【正文】 化工原理概述概述流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)流體流動(dòng)中的守恒原理流體流動(dòng)中的守恒原理流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力損失阻力損失流體輸送管路的計(jì)算流體輸送管路的計(jì)算流速和流量的測(cè)定流速和流量的測(cè)定非牛頓流體的流動(dòng)（略）非牛頓流體的流動(dòng)（略）概述流體流動(dòng)的考察方法流體流動(dòng)中的作用力流體流動(dòng)中的機(jī)械能 返回流體流動(dòng)的考察方法問(wèn)題的引出：為什么要研究流體流動(dòng)？流體流動(dòng)規(guī)律是本門課程的 重要基礎(chǔ) ，涉及流體流動(dòng)規(guī)律的主要有以下三個(gè)方面：(1)流動(dòng)阻力及流量計(jì)算(2)流動(dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響(3)流體的混合效果流體流動(dòng)研究的內(nèi)容是什么？流體流動(dòng)的宏觀規(guī)律與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用什么方法研究流體流動(dòng)的宏觀規(guī)律？力 運(yùn)動(dòng) 能量，即受力分析、運(yùn)動(dòng)描述、能量分布。流體流動(dòng)的考察方法一、連續(xù)性假定 (Continumhypotheses)為什么流體要看成連續(xù)？原因：氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體是由大量的彼此間有一定間隙的單個(gè)分子所組成。不同的考察方法對(duì)流體流動(dòng)情況的理解也就不同。在流動(dòng)規(guī)律的研究中，感興趣的不是單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，而是流體宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng) ，因此可以流體在空間流動(dòng)假定為連續(xù)分布的。 在物理化學(xué)中（氣體分子運(yùn)動(dòng)論）是考察單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，分子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的、不規(guī)則的混亂運(yùn)動(dòng)，在某一方向上有時(shí)有分子通過(guò)，有時(shí)沒有。因此 這種考察方法認(rèn)為流體是不連續(xù)的介質(zhì)，所需處理的運(yùn)動(dòng)是一種隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，問(wèn)題將是非常復(fù)雜的。流體流動(dòng)的考察方法怎樣看成連續(xù)的（假定內(nèi)容）？⑴ 考察對(duì)象：取 流體質(zhì)點(diǎn) 而不是單個(gè)分子作為最小的考察對(duì)象。流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)） —— 是指一個(gè)含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但比起分子自由程卻要大得多，即 足夠大、足夠小 。 ⑵ 流體是由大量質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此之間沒有空隙、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。注意 ：這種假定在絕大多數(shù)情況下是適合的，但是在高真空稀薄氣體的情況下是不成立的。流體流動(dòng)的考察方法二、運(yùn)動(dòng)的描述方法 —— 拉格朗日法和歐拉法拉格朗日法：選定一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，對(duì)其跟蹤觀察，描述其運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度等）與時(shí)間的關(guān)系。即， 同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（跟蹤法。）歐拉法 ：在固定的空間位置上觀察 流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，直接描述各有關(guān)參數(shù)在空間各點(diǎn)的分布情況隨時(shí)間的變化，例如對(duì)速度 u，可作如下描述： 可見： 歐拉法是空間一定，不同質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) (關(guān)卡法 )。流體流動(dòng)的考察方法它們的應(yīng)用場(chǎng)所拉格朗日法應(yīng)用于所研究的 任一點(diǎn)均遵循一般規(guī)律的問(wèn)題。一般情況下，需對(duì) 流動(dòng)作出描述 時(shí)，都采用歐拉法。對(duì) 定態(tài)流動(dòng) 更是如此。三、定態(tài)流動(dòng)空間各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng) 不隨時(shí)間 而變化，則稱為定態(tài)流動(dòng)。流體流動(dòng)的考察方法四、兩種考察方法的比較 流線與軌線 ⑴ 軌線 ：某一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(拉格朗日法的結(jié)果 )。⑵ 流線：同一瞬間時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向 (歐拉法的結(jié)果 )。如右圖，流線上四個(gè)箭頭分別表示在同一時(shí)間四個(gè)不同空間位置上 a、b、 c、 d四個(gè)流體質(zhì)點(diǎn) ⑶ 流線的兩個(gè)重要屬性① 各流線是不會(huì)相交的② 不是真正幾何意義上的點(diǎn)，而是具有質(zhì)點(diǎn)尺寸的點(diǎn) 流體流動(dòng)的考察方法系統(tǒng)與控制體⑴ 系統(tǒng)：是包含眾多流體質(zhì)點(diǎn)的集合（是采用拉格朗日法考察流體的），系統(tǒng)的邊界隨著流體一起流動(dòng)，其形狀和大小都是隨著時(shí)間而變化。⑵ 控制體：是劃定一固定的空間體積，構(gòu)成控制體的空間界面稱為控制面，控制面總是封閉的固定界面。（采用歐拉法考察流體的）系統(tǒng) 控制 體控制面流體流動(dòng)的考察方法小結(jié)：考察方法選擇：固體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng) —— 拉格朗日法流體流動(dòng) —— 歐拉法返回流體流動(dòng)中的作用力一、種類體積力體積力（質(zhì)量力） 與 流體的質(zhì)量 成正比，對(duì)于均質(zhì)的流體也與 流體的體積 成正比。如流體在重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的重力就是一種體積力， F＝ mg。重力與離心力都是典型的體積力。表面力 — 內(nèi)摩擦力 表面力與流體的 表面積 成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為壓力 P與剪力 τ。 流體流動(dòng)中的作用力⑴ 垂直于表面的力 P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng) p。⑵ 平行于表面的力 F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為剪應(yīng)力 τ。1MPa（兆帕）＝ 106Pa（帕斯卡）注意：國(guó)內(nèi)許多教材習(xí)慣上把壓強(qiáng)稱為壓力。流體流動(dòng)中的作用力二、粘性與內(nèi)摩擦力粘性的宏觀表現(xiàn) — 內(nèi)摩擦力。粘性的物理本質(zhì) — 分子間引力和分子的運(yùn)動(dòng)和碰撞。牛頓粘性定律 — 流體的粘度 ； — 法向速度梯度流體流動(dòng)中的作用力三、流體與固體的力學(xué)特性兩個(gè)不同點(diǎn)（一般了解）固體表面的剪應(yīng)力 τ∝ 剪切變形（角變形）而流體內(nèi)部的剪應(yīng)力 τ∝ 剪切變形速率（角變形速率）（見下圖） 這 是由于流體在剪切力的作用下其 變 形是無(wú)止境的，只要作用力存在， 變 形與運(yùn) 動(dòng) 將一直 維 持下去，只能在剪 應(yīng) 力 τ與 變 形的快慢（即 變 形速率）之 間 建立關(guān)系，牛頓 粘性定律就是 這 種關(guān)系，式中的速率梯度 就是剪切變形速率⑵ 單位： SI制： CGS制： cP（厘泊）運(yùn)動(dòng)粘度 SI制的單位為 m2/s粘度 μ又稱為動(dòng)力粘度。液體： μ＝ f（ t），與壓強(qiáng) p無(wú)關(guān)，溫度 t↑， μ↓，水(20℃ )， cP，要記住，油的粘度可達(dá)幾十到幾百 cP, 流體流動(dòng)中的作用力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。 四、流體的剪應(yīng)力與動(dòng)量傳遞 粘度 μ ⑴ 物性參數(shù)之一 輸送原油加熱目的？氣體： p40atm時(shí) μ＝ f（ p）與 t無(wú)關(guān)，溫度 p↑， μ↑流體流動(dòng)中的作用力牛頓型流體與非牛頓型流體服從牛頓粘性定律的流體稱為 牛頓型流體 （大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動(dòng)規(guī)律。不服從牛頓粘性定律的流體稱為 非牛頓型流體， 非牛頓型流體（血液、牙膏等）的 τ與速度梯度 關(guān)系見本章第 8節(jié)。粘性流體與理想流體μ＝ 0，流體無(wú)粘性（理想流體，如下圖所示，實(shí)際不存在） 返回流體流動(dòng)中的機(jī)械能一、內(nèi)能內(nèi)能是貯存于 液體內(nèi)部的能量 ，是由于原子與分子的運(yùn)動(dòng)及其相互作用存在的能量。因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于 液體的溫度 ，而 液體的壓力影響可以忽略 。單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能 U＝ f（ t）， J/Kg二、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流體流動(dòng)中的機(jī)械能三、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)能四、 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。， v—— 流體的比容 單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能流體流動(dòng)中的機(jī)械能機(jī)械能（位能、動(dòng)能、壓強(qiáng)能）在流動(dòng)過(guò)程可以互相轉(zhuǎn)換，亦可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能。但熱和內(nèi)能在流體流動(dòng)過(guò)程不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而用于流體輸送。機(jī)械能損失 — 內(nèi)摩擦力作用。返回流體靜力學(xué)本節(jié)將回答以下問(wèn)題：靜力學(xué)研究什么？采用什么方法研究？主要結(jié)論是什么？這些結(jié)論有何作用？流體靜力學(xué)靜壓強(qiáng)在空間的分布?jí)簭?qiáng)能與位能壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法 返回靜壓強(qiáng)在空間的分布一、補(bǔ)充內(nèi)容：密度的概念和影響因素定義 單位體積流體所具有的質(zhì)量 ，如果表示流體上某點(diǎn)的密度則為：影響因素⑴ 對(duì)于液體靜壓強(qiáng)在空間的分布⑵ 對(duì)于氣體二、流體靜力學(xué)基本方程式靜壓強(qiáng) 空間各點(diǎn) 。流體微元的受力平衡 如下圖所示，作用于立方體流體微元上的力有兩種，即表面力和體積力。A靜壓強(qiáng)在空間的分布X靜壓強(qiáng)在空間的分布① 表面力abcd表面的壓力（ N）為：a/b/c/d/表面的壓力（ N）為：對(duì)于其他表面，也可以寫出相應(yīng)的表達(dá)式。 ② 體積力設(shè)單位質(zhì)量流體上的體積力在 x方向的分量為 X(N/Kg)，則微元所受的體積力在 x方向的分量為 ，該流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，外力之和必等于零、對(duì) x方向，有靜壓強(qiáng)在空間的分布與 x方向相同的力取 “＋ ”號(hào)，相反取 “－ ”號(hào)。上式兩邊同除以得：同理 靜壓強(qiáng)在空間的分布?xì)W拉平衡方程 若將該微元流體移動(dòng) dl距離，此距離對(duì) x， y， z軸的分量為 dx、 dy、 dz，將上列方程組分別乘以 dx、 dy、 dz并相加得：靜壓強(qiáng)在空間的分布平衡方程在重力場(chǎng)中的應(yīng)用如流體所受的體積力僅為重力，并取 z軸方向與重力方向相反，則： 將此式代入流體平衡的一般表達(dá)式有：16