第一章流体流动01

1、1.1 1.1 流体的物理性质流体的物理性质第一章第一章 流体流动流体流动1回顾：回顾：3、物理量的单位和换算1、化学工程的进展 各种生产工艺单元操作三传一反-传递现象2、单元操作和三传 动量传递：流体输送、沉降、过滤等。 热量传递：加热、冷却、冷凝、蒸发等。 质量传递：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等换算因子2GGG入出累积4、物料衡算和能量衡算总的物料守恒组分物料守恒元素物料守恒QQQ入出损失在设备的各个不同位置上，物料的流速、浓度、温度、压强等参数可各自不同但在同一位置上，这些参数都不随时间而变。5、稳态过程0AG 6、非稳态过程0AG 3衡算解题过程的步骤为：衡算解题过程的步骤为： 画一

2、画一简图简图表示进行的过程，可用方块图表示，表示进行的过程，可用方块图表示，用箭头表示物流的进出方向，用箭头表示物流的进出方向，注明物流的参数注明物流的参数，如流量、温度、压力等。如流量、温度、压力等。 确定衡算范围确定衡算范围，用虚线划出，使其边界与待，用虚线划出，使其边界与待计算的物流相交，这样使列出的衡算式中包含所计算的物流相交，这样使列出的衡算式中包含所需求的计算量。需求的计算量。 确定衡算基准确定衡算基准，它是衡算式所确定已知量数，它是衡算式所确定已知量数值的依据，解出的待求量也应符合此基准。值的依据，解出的待求量也应符合此基准。 列出衡算式列出衡算式求解。求解。注意：41.1 流体

3、的物理性质5678问题：1、如何确定管道内流体的流速和压力？2、如何确定管道的直径和壁厚？3、为了使流体达到工艺要求需要使用怎样的泵？ 提供多少动力？9本章主要学习内容本章主要学习内容3、流体的流动现象1、流体静力学基本方程式2、流体流动的基本方程4、流体在管内的流动阻力5、管路计算方法6、流量的测量10 流动性：流体的抗剪力和抗张力很小，在外力作用下，流体内部会发生相对运动，使流体变形，这种连续不断的变形就形成流动，即流体具有流动性。1.0.1 流体的特点：剪切力A、流体的流动性：1.0 概论：11C、连续介质模型 把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没

4、有间隙。 这就是连续介质模型12流体微团（或流体质点）： 宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。13流体输送：确定适宜的 u , d参数测量：压强、流速、流量等强化过程：提供适宜的流动条件研究流体流动规律的重要性本章主要讨论: 流体流动过程的基本原理及流动规律，并用之分析和计算流体的输送问题。141.1.1流体的密度注意：各种单位制下，密度的单位和数值不同，注意一般都要换算成操作条件下的单位和数值。用表示，3mkg (1 1)mV0 (1 1 )limVmaV流体点密度影响因素：气体-种类、压

5、力、温度、组成浓度 液体-种类、温度、组成浓度获得方法：（1）查物性数据手册 （2）公式计算：单位体积的流体所具有的质量15 液体的密度基本上不随压强变化（极高压强除外），但随温度略有改变。 对于气体来说，是可压缩的的流体，其密度必须标明其状态。一般当压强不太高，温度不太低时，可按理想气体来处理。 tf不可压缩性流体ptf,可压缩性流体161.1.2理想气体密度的计算：00000VmVmVVT pTp000.(1 2)T pTp022.4M理想气体在标况下的密度为：操作条件（T, P）下的密度： 1）2）mpVnRTRTM.2. (1).mpMaVRT1700000T(1 2 )22.4.pM

6、T pbTpTp将指定条件设定为标准状态下的1mol气体：022.4M式中：M气体的摩尔质量，kg/kmol； R气体常数，8.315103J/(kmolK) Vmol=22.4 m33）181.1.3混合物的密度：1(1 3)wAwBwnmABnxxx 液体混合物浓度是以质量分率表示，如果使用其他的形式表示浓度，需要对其进行单位换算。 体积假设不变，如果混合后液体的体积发生改变，需要校正。取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:,wAwBwnxxx、 、iwimxm总其中假设混合后总体积不变，可得到：12wAwBwnnmmmmmV总总液体混合物密度计算式 1）液体混合物的密度m1

7、92）气体混合物的密度：(1 4)mAVABVBnVnxxx取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分率:xvA,xvB,xVn, 其中:iViVxV总i =1, 2, ., n混合物中各组分的质量为：12,.,VAVBnVnVVV若混合前后,气体的质量不变， 1 122.nnmmVVVV总总当V总=1m3时, 204）与密度相关的几个物理量 1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用表示，单位为m3/kg。 2）比重(相对密度)：某物质的密度与4下的水的密度的比值，用 d 表示。1,4水Cd34/1000mkgC 水在数值上:3）理想气体混合物:M1 5mmmAABBnnPMM yM yM yR

8、T 其中 （）Mi气体混合物中各组分的分子量 yi气体混合物中各组分的摩尔分率211.1.4流体的黏度 流体在运动时，任意相邻两层流体之间存在抵抗相对运动的力，流体所具有的这种减弱两层流体相对运动的性质称为流体的粘性。 粘性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有粘性。思考： 流体的粘性和流动性的是由什么引起的？1) 粘性牛顿粘性定律22 对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差u及接触面积s成正比，与两层之间的垂直距离y成反比，2） 牛顿粘性定律导出23uFSyuFSy.Fu(1 6)S.y引入修正相黏度系数，其值随流体不同而不同其中单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力，或剪

9、切力，以表示，上式变为24.du(1 6 )dya当u与y不成直线关系时，而是如图的曲线关系则应当写成du/dy：速度梯度，即在与流动方向相垂直的 y方向上流体速度的变化率：黏滞系数或动力黏度，简称黏度流体的黏性越大，其值越大25dydudydux sPamsNmsmmNdydu22cPP1001 cPPsPa1000101 P(泊)- 达因.秒/厘米2 cP(厘泊)物理意义：2).流体的黏度：单位：263) 运动粘度 物理单位制中运动黏度的单位是cm2/s称为斯托克斯，简称沲以St表示：1St=100cSt（厘沲）=10-4m2/s4) 理想流体 黏度为零的流体称为理想流体，真实的流体都会表

10、现出黏性。 GLT ,影响因素： 主要有体系、温度、浓度 获取方法：属物性之一，由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。27 /dududx ddx dydydydyd1.1.5 非牛顿型流体简介0/dx dydx dyd其中表示剪切程度的大小，即为剪切速率，以 表示，牛顿黏性定律改写为 该方程的图像为过原点的直线280290PAA当时，的极限值为该点的静压强1.2 流体静力学基本方程式1.2.1静止流体的压力 PpA 流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上称之为静压力，用符号p表示。30 L C C P2 P3 P1 A P3 B AB P2 P1 特点： 静

11、压强各向同性CAPBCPABP321LCAPLBCPLABP32131（1）压强单位SI制中， N/m2 =Pa，称为帕斯卡常用单位有：标准大气压（ atm ）、工程大气压（kgf/cm2）、英制压强（bar）；流体柱高度（mH2O，mmHg等） 25211.033/760 10.331.01331.0133 10atmkgfcmmmHgmH ObarPa24211/735.6 100.98079.807 10kgfcmmmHgmH ObarPa工程大气压32（2）压力大小的两种表征方法 1）绝对压强（绝压）： 流体体系的真实压强称为绝对压强。 2）表压强（表压）：压力表上读取的压强值称为表压

12、。 3）真空度：真空表的读数以当地大气压为基准33表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强 注意： 1、当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。 2、可以使用负表压表示真空度： 4103Pa（真空度） 4103Pa （表压）。 34若已知某地的大气压力为若已知某地的大气压力为750 mmHg750 mmHg，而设备，而设备A A内压力为内压力为1000 1000 mmHgmmHg，则，则P PA A表表= = _ mmHg mmHg 。若设备若设备B B的真空度为的真空度为300 mmHg300 mmHg，则，则P PB B（绝

13、）（绝）= = _mmHgmmHg。PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝35在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真 空 表 的 读 数 应 为 若 干 ? 兰 州 地 区 的 平 均 大 气 压 强 为85.3103Pa，天津地区的平均大气压强为l01. 3 103Pa。 例：1-1在天津操作时，要求塔内维持相同的绝对压强，由于大气压强与兰州的不同，则塔顶的真空度也不相同，其值为： 真空度大气压强绝对压强 101330530096030Pa解： 根据兰州地区的大气压强条件，可求得操作时塔顶的绝对压强为：绝对压强大气压

14、强一真空度； 85300800005300Pa36全微分的概念全微分的概念, , ,pf x y zp x y z 或 设p是自变量x,y,z的函数，则p可表示为那么函数p的全微分可以表示为：pppdpdxdydzxyz假设：p作为压力，x,y,z作为空间的三维方向，则：方程A表示，压力p的全微分为p在三个方向上的偏微分之和。1.2.2流体静力学基本方程式A37对z方向做受力分析，立方体受到()ppdz dxdyz上表面压力pdxdy下表面压力gdxdydz重力.0pgz整理得到()ppdz dxdygdxdydzpdxdyz38对x方向做受力分析，立方体受到()ppdx dxdyx右表面压力

15、pdxdy左表面压力.0px整理得到()ppdx dxdypdxdyx.0py同样得到对y方向做受力分析39pppdpdxdydzxyz00dpdxdygdzgdz dpgdz 压力p的全微分dp就可以表示为：对连续、均质且不可压缩流体，为常数pgz 常数方程两侧进行积分：1()pgzC常数静压能位能广义压力两侧同除密度40 23pN mN mJkgkg mkg 在该点处，1kg流体所具有的能量能量守恒定律在静止流体理论中的体现：总势能守恒（静压能，位能）在静止液体中取任意两点，1，2，根据上式可以得到： 1 2 Z1 Z2A） 方程的分析1()pgzC常数411212(1).ppgzgz0.

16、 (. 3)ppgh2112.).(2ppgzz整理：如1点在液体上表面处， 则2点的压强可以表示为式（1）表明：静止流体内部静压能和位能可以相互转化。式（2）表明：静止流体内部压强的大小关系。式（3）表明：静止流体内部任一点处的压强。式（1）（3）为流体静力学基本方程 1 2 Z1 Z2 2 Z2 1 Z1 h 42 1）适用场合： 绝对静止、连续、均质、不可压缩 2）总势能守恒： 在同一种静止流体中不同高度的流体微元，其静压能和位能各不相同，但总和保持定值 3）等压面的概念： 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。等压面为水平面 43gp-ph04）传递定律： 当外界压力变化时，液体内部各处的压力都发生同样大小的变化。（巴斯噶定理）5）液柱高度可以表示压强或压强差：44 例例1 122 本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度高度h1=0.7mh1=0.7m、密度、密度1=800kg1=800kgm3m3，水层高度，水层高度h2=0.6mh2=0.6m、密度、密度=1000kg=1000kgm3m3。 (1)(1)判断下列两关系是否成立，即判断下