第1章流体流动

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	第1章流体流动
	【本章学习要求】
	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。
	【掌握内容】
	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．压强的定义、表示法及单位换算；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．流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；５．流动阻力产生的原因，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．简单管路的设计计算及输送能力的核算；７．管路中流体流量的测量：毕托管、孔板流量计、转子流量计的工作原理、基本结构。
	【熟悉内容】
	１．流体的连续性和压缩性、定态流动与非定态流动；２．层流与湍流的特征；３．管内流体速度分布公式及应用；４．哈根-泊谡叶方程式的推导；５．复杂管路计算要点；６．正确使用各种数据图表；７．边界层的概念。
	【了解内容】
	１．牛顿型流体与非牛顿型流体；２．层流内层与边界层，边界层的分离；３．因次分析法的原理、依据、结果及应用；４．毕托管、孔板流量计、转子流量计的计算。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。

	第1节概述
	１考察流体流动时的几个概念

	（1）流体的连续性：化工原理中考察的是液体质点的宏观运动，流体质点是由大量分子组成的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比分子自由程却要大很多。这样，把流体看作是由大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。（2）定态流动（稳定流动）：空间各点的状态(流速、流量、压强等)不随时间变化。（3）控制体：划定某一固定空间体积（如一段管路或一台设备）来考察问题时，该空间体积称作控制体。

	２流体流动中的作用力

	（1）体积力（质量力）：与流体的质量成正比，对于均质的流体也与流体的体积成正比。如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种体积力：F＝mg （2）压力：垂直于表面的力P。单位面积上所受的压力称为压强p：
		式中：p——压强，N/m²，或Pa（帕斯卡）； P——压力，N； A——表面积，m²。
	压强单位换算：1atm=101.3kPa=760mmHg=10.33mH₂O。工程中经常将压强称作压力，如将压强表称作压力表。
	（3）剪切力：平行于表面的力F。单位面积上所受的剪切力称为剪应力τ。
		式中：τ——剪应力，Pa； F——剪切力，N； A——表面积，m²。

	３牛顿粘性定律

		式中：μ——流体的黏度，N.s/m²，即Pa.s； ——法向速度梯度，1/s。
	黏度单位换算：1Pa.s=10P（泊）=1000cP（厘泊）牛顿粘性定律可由两块平行的平板间的流体速度变化来演示（点击右侧动画）。流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力。流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为τ。实际上τ反映了动量传递。 μ的变化规律：液体：温度t↑，μ↓，与压强p无关；气体：温度t↑，μ↑，当p<40atm时与p无关；理想流体：（实际上不存在）μ=0。

	４流体流动中的机械能

	（1）内能：内能是贮存于液体内部的能量，是由于原子与分子的运动及其相互作用存在的能量。因此液体的内能与其状态有关。内能大小主要决定于液体的温度，而液体的压力影响可以忽略。单位质量流体所具有的内能U＝f（t），J/kg；（2）位能：在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。单位质量流体所具有的位能gz，J/kg；（3）动能：液体因运动而具有的能量，称为动能。单位质量流体所具有的动能u2/2，J/kg；（4）压强能：流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此获得的能量称为压强能，单位质量流体所具有的压强能p/ρ，J/kg；（ρ——流体的密度，kg/m³）机械能（位能、动能、压强能）在流动过程可以互相转换，亦可转变为热或流体的内能。但热和内能在流体流动过程不能直接转变为机械能而用于流体输送。