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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、