化工原理第一章-1

第一章流體(liútǐ)流動精品資料目的(mùdì)和要求1、熟練掌握流體(liútǐ)靜力學(xué)基本方程式，連續(xù)性方程式和柏努利方程式及其應(yīng)用。2、正確理解流體的流動類型和流動阻力的概念。4、了解測速管，文丘里流量計(jì)，孔板流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理和基本計(jì)算。3、掌握流體流動阻力的計(jì)算，簡單管路的設(shè)計(jì)型計(jì)算和輸送能力的核算。2精品資料（1）靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用（2）連續(xù)性方程、柏努力方程的物理意義、適用條件、應(yīng)用柏努力方程解題的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。（3）管路(ɡuǎnlù)系統(tǒng)總能量損失方程（包括數(shù)據(jù)的獲得）本章重點(diǎn)(zhòngdiǎn)掌握的內(nèi)容3精品資料（1）邊界層的基本概念（邊界層的形成(xíngchéng)和發(fā)展，邊界層分離）（2）牛頓型流體和非牛頓型流體本章應(yīng)掌握(zhǎngwò)的內(nèi)容（1）兩種流型（層流和湍流）的本質(zhì)區(qū)別，處理兩種流型的工程方法（解析法和實(shí)驗(yàn)研究方法）（2）流量測量（3）管路計(jì)算本章一般了解的內(nèi)容4精品資料（2）應(yīng)用柏努力方程、靜力學(xué)方程解題要繪圖，正確選取衡算范圍(fànwéi)。解題步驟要規(guī)范。本章(běnzhānɡ)學(xué)習(xí)應(yīng)注意的問題（1）流體力學(xué)是傳熱和傳質(zhì)的基礎(chǔ)，它們之間又存在著密切的聯(lián)系和相似性，從開始學(xué)習(xí)流體流動就要學(xué)扎實(shí)，打好基礎(chǔ)。5精品資料液態(tài)或氣態(tài)下的物料(wùliào)稱為流體流體(liútǐ)的特征：易流動，抗剪和抗張的能力很?。贿B續(xù)介質(zhì)模型流體微團(tuán)—流體質(zhì)點(diǎn)無固定形狀，隨容器的形狀而變化；在外力的作用下其內(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動。6精品資料氣體與液體(yètǐ)的區(qū)別：①密度(mìdù)：氣體變化；液體變化不明顯。②壓縮性：氣體可壓縮，<20%可看成不可壓縮。液體不可壓縮。7精品資料流體流動規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)(jīchǔ)，主要原因是：2、流體的流動對傳熱、傳質(zhì)以及反應(yīng)過程有著重要(zhòngyào)的影響。過程進(jìn)行的好壞，動力的消耗及設(shè)備的投資都與流體的流動狀況密切相關(guān)。1、各種流體輸送問題，管路的設(shè)計(jì)，輸送機(jī)械的選擇以及所需功率的計(jì)算,需要研究流體的流動規(guī)律。強(qiáng)化削弱化工過程8精品資料第一節(jié)流體(liútǐ)靜止的基本方程精品資料§1-1流體(liútǐ)的性質(zhì)密度(mìdù)kg/m3

恒密度流體和變密度流體氣體氣體混合物液體混合物ψ—體積分率a—質(zhì)量分率以1m3混合物為基準(zhǔn)以1kg混合物為基準(zhǔn)比容：υ比重：d10精品資料§1-2流體(liútǐ)的壓強(qiáng)定義(dìngyì)：特性：①垂直作用于器壁②在同一流體的相同水平面上各方向的壓強(qiáng)相同單位：Pa；atm；某流體柱高度；bar(巴)；kgf／cm2等基本關(guān)系：1atm=101325Pa=101.3kPa=0.1013MPa=1.033Kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg1bar=105Papppppp11精品資料計(jì)算(jìsuàn)基準(zhǔn)表壓強(qiáng)(yāqiáng)=絕對壓強(qiáng)(yāqiáng)-大氣壓強(qiáng)(yāqiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)(yāqiáng)-絕對壓強(qiáng)(yāqiáng)壓力大小的兩種表征方法PA,絕PA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕絕對零壓線大氣壓線絕壓/表壓/真空度的關(guān)系12精品資料若已知某地(mǒudì)的大氣壓力為750mmHg，而設(shè)備A內(nèi)壓力為1000mmHg，則PA表=mmHg=Pa。若設(shè)備B的真空度為300mmHg，則PB（絕）=mmHg。25033330.594503377513精品資料ρgAdzp1pp2dzz2zAz1§1-2流體靜力平衡(pínghéng)流體靜壓力(yālì)特點(diǎn)：同一水平面上各點(diǎn)的流體靜壓力相等但：不同高低位置，p卻不一樣？力的平衡p+dp14精品資料1、在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平(shuǐpíng)面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等——等壓面2、當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)po有改變(gǎibiàn)時，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的改變(gǎibiàn)——巴斯葛原理3、壓強(qiáng)差的大小可以用一定的高度的液體柱表示。如——mH2O,——mmHg流體靜力學(xué)基本方程式的討論15精品資料本題附圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層(yóucéng)高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg／m3，水層高度h2=0.6m、密度ρ=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)的高度解：(1)判斷題給兩關(guān)系式是否(shìfǒu)成立由等壓面的知識可知：pA=pA’的關(guān)系成立pB=pB’的關(guān)系不能成立(2)計(jì)算玻璃管內(nèi)水的高度h因pA=pA’pA=pa+ρ1gh1+ρ2gh2pA’=pa+ρ2gh于是pa+ρ1gh1+ρ2gh2=pa+ρ2gh800×0.7+1000×0.6=1000h解得h=1.16m【補(bǔ)例1】16精品資料§1-4流體靜力學(xué)基本(jīběn)方程式的應(yīng)用一、壓強(qiáng)(yāqiáng)與壓強(qiáng)(yāqiáng)差的測量1、U管壓差計(jì)指示液：汞、四氯化碳、水、液體石蠟等由靜力學(xué)方程可得：當(dāng)時。B為氣體

不互溶17精品資料U管壓差(yāchà)計(jì)18精品資料p其它(qítā)U管壓差計(jì)單臂U管壓差(yāchà)計(jì)倒置U管壓差計(jì)串聯(lián)U管壓差計(jì)19精品資料2、微差壓差(yāchà)計(jì)水庫維持等高不互溶目的：放大(fàngdà)讀數(shù)RR20精品資料傾斜(qīngxié)U型管壓差計(jì)放大(fàngdà)讀數(shù)R液位的測量21精品資料目的：（1）恒定設(shè)備內(nèi)的壓力(yālì)，防止超壓；（2）防止氣體外泄；水封液封高度(gāodù)計(jì)算：設(shè)備液封煤氣柜22精品資料為測量腐性液體貯槽中的存液量，采用圖示的裝置。測量時通入壓縮空氣，控制調(diào)節(jié)閥使空氣緩慢地鼓泡通過觀察瓶。今測得U形壓差計(jì)讀數(shù)為R＝130mm，通氣管距貯槽底面h=20cm，貯槽直徑(zhíjìng)為2m，液體密度為980kg／m3，試求貯槽內(nèi)液體的儲存量為多少噸?【補(bǔ)例2】[遠(yuǎn)距離液位測定(cèdìng)]23精品資料解：（1）管道內(nèi)空氣緩慢鼓泡，u≈0，用靜力學(xué)原理(yuánlǐ)求解。（2）空氣(kōngqì)的ρ很小，忽略空氣(kōngqì)柱的影響。24精品資料容器內(nèi)裝有密度ρ1=700kg/m3的汽油(qìyóu)，頂部接一壓力表，其讀數(shù)p0=2.943×105pa(表),在容器距底面0.5m處接一沖以水銀、水和空氣的復(fù)式U管壓差計(jì)，壓差計(jì)內(nèi)各指示液的界面高度（以地面為基準(zhǔn)）如圖所示。容器直徑為2m，求容器內(nèi)汽油(qìyóu)的體積。【補(bǔ)例3】[復(fù)式U管壓差(yāchà)計(jì)]25精品資料26精品資料27精品資料A、B兩斷面(duànmiàn)分別位于直管段內(nèi)，在兩斷面(duànmiàn)間裝有單U形管和復(fù)式U形管，單U形管內(nèi)指示液密度為ρ1,復(fù)式U形管的中間流體和直管內(nèi)流體相同，密度均為ρ,證明：R1=R2+R3[管道(guǎndào)兩點(diǎn)之間壓差的測量]28精品資料4、對每一項(xiàng)具體計(jì)算過程(guòchéng)，須具備三個步驟：a、列出文字式（全由符號表示，根據(jù)公式、定義式或自推導(dǎo)的公式寫出）;b、寫出數(shù)值式c、寫出解答。解題(jiětí)須知1、每道題需簡明寫出已知條件及待求量，題目全文可以不抄，必須作簡圖，圖中標(biāo)明已知條件及待求量。2、解題思路要明確，必要時用方框圖表明。3、使用SI制，作好單位換算。5、每一項(xiàng)計(jì)算應(yīng)盡可能用計(jì)算器連算，不要讀取中間數(shù)據(jù)，以減小誤差，讀取數(shù)據(jù)時，有效數(shù)字一般取3～4位。29精品資料第二節(jié)流體流動的基本(jīběn)方程精品資料§1-5流體(liútǐ)流動的基本概念質(zhì)量(zhìliàng)守恒定律動量定理能量守恒定律流體流動遵循一、穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動u(或p、ρ等)=f(x,y,z)不穩(wěn)定流動u(或p、ρ等)=f(x,y,z,θ)(b)22111122(a)31精品資料二、流速(liúsù)和流量名稱表示單位關(guān)系流速vm/s體積流量Vsm3/s質(zhì)量流量mskg/s平均流速um/s平均質(zhì)量流速Gkg/m2·s32精品資料三、粘性(zhānxìnɡ)及牛頓粘性(zhānxìnɡ)定律uu=0yxy方向上的流體(liútǐ)速度分布為線性為什么有分層流動的現(xiàn)象？

流體具有粘性，流動流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力或粘滯力

dyu+duu粘性33精品資料內(nèi)摩擦力產(chǎn)生(chǎnshēng)的原因ff大量(dàliàng)實(shí)驗(yàn)———牛頓粘性定律動力粘度簡稱粘度

單位面積上的內(nèi)摩擦應(yīng)力（剪應(yīng)力）速度梯度

34精品資料粘度μ物理(wùlǐ)意義衡量流體粘性大小(dàxiǎo)的一個物理量單位c.g.s：dyn×s/cm2——泊（P）厘泊（cP）1Pa×s=10P=1000cP35精品資料屬物性之一，由實(shí)驗(yàn)測定；查有關(guān)手冊或資料、用經(jīng)驗(yàn)(jīngyàn)公式計(jì)算大多數(shù)氣體(qìtǐ)的粘度遠(yuǎn)小于液體粘度主要有體系、溫度、濃度（壓力的影響可忽略（氣體））獲取方法：影響因素：粘度μ運(yùn)動粘度γm2/s36精品資料塑性(sùxìng)流體牛頓流體漲塑性(sùxìng)流體假塑性流體tdu/dy四、非牛頓型流體37精品資料五、剪應(yīng)力與動量(dòngliàng)傳遞牛二（牛欄山二鍋頭）

剪應(yīng)力

流體流動時內(nèi)部的剪應(yīng)力是速度不等的兩相鄰流體層彼此(bǐcǐ)作用的力，其產(chǎn)生的原因是流體層之間的動量傳遞。動量38精品資料五、剪應(yīng)力與動量(dòngliàng)傳遞剪應(yīng)力即動量通量等于運(yùn)動粘度γ與單位(dānwèi)體積動量的梯度之積。單位體積流體計(jì)的動量梯度

39精品資料六、總衡算1、換熱設(shè)備；2、輸送設(shè)備兩個重要(zhòngyào)方程——物料衡算式和能量衡算式只注意系統(tǒng)外部所顯現(xiàn)(xiǎnxiàn)的變化守恒：輸入=輸出輸入速率=輸出速率衡算范圍——劃定體積——劃定表面劃定體積劃定表面衡算結(jié)果：40精品資料§1-6物料(wùliào)衡算—連續(xù)性方程1、換熱設(shè)備；2、輸送設(shè)備亦即物料(wùliào)衡算ms1=ms2Vs1·ρ1=Vs2·ρ2=const.u1·A1·ρ1=u2·A2·ρ2=const.u1/u2=(d2/d1)2不可壓縮流體：ρ=const.Vs1=Vs2=const.圓管：u1·A1=u2·A241精品資料§1-7總能量(néngliàng)衡算1、換熱設(shè)備；2、輸送設(shè)備對流體(liútǐ)做功輸入或輸出熱量

衡算范圍：內(nèi)壁面、1－1與2－2截面間衡算基準(zhǔn)：基準(zhǔn)水平面：0－0平面1㎏流體分析有哪些能量輸入和輸出？42精品資料1122§1-7總能量(néngliàng)衡算壓力(yālì)能：l1

υ1

υ2p1p2l2流體V1必定要帶有與所需的功相當(dāng)?shù)哪芰坎拍苓M(jìn)入系統(tǒng)作用力pA位移V/A靜壓能為pA·V/A=pV1㎏流體的靜壓能pV/m=pυ43精品資料輸入輸出單位說明流體具有的能量內(nèi)能

U1U2J/kg物質(zhì)內(nèi)部能量(分子平動能，轉(zhuǎn)動能，振動能)

位能gZ1gZ2J/kg重力(地心引力)流體機(jī)械能動能1/2u121/2u22J/kg運(yùn)動物體具有的壓力能p1υ1P2υ2J/kg壓強(qiáng)作的功與環(huán)境交換能量熱Qe(加熱為入,冷卻為出)J/kg外功We

—J/kg44精品資料U1gZ11/2u12p1υ1U2gZ21/2u22p2υ2WeQeQe45精品資料總能量(néngliàng)衡算式穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)(xìtǒng)∑E1=∑E2

——穩(wěn)流系統(tǒng)中流體總能量衡算式

46精品資料1、式中有兩種能量——機(jī)械能、內(nèi)能和熱，機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)，也可變?yōu)闊岷蛢?nèi)能；而內(nèi)能和熱，不可變?yōu)闄C(jī)械能?？偰芰?néngliàng)衡算式討論：2、對傳熱設(shè)備作能量衡算時，往往忽略機(jī)械能而只考慮焓：3、撇開熱和內(nèi)能，機(jī)械能衡算。47精品資料§1-8機(jī)械能衡算——柏努利方程(fāngchéng)一、推導(dǎo)(tuīdǎo)：設(shè)流體是不可壓縮的：υ1=υ2=υ

=1/ρ；Qe=0,Δt=0流體流動具有阻力要消耗機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱

U1<U2？48精品資料§1-8機(jī)械能衡算——柏努利方程(fāngchéng)而前面(qiánmian)假設(shè)：Δt=0，即U1=U2消耗的機(jī)械能熱

×t1<t2

消耗的機(jī)械能到哪里去了？消耗的機(jī)械能機(jī)械能損失掉了能量損失49精品資料能量(néngliàng)損失Wf

流體(liútǐ)流動阻力消耗的機(jī)械能（內(nèi)能的變化）——柏努利方程式

（實(shí)際流體）

——柏努利方程式

（實(shí)際流體）

50精品資料理想流體

Wf=0

對于理想流體，又沒有外功(wàigōng)加入即Wf=0，We=0

——柏努利方程式（理想流體）51精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（I）理想流體，穩(wěn)態(tài)流動，無外功。任一截面(jiémiàn)上單位質(zhì)量流體的位能、動量、靜壓能之和（總機(jī)械能E）為一常數(shù)?？倷C(jī)械能雖然相等，但每一種形式的機(jī)械能不一定相等，機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)變。

例如：水平管道（Z1=Z2）A1>A2u1<u21122連續(xù)性方程E=Const.一部分靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?/p>

52精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（II）各項(xiàng)單位為J/kg，表示(biǎoshì)單位質(zhì)量流體所具有的能量注意：前三項(xiàng)是指某截面上流體本身所具有的能量，而后兩項(xiàng)是指流體在兩截面間所獲得和消耗的能量。、、與We，Wf的區(qū)別We是指輸送設(shè)備對單位質(zhì)量流體所作的有效功單位時間輸送設(shè)備的有效功稱為有效功率，以Ne表示。是決定流體輸送設(shè)備的重要數(shù)據(jù)Ne=We×ms單位J/s，W53精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（III）對于不穩(wěn)定流動(liúdòng)系統(tǒng)的任一瞬間，柏努利方程式仍成立對于不可壓縮流體，若所取系統(tǒng)兩截面間的絕對壓強(qiáng)變化小于原來絕對壓強(qiáng)的20%，時，仍可用式子進(jìn)行計(jì)算。但此時式中的密度ρ應(yīng)取兩截面間流體的平均密度ρm代替，這種處理方法所導(dǎo)致的誤差，在工程計(jì)算上是允許的。54精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（IV）如果系統(tǒng)里的流體(liútǐ)是靜止的，則u=0?！黧w靜力學(xué)基本方程式柏努利方程式除表示流體的流動規(guī)律外，還表示了流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律，而流體的靜止?fàn)顟B(tài)只不過是流動狀態(tài)的一種特殊的形式。沒有運(yùn)動，自然就沒有阻力，即Wf=0；由于流體保持靜止?fàn)顟B(tài)，也就不會有外功加入，即We=0于是上式變成：動中有靜55精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（V）如果流體的衡算基準(zhǔn)(jīzhǔn)不同，式子可寫成不同的形式1、以單位重量流體為衡算基準(zhǔn)各項(xiàng)除以g：令

則56精品資料二、柏努利方程(fāngchéng)的討論（V）上式各項(xiàng)的單位(dānwèi)均為長度單位(dānwèi)（m）表示單位重量的流體所具有的機(jī)械能可以把它自身的基準(zhǔn)水平面升舉的高度位壓頭動壓頭靜壓頭壓頭損失有效壓頭總壓頭57精品資料2、以單位體積(tǐjī)流體為衡算基準(zhǔn)各項(xiàng)乘以流體密度ρ上式各項(xiàng)的單位(dānwèi)為采用不同衡算基準(zhǔn)的柏努利方程式，對后面的“流體輸送設(shè)備”章的計(jì)算很重要。表示單位體積流體所具有的能量，簡化后即為壓強(qiáng)的單位。二、柏努利方程的討論（V）58精品資料三、柏努利方程式的應(yīng)用(yìngyòng)1、確定(quèdìng)管路中流體的壓強(qiáng)0.5m0.7mA11CB【補(bǔ)例4】

、如圖所示，桶中的水經(jīng)虹吸管流出，設(shè)流動阻力可以不計(jì)，求管內(nèi)水的流速，又求截面A（管內(nèi)）、B、C三處的靜壓力。管徑不變，大氣壓為101.3kPa。22解：（1）、求u取截面如圖，并以2截面為基準(zhǔn)水平面。在1-2間列BE式中：Z1=0.7m，u1=0m/s，p1=p2=1.013×105Pa=0Pa(表)，上式為59精品資料0.5m0.7mA11CB22（2）、求pA，pB，pC各個(gègè)截面的總機(jī)械能（總壓頭）=Const.pA=9.44×104Pa同理求pB，pC60精品資料R=40mm300mm200mm水2、確定管路中流體(liútǐ)的流量【補(bǔ)例5】、如圖所示，水平通風(fēng)管道某處的直徑自300mm漸縮到200mm，為了粗略估計(jì)其中空氣的流量，在錐形接頭兩端各引出一個測壓口與U管壓差計(jì)相連(xiānɡlián)，用水作指示液測得讀數(shù)為R=40mm。設(shè)空氣流過錐形接頭的阻力可以忽略，求空氣的體積流量?？諝獾拿芏葹?.2kg·m3?？諝?122解：取截面如圖，以管的軸心線所在平面為基準(zhǔn)水平面。在1-2間列BE式中：Z1=Z2=0，We=0，Wf=0，上式簡化為？61精品資料R=40mm300mm200mm水空氣1122？連續(xù)性方程(fāngchéng)（1）（2）（1）、（2）62精品資料2、確定管路中流體(liútǐ)的流量20℃的空氣在直徑為800mm的水平管流過，現(xiàn)于管路中接一文丘里管，如本題附圖所示，文丘里管的上游接一水銀U管壓差(yāchà)計(jì)，在直徑為20mm的喉徑處接一細(xì)管，其下部插入水槽中?？諝饬魅胛那鹄锕艿哪芰繐p失可忽略不計(jì)，當(dāng)U管壓差(yāchà)計(jì)讀數(shù)R=25mm，h=0.5m時，試求此時空氣的流量為多少m3/h?當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為101.33×103Pa?！狙a(bǔ)例6】分析：求Vh

求u空氣為可壓縮流體能否用柏氏方程?解：取測壓處及喉頸分別為截面1-1’和截面2—2’截面1-1’處壓強(qiáng)（表壓）截面2-2’處壓強(qiáng)為：（表壓）流經(jīng)截面1-1’與2-2’的壓強(qiáng)變化為：故可按不可壓縮流體來處理63精品資料在1-2間列BE，以管道中心線作基準(zhǔn)水平面。兩截面間無外功(wàigōng)加入，即We=0；能量損失可忽略，即Wf，據(jù)此，BE可寫為：式中：Z1=Z2=0取空氣(kōngqì)的平均分子量為29kg／kmol，兩截面間的空氣(kōngqì)平均密度為所以簡化得：(a)式a中有兩個未知數(shù)，須利用連續(xù)性方程式定出u1與u2的另一關(guān)系，即u1A1＝u2A2(b)以式b代人式a，即(16u1)2-u12=13733解得：u1=7.34m／s64精品資料3、確定輸送設(shè)備(shèbèi)的有效功率20mp1=0(表)p2=500kPa(表)【補(bǔ)例7】如圖所示，用泵將水從水池輸送到高處的密閉容器，輸水量為15m3/h。輸水管的內(nèi)徑為53mm，其出口(chūkǒu)位于水池液面以上20m，伸入壓力為500kPa（表壓）的容器內(nèi)。水在管路內(nèi)機(jī)械能損耗為40J/kg。試計(jì)算輸送所需的有效功率。設(shè)泵的效率為0.6，求泵的輸入功率。分析：求N→Ne→BE→We65精品資料20mp1=0(表)p2=500kPa(表)解