硅酸盐热工基础的全套教学课件

1.1流体的物理性质 流体的物理性质

1 流体力学基础

单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式

1.1流体的物理性质 1.2流体静力学基础 1.3流体动力学基础 1.4流体阻力及管路计算

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

液体和气体的总称 流体 —液体和气体的总称

单击此处编辑母版标题样式从 从 从 单击此处编辑母版副标题样式 研 研 研 究 对 象 分

研究流体平衡和运动规律的科学 流体力学 —研究流体平衡和运动规律的科学

液体力学 气体力学

究 内 容 分

流体静力学 流体动力学

究 方 法 分

理论流体力学 实验流体力学

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

单击此处编辑母版标题样式流体具有流动性

流体 与 单击此处编辑母版副标题样式 固体区别固体没有流动性

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

液体与气体的主要区别

单击此处编辑母版标题样式 气体可压缩 单击此处编辑母版副标题样式 液体不可压缩

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

1.1流体的物理性质 流体的物理性质1.1.1流体的密度 流体的密度(1)流体密度的定义及计算 ) 定义：单位体积流体的质量。符号“ ” 单位： 定义：单位体积流体的质量。符号“ρ”,单位：3 3

单击此处编辑母版标题样式 kg/m 或kg/Bm 。均质流体：

单击此处编辑母版副标题样式标态低压气体： ρ0 =

m ρ = V

M 22 4流体 摩尔质量

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

混合流体： 混合气体

ρm = x1ρ1 + x2 ρ2 + ...... n ρn = ∑xi ρi xi=1

n

单击此处编辑母版标题样式 混合液体 a a aρm =1 =

ρ1

1

+

ρ2

2

+ ......

n

n

ρn

∑ρi =1

1 aii

单击此处编辑母版副标题样式χi—混合气体中各种气体的体积百分比 ； 混合气体中各种气体的体积百分比,%; 混合气体中各种气体的体积百分比 αi—混合液体中各种液体的质量百分比，% 混合液体中各种液体的质量百分比， 混合液体中各种液体的质量百分比 ρi—气体或液体混合物中各组分的密度，㎏/m3; 气体或液体混合物中各组分的密度，㎏/ 气体或液体混合物中各组分的密度，㎏/6

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

(2)流体的密度与温度、压力的关系 )流体的密度与温度、 1)液体：工程上液体的密度看作与温度、压力无关。 液体：工程上液体的密度看作与温度、压力无关。 液体 2)气体：密度与温度和压力有关。 气体：密度与温度和压力有关。 气体PV P PV P = = 单击此处编辑母版标题样式 T T Tρ T ρ0 0 0 0 0 0

理想气体： 理想气体：

T0 P ρ = ρ0 TP 0 单击此处编辑母版副标题样式工业窑

炉(P≈P0): 工业窑炉T0、P0、 ρ0 、 标态时的温度、 标态时的温度、 压力、 压力、密度

T0 1 ρ = ρ0 = ρ0 T 1 + βt分析： 分析： t↑, ρ ↓;t↓, ρ ↑

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

【例】已知烟气的体积组成百分组成为：H2O12%, 例 CO218%,N270%,求此烟气标态在及200℃的密度。 【解】标态密度： 解

单击此处编辑母版标题样式 18 44 28i =1

ρ m 0 = ∑ xi ρ i 0= 0.12 ×

n

单击此处编辑母版副标题样式200℃时的烟气密度：ρ m = ρ m.0T0 T 273 = 0.756(kg / m 3 ) 273 + 2008

22.4 = 1.325( kg / m 3 )

+ 0.18 ×

22.4

+ 0.7 ×

22.4

= 1.325 ×

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

1.1.2、流体的连续性 、(1)连续介质假设 连续介质假设 流体看成是由大量的连续质点组成的连续的介质， 流体看成是由大量的连续质点组成的连续的介质，

单击此处编辑母版标题样式 没有空隙 。 质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。 质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍 100 (2)连续介质假设给分析问题带来的方便 连续介质假设给分析问题带来的方便 单击此处编辑母版副标题样式

每个质点是一个含有大量分子的集团， 每个质点是一个含有大量分子的集团，质点之间

①不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力作 不考虑复杂的微观分子运动， 用下的宏观机械运动。 用下的宏观机械运动。 ②能运用数学分析的连续函数工具。 能运用数学分析的连续函数工具

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

1.1.3流体的压缩性和膨胀性 流体的压缩性和膨胀性 1.1.3.1流体的压缩性 流体的压缩性 定义： 定义：流体在外力作用下改变自身容

单击此处编辑母版标题样式表示： 表示：温度一定,P ↑, V ↓ 温度一定

积的特性。 积的特性。

1 dV 1 ( )or ( m 2 / N ) βp = 单击此处编辑母版副标题样式 Pa V dp

压缩系数β 当温度不变时，压强每增加1帕时 帕时， 压缩系数βp :当温度不变时，压强每增加 帕时，流体体积的相对变化率。 流体体积的相对变化率。10

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

某一压强△ 范围内的平均压缩系数 范围内的平均压缩系数： 某一压强△p范围内的平均压缩系数：

βp =

1 V V p

(m 2 / N )特殊情况：压 特殊情况 压 强变化很大， 强变化很大， 考虑压缩性

单击此处编辑母版标题样式 压缩系数很小， 液体—压缩系数很小 液体 压缩系数很小，不可压缩流体 单击此处编辑母版副标题样式p 理想气体： 理想气体：V = V0 0 或 V2 = V1 p1 p p2温度一定， 温度一定，P↑—— V↓ ↓11

流体压缩性的区别: 流体压缩性的区别

气体—压缩系数很大，

气体 压缩系数很大，为可压缩流体

特殊情况： 特殊情况：压 强变化较小时 视为不可压缩

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

理想气体的压缩系数 ： 标态： 标态：

βp =βp =

1 p

1 = 10 5 101325

单击此处编辑母版标题样式 定义: 流体受热(或冷却) 定义 流体受热(或冷却)后改变自身容积的特性

1.1.3.2流体的膨胀性 流体的膨胀性

1 dV 单击此处编辑母版副标题样式 β = 表示: 表示 (1/K)T

V dT

压强不变时， 膨胀系数βT—压强不变时，

温度升高1K时 温度升高 时, 流体体积的相对变化率

气球受热 膨胀

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

一定温度范围的平均膨胀系数

1 V βT = V T

(1/K)温度变化很大时 须考虑体积变化

单击此处编辑母版标题样式液体— 膨胀系数很小， 液体 膨胀系数很小，工程上一般不考虑

流体压缩性的区别: 流体压缩性的区别

单击此处编辑母版副标题样式气体— 膨胀系数很大， 气体 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

理想气体: 理想气体

V0 273 + t V = T = V0 = V0 (1 + β T t ) T0 273

单击此处编辑母版标题样式 压强一定， 压强一定，T↑—— V ↑理想气体膨胀系数: 理想气体膨胀系数 单击此处编辑母版副标题样式 1

βT =

T

标态: 标态

βT =

1 1 ≈ 273.15 27314

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

1.1.4流体的粘性 流体的粘性 1.1.4.1牛顿内摩擦定律 牛顿内摩擦定律 粘 性相邻流层间相对运动

流体内质点或流层间 单击此处编辑母版标题样式 因相对运动而产生内摩擦力 以反抗相对运动的性质

单击此处编辑母版副标题样式相邻流体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动

粘性产生 原因

流体分子的热运动， 流体分子的热运动，使两层流体间有分子相 互掺混产生动量交换15

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

牛顿内摩擦定律: 牛顿内摩擦定律 运动流体的内摩擦力的大小与两层流体的接触面积成正比，与两层流体之间的速度梯度成正比。 体的接触面积成正比，与两层流体之间的速度梯度成正比。

单击此处编辑母版标题样式单位面积上的内摩擦力: 单位面积上的内摩擦力:

数学表达式： 数学表达式：

du f = µF (N) dy

f du dy 单击此处编辑母版副标题样式 τ = = µ (Pa) F dy

F

f

w + dwF

w

f

内摩力的方向与流 体运动方向相反

动力粘度16

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

理想流体 流体 实际流体

流体无粘性、完全不可压缩， 流体无粘性、完全不可压缩， 运动时无抵抗剪切变形的能力。 运动时无抵抗剪切变形的能力。 流体具有粘性， 流体具有

粘性，运动时有抵抗 剪切变形的能力 。

单击此处编辑母版标题样式 速度梯度为1 速度梯度为1时 1.1.4.2 粘度及其换算单位接触面积 上的内摩擦力

τ µ = 单击此处编辑母版副标题样式 动力粘度绝对粘度 运动粘度

µ ν= ρ

dw dy

粘度↑ 粘度↑粘性 ↑ 流动性↓ 流动性↓17

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等， 相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等， 相对粘度我国常采用恩氏粘度。 我国常采用恩氏粘度。

t 恩氏粘度： 恩氏粘度： E = t00

粘度 较小

粘度 较大

单击此处编辑母版标题样式200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘 试液，在测定温度下， 试液 度计流出所需要的时间t(s)与同体积的 度计流出所需要的时间 与同体积的 蒸馏水在20℃ 蒸馏水在 ℃时.从恩氏粘度计流出0

单击此处编辑母版副标题样式 的比值。 所需要的时间t 的比值 所需要的时间 (s)的比值。恩氏粘度与运动粘度的关系： 恩氏粘度与运动粘度的关系：

ν = (0.07310 E

0.0631 2 ) × 10 4(m /s) 0 E18

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

1.1.4.3粘度与温度的关系 粘度与温度的关系流体的粘度受压强的影响很小，温度的变化对粘度影响很大。 流体的粘度受压强的影响很小，温度的变化对粘度影响很大。

(1)液体 )

单击此处编辑母版标题样式 ， 分析：温度升高 液体体积膨胀，分子间距加大， 升高， 分析：温度升高，液体体积膨胀，分子间距加大引力减小，粘度减小。 引力减小，粘度减小。

液体产生内摩擦力的主要原因： 液体产生内摩擦力的主要原因：分子引力

单击此处编辑母版副标题样式 水的粘度与温度的关系：µ=0.0001775 1 + 0.0387t + 0.000221t 2

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1.1流体的物理性质 流体的物理性质

( 2)气体 ) 产生内摩擦力的主要原因： 产生内摩擦力的主要原因：分子热运动引起的动量交换 分析：温度升高， 分析：温度升高，分子热运动加剧 ，动量交换增多 ，粘 度增大。 度增大。 气体的粘度与温度的关系： 气体的粘度与温度的关系： 单击此处编辑母版标题样式273 + C T 3 µ = µ0 ( )( ) T + C 2732

单击此处编辑母版副标题样式 牛顿型流体—剪应力符牛顿内摩擦定律 牛顿型流体 剪应力符牛顿内摩擦定律实际 流体非牛顿型流体—剪应力不符合牛顿内摩擦定律 牛顿型流体 剪应力不符合牛顿内摩擦定律