講義化工原理流體流動

第一章流體流動1.1概述1.2流體靜力學(xué)1.3流體流動的基本概念1.4流體流動過程的物料衡算與機(jī)械能衡算1.5圓直管內(nèi)流體層流時(shí)的流速分布與阻力計(jì)算1.6

圓直管內(nèi)流體湍流的流速分布與阻力計(jì)算1.7

1.8流速及流量測定11.1

概述1)流體輸送流體流動是在化工生產(chǎn)中的一個(gè)基本過程；在化工生產(chǎn)中常見的流體流動如下：——需要研究流體的流動規(guī)律以便進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)、輸送機(jī)械的選擇及所需功率的計(jì)算。2——了解、控制生產(chǎn)過程，需對壓強(qiáng)、流速、流量等一系列參數(shù)進(jìn)行測定，而這些測定多以流體靜止或流動規(guī)律為依據(jù)。2)壓強(qiáng)、流速、流量的測量3)為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的條件——化工設(shè)備中傳熱、傳質(zhì)等多是在流動條件下進(jìn)行，故流體流動對這些過程有重要影響。31.1.1流體及其特征定義：流體包括液體和氣體。由大量的彼此之間具有間距的單個(gè)分子組成。分子作隨機(jī)無規(guī)則運(yùn)動，所以流體不是連續(xù)的介質(zhì)。特征：具有流動性；無固定形狀，隨容器的形狀而改變；在外力作用下內(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動；靜止流體沒有承受剪應(yīng)力的能力，也不能承受張力，只能承受壓力。41.1.2連續(xù)介質(zhì)模型流體質(zhì)點(diǎn)包含有大量流體分子。流體質(zhì)點(diǎn)與分子自由程比充分地大，體現(xiàn)了宏觀性質(zhì)；同時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)對所考慮工程問題的尺度來說，又是充分地小，體現(xiàn)了“點(diǎn)”位置流體的性質(zhì)，即微觀性質(zhì)。為了研究流體流動提出的一種假設(shè)，即流體是由無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)組成。51.1.3流體力學(xué)和流體流動什么叫流體力學(xué)(fluidmechanics)?以流體作為研究對象，探討流體處于平衡或運(yùn)動狀態(tài)時(shí)的力學(xué)規(guī)律及其與邊界間的相互作用的學(xué)科。流體流動是“化工流體力學(xué)”的一部分，主要介紹流體靜力學(xué)、流體在管道內(nèi)流動的基本規(guī)律及流量(流速)測定等方面。61.2

流體靜力學(xué)什么是流體靜力學(xué)(fluidstatic)？研究流體在外力作用下處于靜止或平衡狀態(tài)下其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間、流體與固體邊壁間的作用規(guī)律。1.2.1流體靜壓強(qiáng)(Pressure)1.靜壓強(qiáng)的定義：靜止流體中單位面積受到的內(nèi)法向壓力，用p表示。7靜壓強(qiáng)的定義說明：①p=壓力/面積=F/A，可引伸出：,

即壓強(qiáng)具有點(diǎn)特性。

②靜止流體中，同一水平面各點(diǎn)壓強(qiáng)相等(后面有更加嚴(yán)密的闡述)。③靜止流體中，作用于任一點(diǎn)上不同方位的壓強(qiáng)數(shù)值相等，即任一點(diǎn)上的壓強(qiáng)與方位無關(guān)

——Pascal定律。

82.壓強(qiáng)常用單位：1atm(物理大氣壓)=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at(工程大氣壓)=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×104Pa=0.9807bar93.壓強(qiáng)表達(dá)方式：1)絕對壓強(qiáng)：以絕對真空為基準(zhǔn)零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng)。2)相對壓強(qiáng)：以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)，表示為表壓(pg，即gagepressure)和真空度(p真)。表壓=絕對壓強(qiáng)–大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)–絕對壓強(qiáng)絕對零壓線大氣壓線絕對壓強(qiáng)表壓絕對壓強(qiáng)真空度10思考：表壓和真空度是絕對不變的嗎？大氣壓隨海拔高度而變化，故絕對壓強(qiáng)是唯一的，而表壓和真空度是變化的。例：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為80×103

Pa。在天津操作時(shí)，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強(qiáng)，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少？蘭州地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為85.3×103

Pa，天津地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為101.33×103

Pa。絕對零壓蘭州大氣壓絕壓(要求不變)蘭州真空度天津大氣壓天津真空度？111.2.2流體的密度和比容2.據(jù)流體密度是否隨壓強(qiáng)和溫度的變化而變化，將流體分為恒密度流體和變密度流體。沒有絕對的恒密度流體，一般液體隨溫度和壓力的變化小，可視為恒密度流體；而氣體隨溫度、壓力的變化較大，可視為變密度流體。理想氣體的密度：1.密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量，用表示。單位：kg/m312但當(dāng)過程的溫度、壓力變化不大時(shí)，也可將氣體視為恒密度流體。3.比容：密度的倒數(shù)，即單位質(zhì)量流體所具有的體積。單位：m3/kg131.2.3流體靜力學(xué)基本方程1.流體流動中的作用力:1)質(zhì)量力：作用于流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，并與流體的質(zhì)量成正比，對均質(zhì)流體也與流體體積成正比。如：重力場中的重力、離心力場的離心力。2)表面力：作用于流體微元的表面，并與其表面積成正比。如垂直于微元表面的力—壓力、平行于微元表面的力—剪力。142.流體靜力學(xué)基本方程的推導(dǎo)ρ

設(shè)容器S中盛有密度為ρ的靜止流體，紅色代表底面積為A的柱形流體微元，對其作受力分析：重力：W=ρgA(Z1–Z2)壓力P1，方向向下壓力P2，方向向上由于液柱靜止，故：P1+W–P2=0即：P1+ρgA(Z1–Z2)–P2=0P1/A+ρg(Z1–Z2)–P2/A=0令壓強(qiáng)p1=P1/A；p2=P2/A則：p2=p1+ρg(Z1–Z2)

（流體靜力學(xué)基本方程）15說明：(1)上式僅適用于重力場中靜止的不可壓縮流體。

但對于氣體若壓強(qiáng)變化不大，密度可近似取平均值而視為常數(shù)，則上式亦可使用。

(2)靜止流體內(nèi)部靜壓強(qiáng)僅與垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。水越深壓強(qiáng)越大，天空越高氣壓越低。

(3)等壓面：靜止、連通、恒密度流體內(nèi)處于同一水平面上的各點(diǎn)壓強(qiáng)處處相等。

16(4)由p2=p1+ρg(Z1–Z2)，可得：p1+ρgZ1=p2+ρgZ2令：pmodify=p+ρgZ修正壓強(qiáng)則：pm,1=pm,2即靜止、連通、恒密度流體在重力場中，不同位置的流體質(zhì)點(diǎn)間有一個(gè)參量是不變量，這個(gè)不變量就是修正壓強(qiáng)。

17例：如圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg/m3，水層高度h2=0.6m、密度ρ2=1000kg/m3。(1)判斷下列兩關(guān)系是否成立，即：pA=pA’，pB=pB’。(2)計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度h。181.2.4流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用1.壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測定1)簡單測壓管：特點(diǎn)：適用于高于大氣壓的液體壓強(qiáng)的測定，不適用于氣體，當(dāng)pA過大，R很大，就不方便；而pA過于接近pa，R讀數(shù)很小，測量誤差增大。pA=pa+gR192)U形壓差管：指示液密度為I

。指示液必須與被測液體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且不互溶，必須大于流體的密度ρ。一般對液體，指示液為Hg，對于氣體，指示液為水。p1=p1’p1=pA+ρghp1’

=pa+I

gRpA=pa+I

gR-ρgh203)U形壓差計(jì)：(p1-p2)與U形壓差計(jì)讀數(shù)R的關(guān)系式？設(shè)：壓差計(jì)指示劑的密度為ρA；

流體B的密度為ρB。pa=pa’pa=p1+ρBg(m+R)pa’=p2+ρBg(m+Z)+ρAgRp1–p2=(ρA–ρB)gR+ρBgZ如被測管水平放置，Z=0，上式變?yōu)椋簆1–p2=(ρA–ρB)gR21p1–p2=(ρA–ρB)gR+ρBgZp1–(p2+ρBgZ)=(ρA–ρB)gR以p1點(diǎn)為基準(zhǔn)，則上式可寫成：p1,m–p2,m=(ρA–ρB)gR所以U形壓差計(jì)也可以理解為是測量流體“修正壓強(qiáng)差”的儀器。22例：用水銀壓強(qiáng)計(jì)測量容器內(nèi)水面上方壓力p0，測壓點(diǎn)C位于水面以下0.2m處，測壓點(diǎn)C與U形管內(nèi)水銀界面A的垂直距離為0.3m，水銀壓強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)R=300mm，試求：(1)容器內(nèi)壓強(qiáng)p0為多少(以表壓表示)？(2)若容器內(nèi)表壓增加一倍，壓強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)R’為多少？ρ水=103kg/m3，ρ汞=13.6×103kg/m3234)微差壓差計(jì)：對于U形壓差計(jì)：若Δp很小，則讀數(shù)R也很小，難以讀數(shù)。若Δp很小時(shí)，也能使讀數(shù)R較大，怎么辦？使用微差壓差計(jì)。24微壓差計(jì)特點(diǎn)：①壓差計(jì)內(nèi)裝有兩種密度相近且不互溶的指示液A、C，而C指示液與被測流體B不互溶。②為了讀數(shù)方便，使U形管的兩側(cè)臂頂端各裝有擴(kuò)大室，俗稱水庫，擴(kuò)大室內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。(ρA–ρC)gR＋ρCgR(d/D)2p1–p2=習(xí)題1-7BBCA25ZAZBPAPB00’2.液位的測定化工廠中經(jīng)常要了解容器里液體的貯存量，或要控制設(shè)備里的液面，因此要進(jìn)行液位的測量。大多數(shù)液位計(jì)的工作原理均遵循靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)變化的規(guī)律。1)連通管，最原始的液位計(jì)，在容器底部器壁及液面上方器壁處各開一小孔，兩孔間用玻璃管相連。而所以262)遠(yuǎn)程液位計(jì)：例：用遠(yuǎn)距離液位裝置測量貯槽內(nèi)的液位，流程如圖。自管口流入N2，用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。管內(nèi)N2流速調(diào)節(jié)得很小，只要在鼓泡觀察器內(nèi)看出有氣泡緩慢逸出即可。管內(nèi)某截面上壓強(qiáng)用U形壓差計(jì)(指示液為汞)測量，則壓差計(jì)讀數(shù)R可反應(yīng)貯槽內(nèi)液位高度。已知R=200mm，液體密度為1250kg/m3，試求貯槽液面離吹氣管出口距離h為若干？baRhN2h=(i/)R=(13600/1250)0.2=2.18m解：pa

pbpa=p0+ghpb=p0+igR273.