1化工原理流体流动

1、1化工原理Principles of Chemical Engineering化工原理教研室Chemical Engineering Teaching&Research Section23流体：具有流动性的物体，包括液体和气体。 流体流动是其它单元操作过程的基础。 在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团 所组成的连续介质 。流体力学：流体静力学和流体动力学第一章 流体流动4提出质点概念作为流体宏观运动的最小考察对象，工程上将流体看成是充满所占空间的由无数质点（分子微团）所组成的彼此没有间隙的连续介质。一、流体流动的考察方法质点的含义：质点的含义：（1）由大量分子构成的微团（2）质点间无

2、间隔连续（3）质点的大小远小于管路或容器的 尺寸，但比分子自由程大得多。连续性假设连续性假设:u流体质点与连续介质模型流体质点与连续介质模型51. 1. 流体的热力学性质流体的热力学性质流体的密度流体的密度单位体积流体的质量。用单位体积流体的质量。用 表示。表示。 获得方法：（1）查物性数据手册RTpMnn2211 m影响因素：流体种类、浓度、温度、压力影响因素：流体种类、浓度、温度、压力（2）公式计算：液体混合物：液体混合物：气体：气体：-理想气体状态方程气体混合物：气体混合物：mVnnmaaa22111质量分率质量分率体积分率体积分率液体：温度对密度的影响：T, T. 故选用密度数值时要注

3、意所确定的温度。00 22.4M P TP T022.4M6 混合气体的平均密度混合气体的平均密度比容比容v v：单位质量物体的体积：单位质量物体的体积密度的倒数密度的倒数液体的比重液体的比重d d：任一液体的密度与：任一液体的密度与44水的密度之比水的密度之比重度：单位体积的物体重量重度：单位体积的物体重量工程上常用工程上常用RTpMmm1mVvd水72 2流体的压力及其表示方法流体的压力及其表示方法 流体的压力流体的压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强。用的压强。用p p表示，工程上习惯称之为压力。表示，工程上习惯称之为压力。（1 1）压力

4、单位）压力单位 SISI制制: N/m2 = Pa: N/m2 = Pa，称为帕斯卡，称为帕斯卡1 1atmatm( (标准大气压标准大气压) )1.0131.01310105 5 PaPa 760 760 mmHgmmHg 10.33 10.33 mHmH2 2O OFPA总压力：作用于整个面上的力总压力：作用于整个面上的力工程制：工程制：kgfkgfcm2cm2生产上：生产上：atmatm（标准大气压）、（标准大气压）、m m（流体液柱高度）（流体液柱高度） 1 1atat( (工程大气压工程大气压)=l )=l kgfkgfcmcm2 2=10=10mHmH2 20 0=735.6=73

5、5.6mmHgmmHg=9.81x10=9.81x104 4PaPa83 3压力的表示方法压力的表示方法绝对压力绝对压力表压表压绝对真空（零压）为基准绝对真空（零压）为基准大气压力为基准大气压力为基准表压绝对压力当地大气压表压绝对压力当地大气压真空度当地大气压绝对压力真空度当地大气压绝对压力绝对真空大气压绝对压力绝对压力表压真空度p1p2图1-1 绝对压力、表压 与真空度的关系绝压、表压与真空度的关系：绝压、表压与真空度的关系：9例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80KPa80KPa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压。在天津

6、操作时，若要求塔内维持相同的绝对压力，真空表的读数应为多少力，真空表的读数应为多少? ?兰州地区的平均大气压为兰州地区的平均大气压为85.3Kpa85.3Kpa，天津地区的平均大气压为，天津地区的平均大气压为101.33KPa101.33KPa。解：根据兰州地区的大气压，可求得操作时塔顶的绝对解：根据兰州地区的大气压，可求得操作时塔顶的绝对压力：压力： 绝对压力绝对压力= =大气压大气压真空度真空度=85.3-80=5.3KPa=85.3-80=5.3KPa 天津操作时，塔内维持相同的绝对压力，而大气压天津操作时，塔内维持相同的绝对压力，而大气压不同，则塔顶的真空度也不同，其值为不同，则塔顶的

7、真空度也不同，其值为: : 真空度真空度= =大气压大气压绝对压力绝对压力=101.33-5.3=96.03KPa=101.33-5.3=96.03KPa10二. 流体静力学基本方程流体所受到的力流体所受到的力质量力质量力表面力表面力如重力、离心力等，如重力、离心力等，属于非接触性的力。属于非接触性的力。法向力法向力切向力切向力 ( (剪力剪力) )( (压力压力) )静止流体所受到的力静止流体所受到的力质量力质量力法向力法向力 - - 静止流体内部任一点的压力静止流体内部任一点的压力, , 习惯上称为习惯上称为静压力静压力。- - 重力场中单位质量流体所受重力场中单位质量流体所受 质量力质量

8、力, ,即为即为重力加速度重力加速度。111静压力的特点：从各个方向作用于某一点上的静压力相等。若通过该点指定一作用平面，则压力的方向垂直于作用面；重力场中，同一水平面上各点的静压力相等，随位置高低而变。 作用于薄层下底面的总压力 pA 作用于薄层上底面的总压力 (p+dp)A 重力作用 gAdz2 2、静力学方程的推导：、静力学方程的推导：二. 流体静力学基本方程12 三力之和为三力之和为0 0： 向上作用力为正向上作用力为正 pA(p+dp)AgAdz 0 dpgdz 0 dZ(PdP)A gAdzP2112()ppg zzgzpgzp22111212ppzzgg压力形式压力形式能量形式能

9、量形式 液柱高形式液柱高形式 积分：积分： pgzC 或或 p/gzC -流体静力学基本方程流体静力学基本方程131. 1. 液面上方的压力液面上方的压力 一定一定，内部任一点压力与液体密度，内部任一点压力与液体密度 和液和液面深度面深度 h 有关。静止的、连通的同种液体，处于同一水平面上有关。静止的、连通的同种液体，处于同一水平面上的各点压力都相等。压力相等的面称为的各点压力都相等。压力相等的面称为等压面。等压面。2. 2. 液面压力液面压力 改变改变时，内部各点的压力将发生同样大小的改时，内部各点的压力将发生同样大小的改变变 帕斯卡原理（帕斯卡原理（压力具有传递性）压力具有传递性）3. 3

10、. 压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。4. =z1z2 p1 g p2 g或=z常数 p g适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体三三. 流体静力学基本方程的讨论流体静力学基本方程的讨论静力学方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。静力学方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。14等压面的确定：等压面的确定：具备四个条件：具备四个条件：静止、连通、同一水平面、同一流体静止、连通、同一水平面、同一流体 Pa Pbaabb截面截面aa、bb 为为等压面等压面 Pa= Pa ， Pb= Pb四四. 流

11、体静力学方程的应用流体静力学方程的应用15 1. 1. 压力计压力计(1)单管压力计p a R A1 . p1 pa = p1 (表表) = g R (2)U形压力计指示液 pa A 1 h R 2 3 0p1 = pa + 0 gR g h U U管压差计：管压差计：U U形管内装入与被测流体不同的液体形管内装入与被测流体不同的液体指示液指示液。指示液与所测流体不互溶，密度要大于被测流体的密度，常选指示液与所测流体不互溶，密度要大于被测流体的密度，常选HgHg。162测测压差压差(1) (1) U形管压差计形管压差计 2 1 z2 z1 Ra b 0 1 2 p1 + g (z1 + R)

12、= p2 + g z2 + 0 g R p1 - p2 = g (z2 - z1) + ( 0 - ) g R 由由 pa = pb，得，得：17若管路水平：若管路水平：z2 z1 P1P2(0) gR若管路内是气体若管路内是气体0 0 P1 - P2 =0 g R +g (z2-z1)若若U管一端连被测流体，一端通大管一端连被测流体，一端通大气，气，读数读数R指示被测流体表压。指示被测流体表压。 P表表 P1P大大RgRgpp)(0213.3.倒倒U U管压差计管压差计184. 4. 双液体压差计双液体压差计( (微压差计微压差计) ) 1 1略小于略小于 2 2 p1 p2 z1 1 z2

13、 R 2 p1 R R 0 倾斜式压差计倾斜式压差计 p2 读数放大 p1 - p2 = ( 2 - 1) g RsinRR 5.5.斜管压差计斜管压差计196 6、液位的测量：、液位的测量：测液位置测液位置: :容器底部器壁及液面容器底部器壁及液面上方器壁处各开一小孔，两孔上方器壁处各开一小孔，两孔间间U U形玻璃管相连形玻璃管相连。pa = p0+gh pb = p0+HggRh=HgR207 7、液封高度的计算：、液封高度的计算：gph液封目的液封目的: : 防止气体泄漏防止气体泄漏 保证流体自由流动保证流体自由流动 气压超标时气压超标时, ,保证安全保证安全21 第二节第二节 流体流动

14、的基本方程流体流动的基本方程一、概述：一、概述：1、流量与流速、流量与流速流量：流量：单位时间流过管路任一截面的流体量。单位时间流过管路任一截面的流体量。体积流量体积流量 单位时间流过管路任一截面的流体体积，用单位时间流过管路任一截面的流体体积，用Vs表示，单位为表示，单位为m3/s。 质量流量质量流量 单位时间流过管路任一截面的流体质量，用单位时间流过管路任一截面的流体质量，用ms表示，单位为表示，单位为kg/s。 体积流量和质量流量的关系体积流量和质量流量的关系 ssVm 22质量流速与流速的关系质量流速与流速的关系：质量流量与流速的关系：质量流量与流速的关系：平均流速：平均流速：单位时间

15、质点在流动方向上所流经的距离，简称流速，用单位时间质点在流动方向上所流经的距离，简称流速，用 u 表示，表示，单位为单位为m/s 质量流速：质量流速：单位时间内流经管路单位截面的流体质量，用单位时间内流经管路单位截面的流体质量，用 G 表示，单位为表示，单位为 kg(m2s) smGAAVussmGAGu232 2、管径的计算、管径的计算 圆形管路圆形管路, ,若管道内径若管道内径 d d 表示，则表示，则 一般一般: : 密度大或粘度大的液体，密度大或粘度大的液体，u 应小应小; ; 含固体杂质流体含固体杂质流体 u 应大，避免固体沉积在管内应大，避免固体沉积在管内; ; 气体稍大气体稍大1

16、0-30m/s，液体液体0.5-3m/s。uVds424dVus24二、定态流动与非定态流动二、定态流动与非定态流动 1 1、定态流动：、定态流动：任一点处流体的流速、压力、密度等物理量仅随位置变，而不随时任一点处流体的流速、压力、密度等物理量仅随位置变，而不随时间改变的流动。间改变的流动。2 2、非定态流动：、非定态流动：各物理量不仅随位置而改变，而且随时间而各物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动。变的流动。25三、粘性与粘度三、粘性与粘度内摩擦力：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。运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。粘性：粘性：流体流动时产生内摩擦力并阻

17、碍流体相对运动的特性。流体流动时产生内摩擦力并阻碍流体相对运动的特性。 粘性是内摩擦力的表现，粘性是阻力产生的根本原因粘性是内摩擦力的表现，粘性是阻力产生的根本原因。 yfAfBvBvABA26 粘度，衡量流体粘性大小的物理量，粘性越大粘度，衡量流体粘性大小的物理量，粘性越大越大越大。 法向速度梯度，垂直于流动方向上速度的变化率，法向速度梯度，垂直于流动方向上速度的变化率， 速度梯度有正负。速度梯度有正负。 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 ：dydu.d udy 物理意义：物理意义：流体流动过程中，产生单位速度梯度时的剪应力。流体流动过程中，产生单位速度梯度时的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系粘度

18、总是与速度梯度相联系 ， 又称动力粘度。又称动力粘度。27粘度的影响因素：粘度的影响因素：液体液体的粘度随温度升高而减小，的粘度随温度升高而减小，气体气体的粘度随温度升高而增大的粘度随温度升高而增大 。液体：液体：T体积膨胀体积膨胀分子间距分子间距吸引力吸引力气体：气体：Tu分子碰撞分子碰撞牛顿型流体：牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体。所有气体和大多数液体。服从牛顿粘性定律的流体。所有气体和大多数液体。 非牛顿型流体：非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体不符合牛顿粘性定律的流体.28四、连续性方程四、连续性方程质量衡算：质量衡算： 截面截面1111与与2222为衡算范围，为衡算范围，由质量

19、守恒定律，由质量守恒定律，21ssmm222111AuAu常数uAAuAums222111定态流动的连续性方程定态流动的连续性方程推广到管路上任何一个截面推广到管路上任何一个截面 控制体 2 1 1 2 不可压缩的流体不可压缩的流体1122u Au AuA常数Vs1= Vs2= Vs3= Vs = 常数29圆形管路：圆形管路： 分支管路：分支管路：总管质量流量为各分支管路质量流量之和。总管质量流量为各分支管路质量流量之和。 ms=ms1ms22121221ddAAuumsms2ms1以上各式都称为以上各式都称为管内定态流动的连续性方程。管内定态流动的连续性方程。 30五五. 伯努利方程伯努利方

20、程 Qe 2 换换热热器器 2 z2 流流体体入入 1 泵泵 z1 1 He 1 流流体体出出 传热速率传热速率qe ， 能量能量：运动着的流体涉及的能量形式有运动着的流体涉及的能量形式有内能内能、位能、动能、位能、动能、 静压能、静压能、 热、热、 功功u2/2， J/kggz ，J/kg功率功率we，He取决于温取决于温度，度，U，J/kg图图2-4 2-4 控制体的能量衡算控制体的能量衡算p/ ， J/kg.能量衡算能量衡算31静压能的概念：静压能的概念： 在静止和流动流体内部都存在着静压力，因此，系统的任一截面上都具有压力。当流体要通过某一截面进入系统时，必须要对流体做功，才能克服该截

21、面的压力，把流体压入系统内。通过该截面的流体便带着与此功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能。静压能的计算：静压能的计算：设：1kg流体体积为v =1/ ,流体通过管道某截面所受压力PpA。则： 流体通过该截面所走的距离： 1= Al流体具有的静压能： 静压能P l p / 32流体稳定流动时的能量衡算：流体稳定流动时的能量衡算：输入能量输入能量U1 + gZ1 + u12/ 2 + p1/ 1 + qe +we输出能量输出能量U2 + gZ2 + u22/ 2 + p2/ 2由能量守恒定律：由能量守恒定律： 输入能量输入能量 输出能量输出能量U1 + gZ1 + u12/ 2

22、+ p1/ 1 + qe +weU2 + gZ2 + u22/ 2 + p2/ 2总能量衡算式：总能量衡算式：(J/kg)1.1.理想流体流动过程的能量衡算理想流体流动过程的能量衡算理想流体：理想流体： a. 流体在流动时无摩擦，无能量损失流体在流动时无摩擦，无能量损失b. 不可压缩流体不可压缩流体33 gZ1 + u12/ 2 + p1/ gZ2 + u22/ 2 + p2/ 常数常数理想流体伯努利方程：理想流体伯努利方程：流体的机械能流体的机械能2.2.实际流体流动过程的能量衡算实际流体流动过程的能量衡算能量损失： Wf (J/kg)由摩擦阻力引起能量补充： We (J/kg)由流体输送设

23、备提供 gZ1 + u12/ 2 + p1/ We gZ2 + u22/ 2 + p2/ Wf实际流体伯努利方程：实际流体伯努利方程：gpugzgpugz22221211212134对实际流体的能量衡算：fewpugzwpugz2222121122总机械能 Et 机械能衡算方程机械能衡算方程（柏努利方程（柏努利方程）每一项单位均为 J/kg fhgpguzehgpguz2222212211每一项单位均为 m外加压头外加压头静压头静压头动压头动压头位压头位压头压头损失压头损失或写成：或写成： 35四种形式的柏努利方程：四种形式的柏努利方程：feWpugzWpugz222212112121fehg

24、pugzHgpugz222212112121221211122211 22efmz gmupVmwmz gmup VmW 单位质量流体单位质量流体J/kg 单位重量流体单位重量流体J/N,m液柱液柱mkg流体流体J 、2212112222efuugzppgzpp单位体积流体单位体积流体J/m3或或PaNm2 注意：注意：流体的衡算基准不同，柏努利方程形式不同，单位不同，衡算中基准要一致。36fewpugzwpugz2222121122fwEtEt 21柏努利方程的讨论：柏努利方程的讨论： 2211pgzpgz -静力学方程静力学方程 Q 2 换换热热器器 2 z2 1 泵泵 z1 1 Ws（1

25、 1）理想流体在管道内作定态流动时各截面上所具有的）理想流体在管道内作定态流动时各截面上所具有的总机总机械能相等械能相等，每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转化。械能可以相互转化。 37(4) (4) 柏努利方程的适用条件：柏努利方程的适用条件：连续的、不可压缩流体的定态流动连续的、不可压缩流体的定态流动; ;没有考虑流体能量随时间的没有考虑流体能量随时间的变化，按定态推导；变化，按定态推导；对于可压缩流体，若对于可压缩流体，若 ,仍可用柏努利进行计算，仍可用柏努利进行计算，但此时流体密度应以两截面间流体的平均密度计算。但此时流

26、体密度应以两截面间流体的平均密度计算。 12120%PPP122mpp38（5 5）柏努利方程式中）柏努利方程式中 zg、 、 -1kg流体在某截面上所具有的位能、动能和静压能，是状态参数；流体在某截面上所具有的位能、动能和静压能，是状态参数； we、wf - 1kg流体在两截面间获得或消耗能量，为过程函流体在两截面间获得或消耗能量，为过程函数数. . 221upWe：输送设备对单位质量流体所作的有效功；输送设备对单位质量流体所作的有效功；Ne：单位时间输送设备对总流体所作的有效功，单位时间输送设备对总流体所作的有效功， 即即 Ne = ms we ms ：流体的质量流量，流体的质量流量，Ne

27、的单位：的单位：Js或或W -转换效率转换效率 NeN eNN N 输送机械的轴功率输送机械的轴功率39柏努利方程的应用柏努利方程的应用应用柏努利方程计算，须注意：应用柏努利方程计算，须注意： 画流程示意图；标流向；定上下游截面；确定衡算范围画流程示意图；标流向；定上下游截面；确定衡算范围截面选取：截面选取：连续连续两截面间流体必须连续两截面间流体必须连续 垂直垂直截面与流体流动方向垂直截面与流体流动方向垂直 技巧：技巧：截面宜选在已知量多的位置，便于计算截面宜选在已知量多的位置，便于计算基准面的选取：基准面的选取：位能基准水平面须与地面平行，位能基准水平面须与地面平行，选两截面低的为基准，若

28、截面不水平而是垂直于地面，应选管选两截面低的为基准，若截面不水平而是垂直于地面，应选管中心线的水平面。中心线的水平面。压力：压力：表压、绝压、真空度均可，但两边必须一致。表压、绝压、真空度均可，但两边必须一致。11401 1、机械能的相互转化（例、机械能的相互转化（例1 13 3、1 14 4）2 2、外功的计算（、外功的计算（1 15 5）3 3、容器间相对位置的计算、容器间相对位置的计算如图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位如图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为为45452.5mm2.5mm的钢管，要求送液量为的钢管，要求送液量为3.6m3.6m3 3/h/h。设料液在管内的压头损失为设料液在管内的压头损失为1.2m 1.2m （不包括出口（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多能量损失），试问高位槽的