第一章流體流動

《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering化工原理教研室ChemicalEngineeringTeaching&ResearchSection任課教師：孟霞1

化工原理課程簡介

課程性質(zhì)課程任務(wù)課程內(nèi)容課程要求

專業(yè)基礎(chǔ)課工程性、實踐性強橋梁作用開發(fā)、設(shè)計、操作、強化

動量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞自學(xué)能力創(chuàng)新能力理論聯(lián)系實際開發(fā)：選擇合適的過程及設(shè)備（按經(jīng)濟合理性、技術(shù)可行性、污染小、能耗低）設(shè)計：選擇設(shè)備的型號及主要尺寸（根據(jù)工藝對設(shè)備的要求）操作：如何進行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求

強化

改造現(xiàn)有的生產(chǎn)過程和設(shè)備以提高效率（包括增產(chǎn)、降耗、節(jié)能）理論教學(xué)實驗教學(xué)課程設(shè)計2化工過程與單元操作單元操作的分類單元操作的研究方法單元操作常用基本概念化工原理兩個重要工具緒論3化工過程與單元操作化工過程原料前處理化學(xué)加工后處理產(chǎn)品除去雜質(zhì)達(dá)到必要的純度，物理變化過程生成新的物質(zhì)，化學(xué)變化過程精制、分離達(dá)必要的純度，物理變化過程化工過程包括化學(xué)反應(yīng)過程和物理過程。4單元操作特點：化工生產(chǎn)中共有的操作;物理性操作：只改變物料狀態(tài)和物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)不變。

單元操作：化工生產(chǎn)中不涉及到化學(xué)反應(yīng)的一系列操作過程5按操作的理論基礎(chǔ)劃分動量傳遞為基礎(chǔ)：流體輸送、攪拌、沉降、過濾，離心分離熱量傳遞為基礎(chǔ)：加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝質(zhì)量傳遞為基礎(chǔ)：蒸餾、吸收、吸附、萃取熱、質(zhì)同時傳遞：干燥、結(jié)晶、增濕、減濕新的單元操作——膜分離技術(shù)、超臨界技術(shù)單元操作分類6(1)實驗研究方法（經(jīng)驗法）

優(yōu)點：省卻方程的建立，直接采用實驗獲得變量間的關(guān)系

不足：實驗工作量大、缺乏指導(dǎo)意義(2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗法）

必要性：復(fù)雜問題的簡化——廣泛被應(yīng)用研究方法7平衡關(guān)系---過程能否進行、進行的方向和達(dá)到的限度。傳遞速率增大速率可通過：增大推動力或減小阻力來實現(xiàn)

定態(tài)過程與非定態(tài)過程定態(tài)過程：物理量不隨時間而變，只隨位置變非定態(tài)：物理量隨時間和位置都變。

單元操作常用基本概念81．物料衡算

(1)衡算依據(jù)：質(zhì)量守恒定律非定態(tài)：輸入=輸出＋積存定態(tài)：輸入量=輸出量化工原理三個重要工具輸入系統(tǒng)輸出積累

9(2)衡算方法：a.

畫物料流程示意圖，流向用箭頭表示，標(biāo)明數(shù)據(jù)與待求量b.

確定衡算基準(zhǔn)：一般以單位進料或出料量、時間或設(shè)備的單位體積c.

劃定衡算范圍，列衡算式，求解例：連續(xù)蒸發(fā)過程總物料衡算：F=V+W溶質(zhì)物料衡算：FxF=WxW+VxVVxVWxwFxF

蒸發(fā)器10

衡算依據(jù)：能量守恒定律非定態(tài)：輸入=輸出＋積存定態(tài)：輸入量=輸出量指明基準(zhǔn)溫度（一般物料的焓從0℃算起，也可選其它溫度作基準(zhǔn)，必須指明）

2．熱量衡算3．動量衡算衡算依據(jù)：動量守恒定律研究動量隨時間的變化率，即牛頓第二定律所體現(xiàn)的規(guī)律。

11流體：具有流動性的物體，包括液體和氣體。流體流動是其它單元操作過程的基礎(chǔ)。在研究流體流動時，常將流體看成是由無數(shù)分子集團所組成的連續(xù)介質(zhì)。流體力學(xué)：流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)第一章流體流動12提出質(zhì)點概念作為流體宏觀運動的最小考察對象，工程上將流體看成是充滿所占空間的由無數(shù)質(zhì)點（分子微團）所組成的彼此沒有間隙的連續(xù)介質(zhì)。、流體流動的考察方法質(zhì)點的含義：（1）由大量分子構(gòu)成的微團（2）質(zhì)點間無間隔——連續(xù)（3）質(zhì)點的大小遠(yuǎn)小于管路或容器的尺寸，但比分子自由程大得多。連續(xù)性假設(shè):——流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)模型131.流體的熱力學(xué)性質(zhì)流體的密度—單位體積流體的質(zhì)量。用表示。

獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊 影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力

（2）公式計算：液體混合物：氣體：----------理想氣體狀態(tài)方程氣體混合物：質(zhì)量分率體積分率液體：溫度對密度的影響：T↑ρ↓,T↓ρ↑.故選用密度數(shù)值時要注意所確定的溫度。14混合氣體的平均密度比容v：單位質(zhì)量物體的體積——密度的倒數(shù)液體的比重d：任一液體的密度與4℃水的密度之比重度：單位體積的物體重量——工程上常用152．流體的壓力及其表示方法

流體的壓力—流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強。用p表示，工程上習(xí)慣稱之為壓力。（1）壓力單位

SI制:N/m2=Pa，稱為帕斯卡1atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)＝1.013×105

Pa＝760mmHg＝10.33mH2O總壓力：作用于整個面上的力工程制：kgf／cm2生產(chǎn)上：atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、m（流體液柱高度）1at(工程大氣壓)=lkgf／cm2=10mH20=735.6mmHg=9.81x104Pa163．壓力的表示方法絕對壓力表壓絕對真空（零壓）為基準(zhǔn)大氣壓力為基準(zhǔn)表壓＝絕對壓力－當(dāng)?shù)卮髿鈮赫婵斩龋疆?dāng)?shù)卮髿鈮海^對壓力絕對真空大氣壓絕對壓力絕對壓力表壓真空度p1p2圖1-1絕對壓力、表壓與真空度的關(guān)系絕壓、表壓與真空度的關(guān)系17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80KPa。在天津操作時，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓力，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少?蘭州地區(qū)的平均大氣壓為85.3Kpa，天津地區(qū)的平均大氣壓為101.33KPa。解：根據(jù)蘭州地區(qū)的大氣壓，可求得操作時塔頂?shù)慕^對壓力：

絕對壓力=大氣壓—真空度=85.3-80=5.3KPa天津操作時，塔內(nèi)維持相同的絕對壓力，而大氣壓不同，則塔頂?shù)恼婵斩纫膊煌渲禐?真空度=大氣壓—絕對壓力=101.33-5.3=96.03KPa18二.流體靜力學(xué)基本方程流體所受到的力質(zhì)量力表面力如重力、離心力等，屬于非接觸性的力。法向力切向力(剪力)(壓力)靜止流體所受到的力質(zhì)量力法向力----靜止流體內(nèi)部任一點的壓力,習(xí)慣上稱為靜壓力。----重力場中單位質(zhì)量流體所受質(zhì)量力,即為重力加速度。191．靜壓力的特點：從各個方向作用于某一點上的靜壓力相等。若通過該點指定一作用平面，則壓力的方向垂直于作用面；重力場中，同一水平面上各點的靜壓力相等，隨位置高低而變。

作用于薄層下底面的總壓力

pA

作用于薄層上底面的總壓力

(p+dp)A重力作用

ρgAdz2、靜力學(xué)方程的推導(dǎo)：二.流體靜力學(xué)基本方程式20

三力之和為0：向上作用力為正

pA－(p+dp)A－ρgAdz

＝0

dp＋ρgdz＝0

dZ(P＋dP)AρgAdzP壓力形式能量形式

液柱高形式

積分：

p＋ρgz＝C

或

p/ρ＋gz＝C

----流體靜力學(xué)基本方程211.液面上方的壓力

一定，內(nèi)部任一點壓力與液體密度和液面深度h有關(guān)。靜止的、連通的同種液體，處于同一水平面上的各點壓力都相等。壓力相等的面稱為等壓面。2.液面壓力

改變時，內(nèi)部各點的壓力將發(fā)生同樣大小的改變—帕斯卡原理（壓力具有傳遞性）3.壓力或壓力差的大小可用液柱高度來表示。4.=z1＋z2＋

p1g

p2g或=z＋常數(shù)

pg適用場合：絕對靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮流體三.流體靜力學(xué)基本方程的討論靜力學(xué)方程反映了靜止流體內(nèi)部能量守恒與轉(zhuǎn)換的關(guān)系。22等壓面的確定：具備四個條件：靜止、連通、同一水平面、同一流體

Pa’≠Pbaa’bb’截面a—a’、b—b’

為等壓面

Pa=Pa’，Pb=Pb’四.流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用23

1.壓力計(1)單管壓力計p

a

R

A1

..

p1–pa=p1(表)=gR

(2)U形壓力計rpa

A

1

h

R

2

3

r0p1=pa+0gR–gh

U管壓差計：U形管內(nèi)裝入與被測流體不同的液體——指示液。指示液與所測流體不互溶，密度要大于被測流體的密度，常選Hg。242．測壓差(1)U形管壓差計

2

1

z2

z1r

Ra

br012p1+

g(z1

+R)

=p2+

gz2

+0gRp1

-

p2

=

g(z2-z1)

+(0-)

gR

由pa=pb，得：25若管路水平：z2＝z1

P1－P2＝(ρ0－ρ)gR若管路內(nèi)是氣體ρ?ρ0

P1-P2=ρ0gR+ρg(z2-z1)若U管一端連被測流體，一端通大氣，讀數(shù)R指示被測流體表壓。

P表＝P1－P大3.倒U管壓差計264.雙液體壓差計(微壓差計)1略小于2讀數(shù)放大p1-p2=

(2-1)

gR5.斜管壓差計276、液位的測量：測液位置:容器底部器壁及液面上方器壁處各開一小孔，兩孔間U形玻璃管相連。pa=p0+ρgh

pb=p0+ρHggR287、液封高度的計算：液封目的:防止氣體泄漏保證流體自由流動氣壓超標(biāo)時,保證安全29第二節(jié)流體流動的基本方程一、概述：1、流量與流速流量：單位時間流過管路任一截面的流體量。體積流量

單位時間流過管路任一截面的流體體積，用Vs表示，單位為m3/s。

質(zhì)量流量

單位時間流過管路任一截面的流體質(zhì)量，用ms表示，單位為kg/s。

體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系

30質(zhì)量流速與流速的關(guān)系：質(zhì)量流量與流速的關(guān)系：平均流速：單位時間質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離，簡稱流速，用u表示，單位為m/s

質(zhì)量流速：單位時間內(nèi)流經(jīng)管路單位截面的流體質(zhì)量，用G表示，單位為kg／(m2·s)

312、管徑的計算

圓形管路,若管道內(nèi)徑d表示，則

一般:密度大或粘度大的液體，u應(yīng)小;含固體雜質(zhì)流體

u應(yīng)大，避免固體沉積在管內(nèi);氣體稍大10-30m/s，液體0.5-3m/s。32二、定態(tài)流動與非定態(tài)流動

1、定態(tài)流動：任一點處流體的流速、壓力、密度等物理量僅隨位置變，而不隨時間改變的流動。2、非定態(tài)流動：各物理量不僅隨位置而改變，而且隨時間而變的流動。33三、粘性與粘度內(nèi)摩擦力：運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力。粘性：流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力并阻礙流體相對運動的特性。粘性是內(nèi)摩擦力的表現(xiàn)，粘性是阻力產(chǎn)生的根本原因。yfAfBvBvABA34μ——粘度，衡量流體粘性大小的物理量，粘性越大μ越大。

——法向速度梯度，垂直于流動方向上速度的變化率，速度梯度有正負(fù)。

牛頓粘性定律

：μ物理意義：流體流動過程中，產(chǎn)生單位速度梯度時的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，又稱動力粘度。35粘度的影響因素：液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度隨溫度升高而增大。液體：T↑體積膨脹↑分子間距↑吸引力↓μ↓氣體：T↑u↑分子碰撞↑μ↑牛頓型流體：服從牛頓粘性定律的流體。所有氣體和大多數(shù)液體。非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體.36四、連續(xù)性方程——質(zhì)量衡算：

截面1—1’與2—2’為衡算范圍，由質(zhì)量守恒定律，——定態(tài)流動的連續(xù)性方程推廣到管路上任何一個截面不可壓縮的流體Vs1=Vs2=Vs3=…=Vs=常數(shù)37圓形管路：

分支管路：總管質(zhì)量流量為各分支管路質(zhì)量流量之和。

ms=ms1＋ms2msms2ms1以上各式都稱為管內(nèi)定態(tài)流動的連續(xù)性方程。

38五.伯努利方程

傳熱速率qe

，

能量：運動著的流體涉及的能量形式有內(nèi)能、位能、動能、靜壓能、熱、功u2/2，J/kggz，J/kg功率we，He取決于溫度，U，J/kg圖2-4控制體的能量衡算p/，J/kg…….能量衡算39靜壓能的概念：在靜止和流動流體內(nèi)部都存在著靜壓力，因此，系統(tǒng)的任一截面上都具有壓力。當(dāng)流體要通過某一截面進入系統(tǒng)時，必須要對流體做功，才能克服該截面的壓力，把流體壓入系統(tǒng)內(nèi)。通過該截面的流體便帶著與此功相當(dāng)?shù)哪芰窟M入系統(tǒng)，流體所具有的這種能量稱為靜壓能。靜壓能的計算：設(shè)：1kg流體體積為v=1/,流體通過管道某截面所受壓力P＝pA。則：流體通過該截面所走的距離：

1=

Al流體具有的靜壓能：靜壓能＝P×l＝p/40流體穩(wěn)定流動時的能量衡算：輸入能量＝U1+gZ1+u12/2+p1/

1

+qe+we輸出能量＝U2+gZ2+u22/2+p2/

2由能量守恒定律：輸入能量＝輸出能量U1+gZ1+u12/2+p1/

1

+qe+we＝U2+gZ2+u22/2+p2/

2總能量衡算式：(J/kg)1.理想流體流動過程的能量衡算理想流體：a.流體在流動時無摩擦，無能量損失b.不可壓縮流體41

gZ1+u12/2+p1/

＝gZ2+u22/2+p2/

＝常數(shù)理想流體伯努利方程：流體的機械能2.實際流體流動過程的能量衡算能量損失：Wf(J/kg)…由摩擦阻力引起能量補充：We(J/kg)……由流體輸送設(shè)備提供

gZ1+u12/2+p1/

＋We＝gZ2+u22/2+p2/

＋Wf實際流體伯努利方程：42對實際流體的能量衡算：機械能衡算方程（柏努利方程）外加壓頭靜壓頭動壓頭位壓頭壓頭損失或?qū)懗桑?/p>

43四種形式的柏努利方程：單位質(zhì)量流體J/kg

單位重量流體J/N,m液柱mkg流體J

、單位體積流體J/m3或Pa＝N·m2

注意：流體的衡算基準(zhǔn)不同，柏努利方程形式不同，單位不同，衡算中基準(zhǔn)要一致。44柏努利方程的討論：--------靜力學(xué)方程（1）理想流體在管道內(nèi)作定態(tài)流動時各截面上所具有的總機械能相等，每一種形式的機械能不一定相等，但各種形式的機械能可以相互轉(zhuǎn)化。

45(4)柏努利方程的適用條件：連續(xù)的、不可壓縮流體的定態(tài)流動;沒有考慮流體能量隨時間的變化，按定態(tài)推導(dǎo)；對于可壓縮流體，若,仍可用柏努利進行計算，但此時流體密度應(yīng)以兩截面間流體的平均密度計算。

46（5）柏努利方程式中zg、、----1kg流體在某截面上所具有的位能、動能和靜壓能，是狀態(tài)參數(shù)；we、Σwf----1kg流體在兩截面間獲得或消耗能量，為過程函數(shù).

We：輸送設(shè)備對單位質(zhì)量流體所作的有效功；Ne：單位時間輸送設(shè)備對總流體所作的有效功，即

Ne=ms

we

ms

：流體的質(zhì)量流量，Ne的單位：J／s或W

η------轉(zhuǎn)換效率

Ne＝ηN

N——輸送機械的軸功率47柏努利方程的應(yīng)用應(yīng)用柏努利方程計算，須注意：畫流程示意圖；標(biāo)流向；定上下游截面；確定衡算范圍截面選?。哼B續(xù)——兩截面間流體必須連續(xù)垂直——截面與流體流動方向垂直

技巧：截面宜選在已知量多的位置，便于計算基準(zhǔn)面的選?。何荒芑鶞?zhǔn)水平面須與地面平行，選兩截面低的為基準(zhǔn)，若截面不是垂直于地面，應(yīng)選管中心線的水平面。壓力：表壓、絕壓、真空度均可，但兩邊必須一致。1148