总能量衡算,衡算范围：截面1-1与 2-2间的管道和设备。,衡算基准：1kg流体。,取0-0为基准水平面。,1、流体携带能量,输出系统的物质的总能量输入系统的物质的总能量从外界吸收的热量对外界所作的功,稳态流动下，系统内部无能量积累，则能量衡算方程为,(1)内能：温度的函数，单位质量流体 的内能用e表示，单位 kJ/kg,(2)动能：流体流动时具有的能量,(3)位能：流体受重力作用具有的能量，取决于相对基准水平面的高度。,单位质量流体具有的动能,单位质量流体的位
11、能,(4)静压能（流动功）,流体内部任何位置具有一定的静压力。流体进入系统需要对抗压力做功，这部分功成为流体静压能输入系统。,流体在截面处具有的压力,流体通过截面的距离为,流体通过截面的静压能,单位质量流体所具有的静压能,质量体积,单位质量流体的总能量为,2、与外界交换的能量,(1)功：单位质量流体对输送机械作功We，kJ/kg，We 为负值，表示输送机械对系统内流体作功。,(2)热：单位质量流体在通过系统过程中与环境交换热量为Qe，kJ/kg，吸热为正值，放热为负值。,3、总能量方程,流体本身所具有能量和热、功就是流动系统的总能量,单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式,(3.1.10),功
12、,机械能,内能,动能,位能,静压能,热,注意：A.实际应用时密度、压力、高度可以采用截面处的平 均值。,B.对于实际流体，截面上各点的速度不同，应用能量 衡算方程时应以截面上的平均动能代替方程中的动 能项，而不能以平均速度代替方程中的速度。,?,由于工程上常采用平均速度，为应用方便，引入动能校正系数，,(3.1.10),引入动能校正系数后，,(3.1.11),流体输送过程,各种机械能相互转换，可用于输送流体,机械消耗过程转化为内能，使流体温度略有升高,从流体输送角度这部分机械能“损失”,（二）机械能衡算方程(柏努利方程),将总能量衡算方程中热和内能项消去，用机械能和机械能损失表示。,通过适当变
13、换,机械能衡算方程。,内能和热：不能直接转化为机械能用于流体输送,1、机械能衡算方程,假设流动为稳态过程。根据热力学第一定律：,单位质量流体从截面1-1流到2-2时因体积膨胀做的机械功,单位质量流体从截面1-1流到2-2获得的热量,流体克服流动阻力做功，消耗机械能转化成的热。,流体通过环境直接获得的热,阻力损失,(3.1.12),(3.1.13),单位质量流体的机械能衡算方程,变换,(3.1.15),(3.1.11),(3.1.14),变换,适用于不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程,2、柏努利方程,对于不可压缩流体，比体积v,或密度为常数，,代入(3.1.15)式,流体输送过程流体流态几乎都
14、为湍流，令1,拓展的伯努利方程,伯努利方程,对于理想流体，无因黏性引起的摩擦阻力，,若无外功加入,理想流体在管路中作稳态流动且无外功加入时，任一截面单位质量流体所具有的总机械能相等，即各种机械能之间可以相互转化，但总量不变。,常数,3、机械能衡算方程(柏努利方程)的讨论,（2）实际流体在管路内流动时，上游截面处总机械能大于下游截面处总机械能。,（4）当体系无外功，且处于静止状态,流体静力平衡是流体流动状态的一个特例,（3）柏努利方程具有不同形式（课本p56-57）,（1）适用条件：不可压缩、连续、均质流体,确定输送设备的有效功率；,，,管道中流体的流量；,判断流体的流动方向；,4、机械能衡算方
15、程(柏努利方程)的应用,We：输送设备对单位质量流体所做的有效功，Ne：单位时间输送设备对流体所做的有效功(功率),管路计算。,(1)应用柏努利方程的注意事项 1）作图并确定衡算范围 根据题意画出流动系统示意图，指明流体流动 方 向，选择上下截面，明确衡算范围。2）截面的截取 截面应与流动方向垂直，通过截面流体必须连续，所求未知量应在两截面上或两截面之间。,4）单位必须一致 应用柏努利方程前，统一单位。两截面的压强除 要求单位一致外，还要求表示方法一致。,3）基准水平面的选取 基准水平面的位置可任意选取，但必须与地面平行，为计算方便，通常取衡算范围两个截面中的任意一个截面。如衡算范围为水平管道
16、，则基准水平面通过管道中心线，Z=0。,例1：化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液(密度为1100kg/m3)送至吸收塔顶，经喷嘴喷出。泵入口管为1084mm、出口管为763mm的钢管，管中流速1.2m/s。贮液池中碱液深1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg(不包括喷嘴)，喷嘴入口处压力29.4kPa(表压)。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。,分析：,米制管径：763 mm，d内=76 32=70 mm,解：取碱液池中液面为1-1、塔顶喷嘴入口处2-2为截面，以1-1为基准水平面。在1-1和2-2截面间列柏努利方程,其中：z1=0；p1=0（
17、表压）；u10 z2=20-1.5=18.5m；p2=29.4103 Pa（表压）,20m,1.5m,已知泵入口管尺寸及碱液流速，根据连续性方程计算泵出口管碱液流速：,m/s,=1100 kg/m3，Wf=30.8 J/kg，将以上各值代入方程，求输送碱液所需的外加能量,J/kg,碱液的质量流量,kg/s,泵的有效功率,则泵的轴功率,kW,例2：在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水流速u1=1.3m/s，文丘里管喉径10mm，文丘里管喉部一内径15mm的玻璃管，下端插入水池中，池内水面到管中心线的距离为3m，若将水视为理想流体，试判断池中水
18、能否被吸入管中？若能吸入，求每小时吸入的水量为多少m3/h？,分析：,解：在管路上选1-1和2-2截面，取3-3截面为基准水平面。设支管中水为静止状态。在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程：,式中：,2-2截面的总势能为,3-3截面的总势能为,3-3截面总势能大于2-2截面总势能，水能被吸入管路中。,在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程：,式中：,代入柏努利方程：,（1）用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？（2）当布水孔板的开孔率为30时，流过布水孔的流速增加多少？（3）拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。（4）在管流系统中，机械能的损耗转变成什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？（5）对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？（6）如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？,思考题,工厂全貌,工厂设备1,工厂设备2,
