化工原理第一章 流體流動(dòng) 環(huán)

第一章流體流動(dòng)

流體是氣體與液體的總稱。流體流動(dòng)是最普遍的化工單元操作之一；研究流體流動(dòng)問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。流體是氣體與液體的總稱。流體流動(dòng)是最普遍的化工單元操作之一；研究流體流動(dòng)問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。第一章流體流動(dòng)

流體是氣體與液體的總稱。流體流動(dòng)是最普遍的化工單元操作之一；研究流體流動(dòng)問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。2023/11/201不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化，如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化，如氣體。質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究流體。假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。2023/11/202

一、壓力流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。

1、壓力的特性

流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；SI制：N/m2或Pa；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.0332kgf/cm2第一節(jié)流體靜力學(xué)2023/11/2032、壓力的表示方法

絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測得的壓力。

表壓或真空度以大氣壓為基準(zhǔn)測得的壓力。表壓=絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力

絕對(duì)壓力

絕對(duì)真空

表壓

真空度

大氣壓

2023/11/204定義：單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。kg/m3

單組分密度二、密度但是氣體、液體隨壓力的變化情況不同2023/11/205氣體隨P變化很大，通常不可以忽略，視為可壓縮流體，密度隨壓力、溫度變化，此時(shí)表示密度一定要注明溫度和壓力即可，其值也可從手冊(cè)中查得。液體隨P變化很小，通?？梢院雎?，視為不可壓縮流體，密度僅隨溫度變化（極高壓力除外），此時(shí)表示密度只需注明溫度即可，其值可從手冊(cè)中查得。2023/11/206氣體當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算：

實(shí)際氣體，只要壓力不太高，溫度不太低，均可以使用。另外，手冊(cè)中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度下之值，若條件不同，則密度需進(jìn)行換算。2023/11/207混合物的密度氣體混合物各組分在混合前后質(zhì)量不變，1體積

——?dú)怏w混合物中各組分的體積分率。液體混合物各組分在混合前后體積不變，1kg

——液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。2023/11/208單位質(zhì)量流體具有的體積，是密度的倒數(shù)。m3/kg比容（比體積）2023/11/209三、流體靜力學(xué)方程

1、靜力學(xué)基本方程

研究內(nèi)容：流體靜止時(shí)，其內(nèi)部壓力變化規(guī)律。研究工具：受力平衡，重力場中涉及重力和壓力。假定條件：單一、連續(xù)、靜止的不可壓縮流體。2023/11/2010重力場中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：（1）上端面所受總壓力（2）下端面所受總壓力（3）液柱的重力設(shè)流體不可壓縮，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下2023/11/2011液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零:——靜力學(xué)基本方程

壓力形式能量形式液柱形式2023/11/2012討論：（1）適用于重力場中靜止、連續(xù)的單一不可壓縮性流體；（2）物理意義：——單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；——單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg。在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變。2023/11/2013（3）在靜止的、連續(xù)的單一流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。（4）壓力具有傳遞性：液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。

2023/11/20142023/11/20152、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用

1）.壓力及壓力差的測量

（1）U形壓差計(jì)

設(shè)指示液的密度為，被測流體的密度為。

A與A′面為等壓面，即而p1p2mRAA’2023/11/2016所以整理得若被測流體是氣體，，則有討論：（1）（2）U形壓差計(jì)可測系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測得流體的表壓；

p1pa2023/11/2017（3）指示液的選?。褐甘疽号c被測流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其密度要大于被測流體密度。應(yīng)根據(jù)被測流體的種類及壓差的大小選擇指示液。

2023/11/2018（2）雙液體U管壓差計(jì)

擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。密度接近但不互溶的兩種指示液A和C；適用于壓差較小的場合。2023/11/2019例1-1

如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計(jì)，指示液為水銀，讀數(shù)R＝250mm，m＝900mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度1000kg/m3，水銀的密度13600kg/m3。試計(jì)算該截面處的壓力。

2023/11/2020例1-2如附圖所示，蒸汽鍋爐上裝一復(fù)式壓力計(jì)，指示液為水銀，兩U形壓差計(jì)間充滿水。相對(duì)于某一基準(zhǔn)面，各指示液界面高度分別為Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。

試計(jì)算鍋爐內(nèi)水面上方的蒸汽壓力。2023/11/20212）.液位測量（1）近距離液位測量裝置壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。液面越高，h越小，壓差計(jì)讀數(shù)R越?。划?dāng)液面達(dá)到最高時(shí)，h為零，R亦為零。2023/11/2022（2）遠(yuǎn)距離液位測量裝置管道中充滿氮?dú)猓涿芏容^小，近似認(rèn)為

而所以2023/11/20233）.液封高度的計(jì)算

液封作用：確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出；防止外界氣體進(jìn)入氣柜。液封高度：2023/11/20241.對(duì)粘度的認(rèn)識(shí)一、流體的粘度倒油倒水粥稀飯第二節(jié)管內(nèi)流體的流動(dòng)想象2023/11/2025剪切力Fuu＋dudy剪應(yīng)力（內(nèi)摩擦力）粘性

——阻礙抵抗流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，是流體的固有性質(zhì)——牛頓粘性定律2023/11/2026——牛頓粘性定律式中：速度梯度，速度沿法線上的變化率。

比例系數(shù)，粘性系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡稱粘度牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓粘性定律的流體；（水、空氣）非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。

（泥漿，懸浮液）

剪應(yīng)力只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來2023/11/20272、流體的粘度1)物理意義2023/11/2028液體:T↑→

↓氣體:一般T↑→

↑超高壓p↑→

↑粘度與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系2023/11/2029在SI制中：

在物理單位制中，

3）粘度的單位2023/11/20304）運(yùn)動(dòng)粘度單位：SI制：m2/s；

物理單位制：cm2/s，用St表示。2023/11/2031二、流體的流動(dòng)型態(tài)

一、雷諾實(shí)驗(yàn)2023/11/2032層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。2023/11/2033二、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

無因次數(shù)群2023/11/2034Re≥4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000

時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。判斷流型(假設(shè)流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng))Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；2023/11/20352.物理意義

Re反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的對(duì)比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。

當(dāng)流體速度大或粘性小時(shí)，Re反映了流體慣性力占主導(dǎo)地位，湍動(dòng)程度增加。

當(dāng)流體速度小或粘性大時(shí)，Re反映了流體粘性力占主導(dǎo)地位，越接近層流。

可見，慣性力加劇湍動(dòng)，粘性力抑制湍動(dòng)2023/11/2036三、當(dāng)量直徑的概念

前面介紹的是圓形管道，有些情況下流體輸送并非采用圓形管道，如有些氣體輸送是矩形的，有時(shí)流體會(huì)在內(nèi)外兩管之間的環(huán)隙中流過，此時(shí)應(yīng)找到一個(gè)與直徑相當(dāng)?shù)牧?。?dāng)量直徑：

檢驗(yàn)：圓管內(nèi)徑d2023/11/2037套管環(huán)隙，內(nèi)管的外徑為d1，外管的內(nèi)徑為d2:邊長分別為a、b的矩形管:2023/11/2038三、動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1層流—分子動(dòng)量傳遞對(duì)于牛頓型不可壓縮流體的層流流動(dòng)，牛頓定律可以寫成:分子動(dòng)量