化工原理第一章流体流动

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1、第一章第一章 流体流动流体流动n1.流体：液体和气体统称为流体。流体：液体和气体统称为流体。n特征：n(1)具有流动性;n(2)无固定形状;n(3)在外力作用下,其内部发生相对运动。n2.本章主要讲的内容本章主要讲的内容:流体流动的基本原理及其流动规律。n3.经常应用流体流动规律的场合经常应用流体流动规律的场合:n(1)流体的输送(使流体在低能耗及低设备费用下完成输送).n(2)压强.流速.和流量的测量(控制生产过程).n(3)为强化设备提供适宜的流动条件(为提高设备效率.而化工过程处理的均是流体).4.讨论的方法讨论的方法: 连续性假设连续性假设n将流体视为由无数的分子集团组成的连续介质将流

2、体视为由无数的分子集团组成的连续介质, 每每个分子集团称为质点。这些质点：个分子集团称为质点。这些质点：n(1)其大小与容器或管道相比是个微不足道的其大小与容器或管道相比是个微不足道的.n(2)质点在流体内部一个紧挨一个质点在流体内部一个紧挨一个,它们之间没有任它们之间没有任何空隙。何空隙。n即认为流体充满其所占的空间，从而把流体视即认为流体充满其所占的空间，从而把流体视 为为连续介质，这样就摆脱了复杂的分子运动，从宏连续介质，这样就摆脱了复杂的分子运动，从宏观角度来研究流体的流动规律。观角度来研究流体的流动规律。n注意：在高度真空下的气体，就不能再视为连续注意：在高度真空下的气体，就不能再视

3、为连续介质。介质。第一节流体静力学基本方程式n流体静力学流体静力学：研究流体在外力作用下达到n平衡的规律。n应用很广应用很广：流体在设备内或管道内压强的变化与测量、压差计、液体在储罐内液位的测量及设备的液封等。n本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。n先介绍有关流体的两个参数：1-1-1 流体的密度流体的密度n1、密度：单位体积流体所具有的质量。 2、气体的密度：由于气体是可压缩的，即=f(p,T)，而手册中查得的是一定p,t下的值，这就涉及换算问题。 当压强不太高，温度不太低时，可按理想气体处理。 一般可提供查阅手册获得 T-绝对温度，K，p-Pa(绝对压强) 对一定质量的气体 3.混

4、合物密度的计算混合物密度的计算（1）液体混合物：）液体混合物：假设各组分在混合前后的体积不变，则1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和,即 （2）混合气体（浓度常用体积分率表示）以1m3混合气体为基准。 假设各组分在混合前后其质量不变，则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和，即 MA,MB, Mn-气体混合物中各组分的摩尔质量 YA,yB , yn-气体混合物中各组分的摩尔分率 4补充几个与密度有关的概念补充几个与密度有关的概念1）液体的比重（相对密度） 2）重度：单位体积流体所具有重量3)比容：单位质量的流体所具有的体积 比容：m3/kg 流体流动中的作用力可分为体积力和表面力

5、 体积力：作用于流体每个质点上，并与流体的质量 成正比。对均质流体也与流体的体积成正比。场力：重力、离心力等表面力：压力和剪力，与表面积成正比 1-1-3流体的静压强流体的静压强 p流体的静压强，PaP垂直作用于流体表面上的压力，NA作用面的面积，m2.1、定义：、定义：流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的静压强，简称压强。 表达式：表达式：称为点静压强称为点静压强. 2、特点、特点：（1）在静止流体内部任意面上只受到大小相等，方向相反的压力。(2)作用于静止流体内部任意点上所有不同方位的静压强在数值上相等。 工程上：为了适用和换算方便，常将1kgf/cm2称为1个工程大气压,即1at=

6、1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807104Pa 3、压强的不同单位表示法及其之间的换算关系、压强的不同单位表示法及其之间的换算关系 （1）SI制中，压强的单位Pa,帕斯卡；N/m2（2）习惯上：atm(标准大气压),某流体柱高度（米），bar(巴)，kgf/cm2等 1atm=101.325kPa=1.033kgf/cm2=1.01325bar=760mmHg=10.33m=1.01325105Pa 注：101.325kPa是北纬45度海平面,15C的测定值4.不同的方法表示的压强不同的方法表示的压强真空表：用来测量压强的仪表，当被测流体的绝对压强

7、小于外界大气压强时，所用测压仪表称为真空表。 （1）绝对压强：绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，称为绝对压强，它是流体的真实压强。 （2）表压强：表压强：压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压高出的数值，称为表压强。 （3）真空度：真空度：真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度。 4.不同的方法表示的压强不同的方法表示的压强（4）三者之间的关系三者之间的关系 注：真空表和压力表是不同的，即不能互换。规定：表压和真空度均应该加以标注即真空度=-表压 真空度=大气压绝对压强 表压=绝对压强大气压 即：3kgf/cm2(表压)或200mmHg(真空度) 1-

8、1-3流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、基本方程式的推导一、基本方程式的推导 在密度为 的静止流体中，取一微元立方体，其边长分别为dx,dy,dz，它们分别与x,y,z轴平行,如图 pdxdy,定义：流体在重力和压力作用下的平衡规律表达定义：流体在重力和压力作用下的平衡规律表达式，也就是流体处于静止状态时的平衡规律式，也就是流体处于静止状态时的平衡规律。在在z轴方向上轴方向上 （1）作用于下底面的压力pdxdy,（2）作用于上底面的压力 （3）作用于整个立方体的重力为 pdxdy,1-1-3流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 pdxdy,提示：静止流体内部，任意一点的静压能与位

9、能之和为一常数。常称为总势能。二、讨论二、讨论 1p0一定，一定，故在静止的连续的同一液，故在静止的连续的同一液体内部，处于同一水平面上各点的压强相等体内部，处于同一水平面上各点的压强相等 2.p0变化时，液体内各点的压强将发生同样的变化变化时，液体内各点的压强将发生同样的变化3,说明压强差的大小可以说明压强差的大小可以用一定高度的液柱来表示，但必须注明何种液体；用一定高度的液柱来表示，但必须注明何种液体； 4上式以不可压缩流体为对象推得。对于气体，上式以不可压缩流体为对象推得。对于气体，由于它是可压缩流体，在由于它是可压缩流体，在h不同处，不同处， 变，但在变，但在化工容器中，这种变化可以忽

10、略。上式仍然适化工容器中，这种变化可以忽略。上式仍然适用用, 取取 m，但只是近似解，但只是近似解.5注意：是在静止的连通着得同一流体内部成立注意：是在静止的连通着得同一流体内部成立114静力学基本方程式的应用静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量 1、U型管压差计 1）结构2）对指示液的要求：（3）被测流体密度小于指示液的密度，即（2）A与被测流体不起化学变化；（1）A与被测流体不互溶； 1、U型管压差计 3）原理：当流体是气体时，若用U型管压差计测量某点的压力,则只需将其一端通空,另一端连接到被测量点即可 2.微差压差计：微差压差计： 可以看出，当所测量的压强差很小时，U型管压差计读

11、数R很小，有时难以准确读出R值，为把读数放大，有两种措施： （1）在选指示液时，使很小，但后果是液面不稳定； （2）使用微差压差计： （2）为读数方便，使U型管两端各装有扩大室，扩大室内径与U型管内径之比大于10，这样就使得管内指示液A的液面差R很大，但两个扩大室内的指示液C的液面变化很小，可以认为维持等高。 （1）微差压差计内装有两种密度相近，且不互溶的指示液A和C，而指示液C与被测流体B亦不互溶。 微差压差计的特点：微差压差计的特点： 3、倾斜压差计：为了提高读数的精度， 可以将液柱压差计倾斜放置。即：n n 二、液位的测量：二、液位的测量：目的：了解容器里的贮存量，控制设备里的液位目的：

12、了解容器里的贮存量，控制设备里的液位 1、最原始的液位测量：、最原始的液位测量： 特点：因玻璃管易碎，且不便于远传或远处观察特点：因玻璃管易碎，且不便于远传或远处观察 2、安装平衡室：、安装平衡室：条件：（1）平衡器的小室里面所装的液体与容器里的相同。 （2）平衡器里液面的高度维持在容器液面允许达到的最大高度处。 则结论：（1）当容器里得液面达到最大高度时：R=0 (2 ) R0时可根据压差的计算法，计算液面高度，容器里液面愈低压差计读数越大 平衡室液位维持在设备的最高液位处平衡室液位维持在设备的最高液位处3、远距离测量液位、远距离测量液位 当容器离操作室较远，或埋在地面一下时，液位的测量装置

13、如图。管内氮气的流速由调节阀控制，一般很小，在最高液位时有气泡缓缓溢出即可，气体流速不能太大，否则阻力损失较大，不可忽略。 除此之外，液位的测量方法还有很多，有利用浮力的浮球式液位计，电容式液位计，超声波，射线等等。 n 三、液封高度的计算 真空液封 四、静力学方程式其他应用1、倾析器 2、稳压高位槽(马里奥特容器) 3、倒液封 第二节第二节 流体在管内的流动流体在管内的流动 1.流量：流量： 2.流速：流速： 1)实验表明：流体流经管道任一截面时各点的流速沿管径 变化，中心处最大，壁面处最小为0。速度分布复杂， 工程上为方便取平均值。滞流 湍流 121流量与流速流量与流速体积流量：流体量用通

14、过的流体的体积表示。VS ,m3/s 单位时间内流过管道任一截面的流体量。流体量：质量流量：流体量用通过的流体的质量表示。Ws, kg/s 单位时间内流体在流动方向上流过的距离。u，m/s 3.管道内径的计算：若管道为圆形截面，则管道内径的计算：若管道为圆形截面，则 122 定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动 w定态流动：定态流动：在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变化，不随时间而变化，这种流动称为定态流动。 w化工生产中多属于这种连续定态流动过程 非定态流动非定态流动：在流动系统中，若各截面上流体 的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而变 化，而且

15、随时间而变化，这种流动称为非定态流动。 123 连续性方程式连续性方程式1.物料衡算：如图：123 连续性方程式连续性方程式124 能量衡算方程式能量衡算方程式1.流动系统的总能量衡算方程式：如图衡算范围：设备内壁面、 11截面、22截面间围成的系统衡算基准：1kg流体 基准水平面：o-o v1,v2 流体分别在截面11与 截面22处的比容；m3/kg 符号含义：符号含义：u1,u2 流体分别在截面11与截面22处的流速；m/s p1,p2 流体分别在截面11 与截面22处的压强；Pa Z1,Z2 流体分别为截面11 与截面22处的中心与 基准 水平面的垂直距离；mA1,A2 流体分别为截面1

16、1与 截面22处的面积；m2 1kg流体进、出系统时输入和输出的能量： 1kg流体进、出系统时输入和输出的能量： w以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为： 二、流动系统的机械能衡算式与伯努利方程式 以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为： ： 二、伯努利方程式的讨论 1.该方程表示理想流体在管道内作定态流动而又 没有外功加入时，在任一截面上单位质量流体所 具有的位能、动能、静压能之和为一常数，称为 总机械能，单位:J/kg; 2.注意方程中各项的单位及意义； 3.对于可压缩流体，若所取系统两截面的绝对压 强变化小于原来绝对压强的20时，该方程仍然 适用，但应该注意：式中密度应该用两截面密度的

17、平均值代替； 6.衡算基准不同，方程式形式不同 5.如果流体静止，该式简化为静力学基本方程式； 即流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式 4.对于非定态流动系统的任一瞬间，伯努利方程仍然成立； 125 机械能衡算方程式机械能衡算方程式（伯努利方程式）的应用（伯努利方程式）的应用1.确定管道中流体的流量 2.确定设备间的相对位置 3.确定输送设备的有效功率 4.确定管路中流体的压强五、应用伯努利方程式的解题要点： 1、作图与确定衡算范围 2、截面的选取3、基准水平面的选取4、单位必须一致六、非定态流动系统的计算 第三节第三节 流体的流动现象流体的流动现象 一、牛顿粘性定律2、水在管内的流动

18、、水在管内的流动：如图 流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流 体层间的相互作用力它是流体粘性的表现，又称 为粘滞力或粘性摩擦力。1、粘性：、粘性：流体具有粘性，没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。在运动状态下，流体还具有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。 它是流体阻力产生的依据。131 牛顿粘性定律与流体的粘度牛顿粘性定律与流体的粘度3.牛顿粘性定律：牛顿粘性定律：以两平行平板间流体流动为例，大量实验表明：D：压强变化时，液体的粘度基本不变，气体粘度随压强增加而增加很少，一般情况下可以忽略，只有在极低或极高压强下才需要考虑。二、流体的粘度二、流体的粘度1、粘度的物理意义：促

19、使流体流动产生单位速度梯度的剪应力提示： A：粘度是与速度梯度相联系，流体只有 运动时才显现出来；B：粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定；C：液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随 温度的升高而增大；2、粘度的单位及换算、粘度的单位及换算4、混合物的粘度、混合物的粘度132 非牛顿型流体非牛顿型流体w凡是符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。 凡是不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。 133 流动类型与雷诺准数流动类型与雷诺准数 一、雷诺实验一、雷诺实验 2、湍流流动（紊流流动）：质点做无规则的杂乱运动，相互碰撞，并产生大大小小的旋涡。 三、雷诺准数三、雷诺准数注：凡是几个有内在联

20、系的物理量按无因次条件组合起 来的数群称为准数或无因次数群（包含了各物理量之间 的联系，又能说明某一现象或过程的一些本质）二、流体流动的两种类型二、流体流动的两种类型：1、滞流流动（层流流动）：质点沿管轴有规则的平行运动 第三节流体的流动现象134 滞流与湍流滞流与湍流 1.流体内部质点的运动方式流体内部质点的运动方式 2、流体在圆管内的速度分布、流体在圆管内的速度分布滞流 湍流 3、流体在直管内的流动阻力、流体在直管内的流动阻力 滞流与湍流的区别 （本质区别）（本质区别）135 边界层的概念边界层的概念 1.边界层的形成及边界层的发展边界层的形成及边界层的发展2.边界层的分离边界层的分离 平

21、板上边界层的形成与发展平板上边界层的形成与发展 圆管内的边界层形成与发展圆管内的边界层形成与发展 第四节第四节 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力流动阻力产生的原因：流动阻力产生的原因：1、流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是流动阻、流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是流动阻 力产生的根源；力产生的根源； 2、固定的管壁或其它形状的固体壁面，促使流动的、固定的管壁或其它形状的固体壁面，促使流动的 流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力直管阻力局部阻力流动阻力直管阻力局部阻力 直管阻力直管阻力:流体流过直管而产生的阻力损失

22、流体流过直管而产生的阻力损失 局部阻力：由于流体流经管路中的管件、阀门及局部阻力：由于流体流经管路中的管件、阀门及 管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。 强调：强调：流体流过水平放置的圆形直管，且无外功加入时，两截面压强差就等于由于阻力损失产生的压强降。 141流体在直管中的流动阻力1.直管阻力通式的推导 141流体在直管中的流动阻力 141流体在直管中的流动阻力流体在直管中的流动阻力管壁绝对粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度 管壁相对粗糙度： /d摩擦系数摩擦系数 f(Re, /d) 2、管壁粗糙度对摩擦系数、管壁粗糙度对摩擦系数 的影响的

23、影响 粗糙度与摩擦系数的关系粗糙度与摩擦系数的关系1 粗糙度与摩擦系数的关系粗糙度与摩擦系数的关系3 粗糙度与摩擦系数的关系粗糙度与摩擦系数的关系2 3、滞流时的摩擦系数滞流时的摩擦系数:如图如图 定理定理：a）任何因次一致的物理方程都可以表示为一组无因次数群的零函数 b）无因次数群1， 2， 3，的数目i等于影响该现象的物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次的数目m4、湍流时的摩擦系数和因次分析湍流时的摩擦系数和因次分析 因次分析方法的目的因次分析方法的目的： 因次分析方法的基础或依据：因次分析方法的基础或依据：因次一致性原则：因次一致性原则：根据基本物理规律导出的物 理方程，其中各项

24、的因次必然相同。 因次一致性原则和定理4、湍流时的摩擦系数和因次分析湍流时的摩擦系数和因次分析4）完全湍流区：图中虚线以上的区域， 与Re无关，仅与/d有关。阻力平方区利用以/d为参数，标绘Re和关系图查取摩擦系数 该图分为四个区域： 1)滞流区：Re4000及虚线以下的区域，特点是 f(Re, /d) 当/d一定， 随Re的增大而减小，Re值增至某一数值后下降缓慢。 Re值一定，随 /d增大而增大。 5、流体在非圆形直管内的流动阻力水力半径：流体在流道里的流通截面A与润湿周边长度的比值。 142 管路上的局部阻力管路上的局部阻力1、突然扩大和突然缩小 2、进口和出口 3、管件与阀门进口阻力系

25、数，c=0.5;出口阻力系数。 e=1.0有关手册中可查到142 管路上的局部阻力管路上的局部阻力当量长度的意义：当量长度的意义：流体流过某一管件或阀门 的局部阻力，相当于流过一段与其具有相同 直径、长度le的直管阻力。143 管路系统中的总能量损失管路系统中的总能量损失第五节 管路计算简单管路 复杂管路 分支管路 汇合管路 并联管路一、简单管路的计算 1、管路计算中的常用方法试差法 2、简单管路分析一、管路计算中的试差法一、管路计算中的试差法对于后两种情况该如何计算？在实际工作中常见的情况有：1、已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输 送量，求流体通过管路系统的能量损失，以便进一步 确定

26、输送设备所加入的外功、设备内的压强或设备 间的相对位置等。2、已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的 能量损失，求流体的流速或流量。3、已知管长、管件和阀门的当量长度、流体的流 量及允许的能量损失，求管径。试差法试差法一、管路计算中的试差法二、简单管路的分析二、简单管路的分析 条件：高位槽内液面维持恒定， 各管段管径相同总阻力损失为定值结论： 1、任何局部阻力的增加，将使管内流速下降2、下游阻力增加，将使上游压强增大3、上游阻力增加，将使下游压强降低4、任何时刻，阻力损失表现为流体的势能差增大复杂管路复杂管路 工程上常用的两种处理方法：1、交点O的能量交换和损失与各股的流向和流速大小皆有关系

27、，但可将单位质量流体跨越交点的能量变化看作流过管件（三通）的局部阻力损失。由实验测定不同情况下三通的局部阻力系数，当流体流过交点时能量有所增加，则值为负， 否则为正值。 这样，只要各股流向明确，仍可跨越交点列 机械能衡算式求解。2、如果输送管路其它部分的阻力较大，如：三通阻力（单位质量流体流过交点时的能量变化） 所占比例甚小，可以忽略。可不计三通阻力跨越交点列机械能衡算式， 所得结果是足够准确的第二种方法实际中常用三、并联管路的分析三、并联管路的分析 并联管路的特点并联管路的特点 四、分支管路的分析四、分支管路的分析 分支管路的特点：1、尽管各支管长短及直径相差不一，但单位质量流体 在各支管流

28、动终了时的总机械能与能量损失之和相等分支管路分析：分支管路分析： 因为各支路下游压强不变，有各支路流速增大因为交点处压强增大，主管路流速减小特例：1、总管阻力可以忽略不计，以支管阻力为主支管路上的阀门关小，对分支点的压强影响较小， 故对其它支管的流量几乎没有影响。2、总管阻力为主，支管阻力可以忽略 此时因为与各支管终端压强相近，总管中的流量 将不因支管情况而变，即支管阀门的启闭不影响 总流量，而仅仅改变各支管流量的分配。五、汇合管路的分析五、汇合管路的分析 汇合管路 第六节第六节 流量测量流量测量一、测速管（皮托管）1、结构：2、原理： 提示：1）测速管只能测出管截面上任一点的点速度2)测量点

29、应该在稳定段 3）测速管的外径不大于管道内径的1/504)测速管的制造精度影响测量的准确性，一般 C为校正系数，标准测速管C1，通常为0.981.03、优缺点及应用场合优点：对流体阻力小，适用于测量大直径管路 的气体流速。缺点：不能直接测出平均流速 ，且读数较小， 常需配用微差压差计，当流体中含固体杂质时，又易堵塞。二、孔板流量计二、孔板流量计1、结构 2、工作原理3、流量系数C0： 提示： 1) 一定的面积比，ReRec时，Co为常数2) 根据读数R计算流量时，应该先确定Co，而 故此需采用试差法即：假设ReRec，查得Co ，再由Co算出流量， 由流量算出流速u，再算Re，若ReRec，假

30、设 正确，否则重算。3）对于气体或蒸汽流量时，当压力变化20时 4、优缺点及安装：优点：结构简单，造价低缺点：阻力损失大，孔口边缘有磨损及腐蚀， 应该定期校正安装：上下游要有一段内径不变的直管段上游：50d1；下游：10d1特点：恒截面，变压差特点：恒截面，变压差三、文丘里流量计三、文丘里流量计 1、结构、结构：为了减少流体流经节流元件的能量损失设计了文丘里流量计。2、原理:与孔板流量计相同3、特点：阻力损失小 各部分尺寸要求精细，需严格加工，造价高4、适应场合：低压气体的输送四、转子流量计四、转子流量计1、转子流量计的构造、转子流量计的构造： 2、转子流量计中的转子受力分析、转子流量计中的转子受力分析： 转子承受的压力差转子承受的压力差=转子所受的重力转子所受的重力-流体对转子的浮力流体对转子的浮力显然：对于某一转子流量计，如果在所测量的流 量范围内，流量系数CR为 常数时，流量只随环系 截面积AR而变。 转子流量计特点：恒流量，变截面转子流量计特点：恒流量，变截面转子流量计刻度在标定条件制作的，当使用条件发生 变化时应该进行校核。标定条件：液体：20C清水 气体：常压、 20C空气优点：读数方便，能量损失小测量范围宽。 能够用于腐蚀性流体缺点：玻璃制品易碎，不能承受高温，安装易碎且 必须保持垂直。