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1、化工原理(上)总结第一章 连续介质假定理:质点一个紧挨着一个，质点间无空隙，即可认为流体充满其占据的空间。气体和液体具有易变形的特征，表现出流动性。气体和液体统称为流体。液体可视为不可压缩性流体；气体可视为可压缩性流体。流体的物理性质（1）流体的密度： kg/m3；气体的密度：当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体考虑，即： 或 ；式中：0 标准状态（P0=101.3kPa，T0=273K）下气体的密度，kg/ m3。气体混合物：以1m3混合气体为基准式中：xv,i 混合物中i组分的体积分率。理想气体混合物： ，其中Mm为平均分子量： 式中：yi 混合物中 i组分的摩尔分率，在低压下，yi=
2、 xv,i。液体的密度：液体混合物，以1kg混合液体为基准式中：xw,I 混合物中i组分的质量分率。流体的重度和比重：重度：单位体积的流体所具有的重量，单位为N/m3，kgf/m3。比重：液体的比重通常指其密度与水在4时的密度之比，即 （无因次）流体的比体积（比容）v： 流体的黏度：牛顿黏性定律 ；剪应力，单位面积上的内摩擦力，N/m2；du/dy 速度梯度，与流动方向垂直的方向（径向）上的速度变化率，1/s；比例系数，即动力黏度，绝对黏度，简称黏度。1Pas=1 Ns /m2=10P=1000cP （厘泊）1P（泊）=1dyns/cm2黏度的影响因素：温度对流体黏度的影响很大，气体的黏度远小
3、于液体的黏度。液体的黏度随温度的升高而减小，而气体的黏度却随温度的升高而增大。压力对液体的黏度基本没有影响，对气体黏度的影响也很小。流体静力学：流体的压力：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，常用P表示。流体的压力具有垂直性、各方向上的均等性、连续性。压力的单位及换算1atm=1.013105Pa=10.33mH2O=760mmHg=1atm =1.033at；1at=1kgf/cm2 =9.087*104Pa=10mH2O=735.6mmHg压力的表示方法，以绝对真空（0atm）为基准计量的压力称为绝对压力，是流体的真实压力，以当地大气压为基准计量的压力称为表压或真空度。表压力=
4、绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力；流体静力学基本方程式或应用注意事项：方程适用于静力场中静止的单一连续流体。静止液体内部任一点压力的大小，与液体本身密度和该点距液面的高度有关，越深则其压力越大。利用一定高度的液体柱可以表示压强差的大小，这是液柱压差计的原理。当液面上方压力P0变化时，必以同样的大小传递到液体内部各点，这就是帕斯卡原理。静止、连续的同一液体的同一水平面上，各点压力相等，即等压面为一水平面。这就是液面计的依据连通器原理。在连续、静止的同一种流体中，静压能与位能守恒。流体静力学基本方程式的应用压力测量：利用流体静力学基本方程可以测量流体的静压强，使用的测压仪器一般称为液柱
5、压差计，较为典型的有：U型管压差计、倒装U型管压差计、斜管压差计和微差压差计（双液压差计）。指示液选用原则： a. 与所测流体不互溶b. 与被测流体不起化学作用c.其密度应大于所测流体的密度 （0）d. 易于观察。普通 U 型管压差计： ；当被测流体为气体时，由于气体的密度相对于指示液的密度小得多（0），则： 倒装U型管压差计 斜管压差计 ； （倒装）；双液压差计：忽略扩大室内的液面变化时： 不忽略： 流体动力学：流量与流速:体积流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的流体体积，以V表示，单位：m3/s或m3/h。所取截面应与流体流动方向相垂直。质量流量：单位时间内流体流过管路任一截面积的质量
6、，以W表示，单位：kg/s或kg/h。体积流量与质量流量的关系：（3）（平均）流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离，以u表示，单位：m/s。工程上，平均流速一般是以流体的体积流量除以管路横截面积：质量流速：单位时间内流体流过管路单位截面积的质量，以G表示，单位kg/(m2s）。故在气体管路的分析和计算中，采用质量流速比较方便。稳定流动与不稳定流动：在流动系统中，如果与流动有关的各参数（u、P、等）只随位置变化，不随时间变化，为稳定流动。在流动系统中，如果与流动有关的各参数（u、p、等）不仅随位置变化，而且还随时间变化，为不稳定流动。物料衡算连续性方程：流体在一无分支管路中作稳定流动，如在
7、流动过程中并没有流体的加入或泄漏，则从管路入口截面1进入的流体质量流量应等于从管路出口截面2流出的流体质量流量，这就是稳定流动的物料平衡方程式，也为连续性方程W1=W2或：u1A11= u2A22对不可压缩流体，可视为常数，则：u1A1=u2A2 ;对于圆形管路，则可写成说明不可压缩性流体稳定流动管路中，流速与管内径的平方成反比。机械能衡算：柏努利方程式柏努利方程形式： 式中各项的单位为J/kg。其中，We为单位质量流体通过衡算范围的过程中所接受的功，hf为单位质量流体在衡算范围内流动时的能量损失，又称为比能损失。柏努利方程的分析和讨论：应用条件：.流体作稳定流动，连续不间断；流体为不可压缩性
8、流体，=const；III.整个流动过程为恒温过程，内能不变。柏努利方程的不同形式：以单位体积流体为衡算基准： 各项单位为Pa。以单位重量流体为衡算基准： ；各项的单位为m。式中，称为有效压头；，称为压头损失；而Z、分别称为位压头、动压头和静压头。总比能和流向判断；引入总比能E=Zg+，对于实际流体， hf0，实际流体总是从总比能高处流向总比能低处。各截面的总比能大小是判断流体流向的依据。外功We是输送设备对单位质量流体所作的有效功。单位时间输送设备对流体（不是单位质量流体）所作的有效功，称为有效功率，以Ne表示：Ne=WeW=WeV式中：W 流体的质量流量，kg/s；V 流体的体积流量，m3
9、/s。应用柏努利方程进行计算时压强项可以用绝对压强值，也可用表压强值代入，但不能用真空度。流体在管内的阻力损失：流体流动的型态：层流（又称滞流）和湍流（又称紊流）。采用雷诺数Re判断流体的流动型态： 。Re2000时，层流型态；2000Re4000时，流动型态与外界条件有关，称作过渡流；Re4000时，为湍流。Re反映了流体流动过程中的惯性力和黏性力的对比关系。当惯性力占主导地位时，Re较大，滞流程度大；当黏性力占主导地位时，则Re数小，将抑制流体的湍动体阻力之和。两者之和又称为局部阻力。流体流动的阻力：柏努利方程式中的hf项是所研究管路系统的总能量损失（或称阻力损失），它既包括系统中各段直管
10、阻力损失hf ，也包括系统中各种局部阻力损失hf，即：有外功加入时以单位体积流体为基准为：；hf指单位体积流体流动时损失的机械能，用Pf表示，称为因流动阻力而引起的压强降。Pf并不是两截面间的压强差P。在一般情况下，P与Pf在数值上不相等，只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管内流动时，因We=0，Z=0，=0，才有P=Pf。直管阻力损失-范宁公式：式中：是无因次系数，称为摩擦系数，与剪应力有直接关系。a.范宁公式适用于不可压缩流体的稳定流动，既可用于层流，也可用于湍流；b.范宁公式可以写成以下三种形式：因摩擦阻力而引起的压力降：Pa流体的比能损失： J/kg 流体的压头损失： m
11、层流时的阻力损失计算：圆形管中层流时的速度分布呈抛物线形；流体层流时平均流速等于管中心处最大流速umax的一半，u=0.5umax。层流时的范宁公式： ；-哈根泊谡叶公式。可见，流体在圆形直管内作层流流动时，在双对数坐标上加以标绘（lg=lg64-lgRe），可以得到一条直线。湍流时的阻力损失计算在发达湍流情况下，u0.82umax。光滑管，=0，柏拉修斯公式：该式一般适用于计算Re=3103105的光滑管。流体在非圆形直管内的阻力损失对于非圆形管道，一般引入当量直径的概念：，长方形de=2ab/a+b；环形：de=d1d2当里面为n根小管时（每根外径为d0时）de=（d1d0n）/（d1+d
12、0n），截面积=（d1d2）/4，润湿周边长度=（d1+d2） 注意：只能用de代替Re和阻力计算式中的d，不能用de计算非圆形管的截面积，而计算流速时所用到的截面积应是非圆形管的实际流通截面积。局部阻力损失阻力系数法：计算单位质量流体直管阻力，常采用比动能的倍数来表示 式中：u与管件相连的直管中流体的平均流速，m/s；局部阻力系数。流体自容器进入管内，进口阻力系数=0.5；流体自管子进入容器或从管子直接排放到管外空间，出口阻力系数=1。当量长度法：流体流经管件、阀门等局部地区所引起的能量损失可仿照范宁公式写成如下形式： 式中le称为管件或阀门的当量长度，单位为m。实际上是为了便于管路计算，把
13、局部阻力折算成一定长度直管的阻力。孔板流量计： 转子流量计： 流量校正：出厂根据20的水或20及760mmHg下的空气进行标定的，校正： 若气体流量计可认为pf=p2 管路计算：简单管路：所谓简单管路是指流体从入口到出口是在一条管路中流动的，没有出现流体的分支或汇合的情况。整条管路可以由内径相同的管子组成，也可以由几种不同内径的管子组成。不同管径管道连接成的管路又称串联管路。串联管路特点是：对于稳定流动，通过各管段的质量流量不变，即：W1=W2=W3=W=const；对于不可压缩性流体，则有：V1=V2=V3=V=const；整个管路的阻力损失为各段阻力损失之；分支（汇合）管路：特点：主管路中
14、流体的质量等于个分支管中流体的质量流量之和，即：对于不可压缩流体，有：由于支管的存在，主管内的各部分流量不同，主管的阻力损失必须分段考虑；流体在某一分支点处无论其以后向何处分流，其总比能为一定值。并联管路：管的质量流量等于各支管质量流量之和，W=W1+W2+W3 若为不可压缩流体，则为：V=V1+V2+V3；各条支管中的阻力损失是相同的，即：hf,1=hf,2=hf,3通过各支管的流体流量依据阻力损失相同的原则进行分配，即各管流量大小应满足：流量测量变压头流量计、变截面流量计测速管所测的速度是管路内某一点的线速度，可以用来测定流道截面的速度分布。主要用于大管径气体流速或大气中风速的测量，但其测
15、压孔小，易堵塞，因此不宜用于测量含固体粒子的流体速度。不能直接测出平均流速，压差小，不易读准。孔板流量计和文丘里流量计都属于节流式流量计，都是采用节流元件在全流道面积上节流造成压降以便测得平均流速（或流量）。二者的孔流系数均与测量元件的局部阻力有关，即与流体的Re数有关，与测压口的位置有关，也和锐孔与管截面积比A0/A1有关，孔板流量计的C0=0.60.7，文丘里流量计的Cv=0.980.99。两种流量计均会形成永久性压降，孔板流量计的阻力损失较大，文丘里流量计的较小。转子流量计的读取直观方便，可直接测取流体的流量。但要注意，转子流量计在出厂时一般是根据20的水或20及760mmHg下的空气进行标定，并将流量值刻在玻璃管上。使用时若流体的条件与标定条件不符，应对原有的刻度进行校正： 式中下标1代表标定流体（水或空气）的流量和密度值，下标2代表实际操作中所用流体的流量和密度值。二、流体输送机械：离心泵（1）结构：吸入管、排出管、泵主体（转动部分（叶轮（开式、半蔽式、蔽式）、泵轴）、固定部分（泵壳、导轮、密封装置、
