流體力學(xué)與應(yīng)用

流體力學(xué)與應(yīng)用第一頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日流體流動(dòng)是本課程的基礎(chǔ)（1）很多單元操作，例如流體輸送、混合、攪拌、非均相物系的分離及兩相流等，都涉及流體流動(dòng)的基本規(guī)律。本課程依據(jù)流體流動(dòng)規(guī)律來進(jìn)行管路設(shè)計(jì)、輸送機(jī)械的選擇和能量(或功率)消耗的計(jì)算等。

（2）流體流動(dòng)與傳熱、傳質(zhì)乃至反應(yīng)過程是不可分割的，或者說化工中的傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)過程大多是在流動(dòng)條件下進(jìn)行的，因此流體流動(dòng)的內(nèi)部特征是研究傳熱和傳質(zhì)過程的重要基礎(chǔ)。

（3）流體流動(dòng)規(guī)律和傳熱、傳質(zhì)的規(guī)律有類似性，解決這些過程的方法和手段也是相類似的。

第二頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日本章重點(diǎn)內(nèi)容流體靜力學(xué)方程及應(yīng)用質(zhì)量衡算和連續(xù)性方程能量衡算和柏努利方程流動(dòng)阻力與能量損失管路計(jì)算第三頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日1.1流體基本性質(zhì)1.1.1連續(xù)介質(zhì)假定1.1.2流體的可壓縮性1.1.3作用在流體上的力1.1.5壓強(qiáng)1.1.4質(zhì)量力與密度1.1.6剪切力與粘度第四頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

連續(xù)介質(zhì)假定

假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究流體。1.1

流體基本性質(zhì)

流體：液體、氣體、固體顆粒懸浮于液體或氣體中第五頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

流體的可壓縮性不可壓縮性流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。第六頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日表面力：通過直接接觸而作用于流體表面的力，其大小與流體的表面積成正比。壓力：垂直于表面的法向力；剪切力：平行于表面的切向力。壓力剪切力1.1.3

作用在流體上的力質(zhì)量力:作用于流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流體的質(zhì)量成正比，如重力、離心力等。第七頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

質(zhì)量力與密度一、密度單位體積流體的質(zhì)量。kg/m3

二、單組分密度

液體密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），其變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。第八頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

氣體

當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算：

注意：手冊(cè)中查得的氣體密度均為一定壓力與溫度下之值，若條件不同，則需進(jìn)行換算。第九頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日三、混合物的密度混合氣體各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有

——?dú)怏w混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。

或——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量；

——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾(體積)分?jǐn)?shù)。

第十頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日混合液體假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有

——液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

四、比容單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。m3/kg第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

壓強(qiáng)流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)。

一、壓強(qiáng)的單位

SI制：N/m2或Pa；或以流體柱高度表示：注意：用液柱高度表示壓強(qiáng)時(shí)，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。

第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日二、壓強(qiáng)的表示方法

絕對(duì)壓強(qiáng)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的真實(shí)壓強(qiáng)值。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的相對(duì)壓強(qiáng)值。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日表壓=絕對(duì)壓－大氣壓真空度=大氣壓－絕對(duì)壓絕對(duì)壓

絕對(duì)壓

絕對(duì)真空

表壓

真空度

大氣壓

第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日一、牛頓粘性定律

或Fuu＋dudy式中：F——內(nèi)摩擦力，N；

τ——剪應(yīng)力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；

μ——比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pa·s

。

1.1.6

剪切力與粘度第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日①流體與固體的力學(xué)特性兩個(gè)不同點(diǎn)不同之一：固體表面的剪應(yīng)力τ∝剪切變形dθ;流體內(nèi)部的剪應(yīng)力τ∝剪切變形速率

dydθu+duu不同之二：靜止流體不能承受剪應(yīng)力（哪怕是非常微小的剪應(yīng)力）和抵抗剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日②流體的剪應(yīng)力τ與動(dòng)量傳遞根據(jù)牛頓粘性定律，對(duì)一定τ，μ↑，↓流動(dòng)的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互作用力，即速度快的流體層有著拖動(dòng)與之相鄰的速度慢的流體層向前運(yùn)動(dòng)的力，而同時(shí)速度慢的流體層有著阻礙與之相鄰的速度快的流體層向前運(yùn)動(dòng)的力流體內(nèi)部速度不同的相鄰兩流體層之間的這種相互作用力就稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力F，單位面積上的F即為τ

第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓粘性定律的流體，如水、空氣非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體，如血液、牙膏

二、流體的粘度

1.粘度的物理意義

流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日液體

:T↑→↓氣體

:

一般T↑→

↑超高壓p↑→

↑粘度的物理本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。2.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(