流體力學(xué)與應(yīng)用

流體力學(xué)與應(yīng)用第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日流體流動是本課程的基礎(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，都涉及流體流動的基本規(guī)律。本課程依據(jù)流體流動規(guī)律來進(jìn)行管路設(shè)計、輸送機(jī)械的選擇和能量(或功率)消耗的計算等。

（2）流體流動與傳熱、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)過程大多是在流動條件下進(jìn)行的，因此流體流動的內(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，共二十頁，編輯于2023年，星期日本章重點內(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阻力與能量損失管路計算第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日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，共二十頁，編輯于2023年，星期日1.1.1

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（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點：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，共二十頁，編輯于2023年，星期日1.1.2

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，共二十頁，編輯于2023年，星期日表面力：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:作用于流體每個質(zhì)點上的力，其大小與流體的質(zhì)量成正比，如重力、離心力等。第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日1.1.4

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)系可從手冊中查得。第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日

氣體

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

注意：手冊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，共二十頁，編輯于2023年，星期日三、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

——氣體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；

——氣體混合物中各組分的摩爾(體積)分?jǐn)?shù)。

第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日混合液體假設(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，共二十頁，編輯于2023年，星期日1.1.5

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，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。

第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日二、壓強(qiáng)的表示方法

絕對壓強(qiáng)以絕對真空為基準(zhǔn)測得的真實壓強(qiáng)值。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測得的相對壓強(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，共二十頁，編輯于2023年，星期日表壓=絕對壓－大氣壓真空度=大氣壓－絕對壓絕對壓

絕對壓

絕對真空

表壓

真空度

大氣壓

第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日一、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，共二十頁，編輯于2023年，星期日①流體與固體的力學(xué)特性兩個不同點不同之一：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，共二十頁，編輯于2023年，星期日②流體的剪應(yīng)力τ與動量傳遞根據(jù)牛頓粘性定律，對一定τ，μ↑，↓流動的流體內(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與之相鄰的速度慢的流體層向前運動的力，而同時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動的力流體內(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，共二十頁，編輯于2023年，星期日牛頓型流體：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

流體流動時在與流動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，共二十頁，編輯于2023年，星期日液體

: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動與碰撞。2.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(