[工学]化工原理1流体流动

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1、第1章 流体流动1.1 流体的物理性质 1.2 流体力学基本方程式 1.3 流体流动的基本方程 1.4 流体流动现象 1.5 流动在管内的阻力 1.6 管路计算 1.7 流量测量本章总结联系图Date1第一章 流体流动流体：气体和液体的统称。 流体的特性：流动性；无固定形状，随容器的 形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运 动。 流体流动规律在化工生产中的应用： 解决流体的输送问题； 压力、流速、流量的测量； 为强化设备能力提供适宜的条件。Date2第一章 流体流动质点： 大量分子构成的集团，其大小与容器或管路的 尺寸相比微不足道。 连续介质： 流体就是由无数个质点所构成的，质点在流体 内部

2、一个紧挨一个，之间无间隙，所以流体是 连续的，叫连续介质。Date3第一章 流体流动1.1 流体的物理性质 1.1.1 流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量称为密度，用表示 ，单位kg/m3。其表达式：密度为流体的物性参数，随温度、压力而变化。 1.1.1.1.纯液体的密度液体的密度一般只随温度而变化，压力的影响可忽略 不计。纯液体的密度可从有关手册中查取。 Date4第一章 流体流动1.1.1.2.纯气体的密度气体的密度与温度和压力有关。一般当压力不太高 、温度不太低的情况下，可按理想气体处理。 1.根据查得状态计算2.根据标准状态计算上标“”表查的状态无上标表操作状态下标“0”表标准状

3、态无下标表操作状态Date5第一章 流体流动3.根据操作状态计算1.1.1.3 液体混合物的平均密度 对理想溶液，各组分混合前后体积不变，则1kg混合液体的 体积等于各组分单独存在时的体积之和。 1/m=ai/i 式中：ai组分i在混合物中的质量分率；i组分i单独存在时密度，kg/m3。Date6第一章 流体流动1.1.1.4 气体混合物的平均密度1.对理想气体，各组分混合前后质量不变，则1m3混合 液体的质量等于各组分单独存在时的质量之和。 m=yii 式中：yi组分i在混合物中的体积分率(摩尔分率)；i组分i单独存在时密度，kg/m3。Date7第一章 流体流动3.仿照纯气体密度的计算：2

4、.仿照纯气体密度的计算：式中：Mm混合物的摩尔质量，kg/kmol。Mm=MiyiMi组分i的分子量，kg/kmol；yi组分i的摩尔分率。Date8第一章 流体流动1.1.2 流体的粘度1.1.2.1 牛顿粘性定律流体具有的特性： 流动性：无固定形状，在外力作用下其内部产生相对运 动。 粘性：在运动的状态下，流体还具有抗拒内在向前运动 的特性yxuDate9第一章 流体流动故，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极 薄的圆筒层，一层套着一层，称为流体层，各层以不 同的速度向前运动，如图示，由于层间的相对运动， 流得快的流体层对与其相邻流得慢的流体层产生一种 牵引力，而流得慢的流体层对相邻

5、的流得快的流体层 则产生一种阻碍力。这两种力大小相等方向相反，因 此流动时流体内部相邻两层间必有上述相互作用的剪 应力存在，这种运动流体内部相邻两流体层间的相互 作用，称为内摩擦力，或粘性力、剪力。正是这种内 摩擦力的存在，产生了流动阻力，流体流动时必须克 服内摩擦力而作功，从而将流动的一部分机械能转变 为热而损耗掉。 Date10第一章 流体流动影响剪力大小的因素： 平板情况：匀速运动的流体，内摩擦力F，相邻流体层 速度差u、距离y，接触面积A。 yxuDate11第一章 流体流动圆管内：对u与y成曲线关系，以剪应力的形式表示为 ：称为牛顿粘性定律，它揭示了流 体的剪应力与速度梯度的一次方

6、成正比。根据牛顿粘性定律，将 实际流体分为：牛顿型流体，指 服从牛顿粘性定律的流体，所有 的气体和大部分液体属于此；非 牛顿型流体，指不服从牛顿粘性 定律的流体，如一些高分子溶液 、胶体溶液属于此类。 Date12第一章 流体流动1.1.2.2 流体的粘度1.粘度： 牛顿粘性定律中的比例系数称为动力粘度，简称粘度 。用于衡量流体粘性大小的物理量，其直观表现是流 体的粘度愈大，流动性愈差。只有在运动时才表现出 来。 粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定。液体 的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高 而增大。压力变化时液体的粘度基本不变，气体的粘 度随压力增加略有增大，在工程计算中可忽

7、略不计， 只有在极高或极低的压力下才考虑其影响。 在SI制中，粘度的单位为Pas。但在某些手册中查得 的粘度单位为泊(P)，单位g/cms;或厘泊(cP)，为非法 定单位，其换算关系为： 1cP10-3Pas Date13第一章 流体流动2.运动粘度粘度与密度的比值来表示，称为运动粘度，以符号 表示，单位为m/s。即： / 3.混合物平均粘度yi组分i摩尔分率常压气体混合物分子不缔合的液体混合物xi组分i摩尔分率Date14第一章 流体流动1.1.2.3 理想流体与粘性流体理想流体：完全没有粘性的流体，即=0的流体。 粘性流体(实际流体)：具有粘性的流体，即0的流体 。 自然界中存在的所有流体

8、均具有粘性，故并不存在真 正的理想流体，其概念的引入是为简化计算。 粘度很小的流体：可视为理想流体； 粘度较小的流体：通常首先将其视为理想流体，待找 出规律后，再考虑粘度的影响，对理想流体的分析结 果加以修正； 粘度较大的流体：不能按以上两种方法处理。Date15第一章 流体流动1.1.3 流体的可压缩性、可压缩流体、不可压缩流体1.1.4.1 流体的可压缩性定义：当作用于流体上的外力发生变化时，流体的体 积随之变化的特性。用压缩系数表示：式中：流体的比容，m3/kg流体愈容易被压缩Date16第一章 流体流动1.1.4.2 不可压缩流体定义：流体的压缩性可以忽略(0)的流体。 对于不可压缩流

9、体，0d/dp=0密度不随压力改变，换言之 ，密度为常数的流体为不可压缩流体。 1.1.4.3 可压缩流体 定义：流体的压缩性不可以忽略(0)的流体。 对于可压缩流体， 0d/dp0密度随压力改变，换言之，密 度不为常数的流体为可压缩流体。可见：液体属不可压缩流体，气体属可压缩流体。若 气体在输送过程中压力变化不大，因而密度改变亦不 大时，可按不可压缩流体处理。Date17第一章 流体流动1.2 流体静力学基本方程式流体静力学是研究流体在外力作用下处于相对静止状 态下的平衡规律。在重力场中，由于重力是不变的， 静止时变化的仅仅是压力，因此其实质是讨论静止流 体内部压力(压力)分布的规律。Dat

10、e18第一章 流体流动1.2.1 静止流体的压力静止流体中只有压力，而无剪力。定义：静止流体中，垂直作用于流体单位面积上的力 ，用p表示，即：1.流体压力的特性流体压力的方向和作用面垂直，并指向作用面；在静止流体内部，任一点处流体压力在各个方向上 都是相等的。Date19第一章 流体流动2压力的单位及其换算 1atm1.033kgf/cm21.0133105Pa760mmHg 10.33mH2O1.013bar (P18) 1at1kgf/cm20.9807105Pa=10mH2O=0.9807bar 3.压力的表示方法 绝对压力(绝压)：以绝对真空为起点计算的压力，是流体 的实际、真实压力，

11、不随大气压力的变化而变化。 表压力(表压)：当被测流体的绝压大于外界大气压力时， 用压力表进行测量。压力表上的读数(指示值)反映被测流体 的绝压比大气压力高出的数值，称为表压力，即： 表压力绝对压力-大气压力 Date20第一章 流体流动3.真空度(负压)：当被测流体的绝压小于外界大气压力 时，采用真空表测量。真空表上的读数反映被测流体 的绝压低于大气压力的差值，称为真空度，即： 真空度大气压力-绝对压力 很显然：真空度表压力 绝压，表压，真空度和大气压力之间的关系见图 ：说明由于外界 大气压力随大气温 度、湿度和当地海 拔高度而变，故在 计算中除对表压和 真空度进行标注外 ，还应指明当地大

12、气压力数值。 表压A绝压A真空度B绝压B大气压力Pa绝对真空Date21第一章 流体流动1.2.2 流体静力学基本方程式 描述静止流体内部压力变化规律的数学表达式 。 1.2.2.1 方程式的推导 在密度为的静止液体中取底面积为A的液柱。受力分析： P1作用于上底面的法向力，方向向下 P2作用于下底面的法向力，方向向上 W作用于整个液柱的重力，方向向下P1Z2P2WZ1Date22第一章 流体流动当取液柱上表面为液面，表面上方压力为p0，则液柱高度 为h处压力为：p=p0+gh 静止流体内部压力变化规律敞口时， p0为大气压；密闭时， p0为液体蒸汽压 1.2.2.2 方程式的讨论 1. 静止

13、流体内部两点间压力差的大小，只与其垂直距离 和流体的密度有关，而与其水平位置和容器的形状无关 。 2.在静止液体中，当位置1处压力p1发生变化时，位置2处 压力p2亦发生同样大小的变化，即压力具有传递性(在液 体中) 。 3.当p0=const时， ，p；h，pDate23第一章 流体流动4.将方程式写成h=(p-p0)/g，知压力差的大小可用液体 柱高度表示，但需注明液体种类。 5.静止、连续的同一流体中，处于同一水平面上各点 的压力相等，称为等压面。 6.对于气体，因密度随所处位置高度而变化，该方程 式不适用。但在化工容器中这种变化甚小，故可认为 仍然适用，而且近似认为p2=p1。 7.前

14、述方程式适用场合：静止、连续、同种流体 相对静止、连续、同种流体Date24第一章 流体流动1.2.3 流体静力学基本方程式的应用1.2.3.1 压强及压强差的测量以流体静力学方程式为依据，用于 测量流体的压力和压力差的测压仪 器称为液柱压差计，典型的有两种： 1.U型管压差计指示液，压差计读数R，值大小反映了两测压口间压力差 的大小。 选a-a所在平面为等压面，并且分别在等压面上列静力学 方程式： pa=p1+g(m+R)， pa=p2+gm+AgR 由于pa=pa p1-p2=(A-)gR Date25第一章 流体流动p1-p2=(A-)gR 说明若管道中的流体为气体时：A， p1-p2A

15、gR 测管道中表压力时，只将U管右端与大气相通即可 ，此时p1-pa=gm+AgR 测管道中真空度时，只将U管左端与大气相通即可 ，此时pa-p2=gm+AgRDate26第一章 流体流动2.倾斜液柱压差计为提高读数的进度而改进。读数为R。 (p1-p2)=(A-)gR R=R/sin【说明】倾斜角愈，R值愈大。RP2 P1RDate27第一章 流体流动为提高读数精度。 扩大室，指示液A、C。 选等压面，列静力学方程式得： p1-p2=(A-C)gR 只要所选的指示液A、C密度较为接近， 便可将R放大到普通U型管的几倍以上 3.微差压差计Date28第一章 流体流动例1-1 在某设备上装置一复式U型水银压差计，截面间充满水，已知对某 基准面而言，各点的标高分别为：h0=2.1m，h2=0.9m，h4=2.0m， h6=0.7m,h7=2.5m，求设备内水面上方的表压力p。 解：从右自左，选等压面2-2，4-4和6-6，并在其上列静力学基本方程 式：226644Date29第一章 流体流动1.2.3.2 液位的测量 1.近距离液位测量装置 在设备外安装一带有平衡室的U型管压差计，下部装指示液并与设备底 部连通，平衡室与设备上方相接并装有与设备内相同的液体，其液面 高度维持在设备内液面允许达到的最大高度，由压差计中指示液