化工原理第一章 流体流动

1、化工原理第一章 流体流动第1页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.流体：液体和气体统称为流体。 特征：(1)具有流动性; (2)无固定形状;(3)在外力作用下,其内部发生相对运动。2.本章主要讲的内容:流体流动的基本原理及 其流动规律。3.经常应用流体流动规律的场合:(1)流体的输送(使流体在低能耗及低设备费用下完成输送).(2)压强.流速.和流量的测量(控制生产过程).(3)为强化设备提供适宜的流动条件(为提高设备效率.而化工过程处理的均是流体).第2页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二4.讨论的方法: 连续性假设将流体视为由无数的分子集团组成的

2、连续介质, 每个分子集团称为质点。这些质点：(1)其大小与容器或管道相比是个微不足道的.(2)质点在流体内部一个紧挨一个,它们之间没有任何空隙。即认为流体充满其所占的空间，从而把流体视 为连续介质，这样就摆脱了复杂的分子运动，从宏观角度来研究流体的流动规律。注意：在高度真空下的气体，就不能再视为连续介质。第3页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第一节 流体静力学基本方程式 流体静力学：研究流体在外力作用下达到 平衡的规律。应用很广：流体在设备内或管道内压强的变化与测量、压差计、液体在储罐内液位的测量及设备的液封等。本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。先介绍有关流体

3、的两个参数： 第4页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1-1-1 流体的密度 1、 密度：单位体积流体所具有的质量。 2、气体的密度 ：由于气体是可压缩的， 即=f(p,T)，而 手册中查得的是一定p,t下的值， 这就涉及换算问题。 当压强不太高，温度不太低时，可按理想气体处理。 一般可提供查阅手册获得 第5页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二T-绝对温度，K ， p-Pa(绝对压强) 对一定质量的气体 第6页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二3.混合物密度的计算（1）液体混合物：假设各组分在混合前后的体积不变，则1kg混合物的

4、体积等于各组分单独存在时的体积之和,即 第7页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 （2）混合气体（浓度常用体积分率表示）以1m3混合气体为基准。 假设各组分在混合前后其质量不变，则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和，即 MA,MB, Mn-气体混合物中各组分的摩尔质量 YA,yB , yn-气体混合物中各组分的摩尔分率第8页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 4补充几个与密度有关的概念1）液体的比重（相对密度） 2）重度：单位体积流体所具有重量3)比容：单位质量的流体所具有的体积 比容：m3/kg 第9页，共106页，2022年，5月20日，0

5、点39分，星期二流体流动中的作用力可分为体积力和表面力 体积力：作用于流体每个质点上，并与流体的质量 成正比。对均质流体也与流体的体积成正比。场力：重力、离心力等表面力：压力和剪力，与表面积成正比 第10页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 1-1-3 流体的静压强 p流体的静压强，Pa P垂直作用于流体表面上的压力，N A作用面的面积，m2.1、定义：流体垂直作用于单位面积上的压力， 称为流体的静压强，简称压强。 表达式：称为点静压强. 2、特点：（1）在静止流体内部任意面上只受到 大小相等，方向相反的压力。 (2)作用于静止流体内部任意点上所有不同方位的 静压强在数值

6、上相等。 第11页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二工程上：为了适用和换算方便，常将1 kgf/ cm2称为1个工程大气压,即1at=1 kgf/ cm2 =735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807 104Pa 3、压强的不同单位表示法及其之间的换算关系 （1）SI制中，压强的单位Pa,帕斯卡；N/m2 （2）习惯上：atm(标准大气压),某流体柱高度（米）， bar(巴)，kgf/cm2等 1atm=101.325kPa=1.033kgf/ cm2 =1.01325bar =760mmHg=10.33m=1.01325105Pa 注：101.32

7、5kPa是北纬45度海平面,15C的测定值第12页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二4.不同的方法表示的压强 真空表：用来测量压强的仪表，当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，所用测压仪表称为真空表。 （1） 绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强， 称为绝对压强，它是流体的真实压强。 （2） 表压强：压强表上的读数，表示被测流 体的绝对压强比大气压高出的数值，称为表压强。 （3） 真空度：真空表上的读数，表示被测 流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度。 第13页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二4.不同的方法表示的压强（4） 三者之间的关系

8、 注：真空表和压力表是不同的，即不能互换。 规定：表压和真空度均应该加以标注 即真空度= -表压 真空度=大气压绝对压强 表压=绝对压强大气压 即：3kgf/cm2(表压)或200mmHg(真空度) 第14页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1-1-3 流体静力学基本方程式一、基本方程式的推导 在密度为的静止流体中，取一微元立方体，其边长分别为dx,dy,dz，它们分别 与x,y,z轴平行,如图 pdxdy,定义：流体在重力和压力作用下的平衡规律表达 式，也就是流体处于静止状态时的平衡规律。第15页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二在z轴方向上 （1

9、） 作用于下底面的压力pdxdy,（2） 作用于上底面的压力 （3）作用于整个立方体的重力为 pdxdy,第16页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1-1-3 流体静力学基本方程式 pdxdy,第17页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第18页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二提示：静止流体内部，任意一点的静压能与位能之和为一常数。常称为总势能。第19页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二二、讨论 1p0一定， ，故在静止的连续的同一液体内部，处于同一水平面上各点的压强相等 2. p0变化时，液体内各点的压强

10、将发生同样的变化3 , 说明压强差的大小可以 用一定高度的液柱来表示，但必须注明何种液体； 4上式以不可压缩流体为对象推得。对于气体， 由于它是可压缩流体，在h不同处，变，但在 化工容器中，这种变化可以忽略。上式仍然适 用, 取 m，但只是近似解.5注意：是在静止的连通着得同一流体内部成立第20页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二114静力学基本方程式的应用 一、压强与压强差的测量 1、U型管压差计 1）结构2）对指示液的要求： （3）被测流体密度小于指示液的密度，即（2） A与被测流体不起化学变化；（1） A与被测流体不互溶；第21页，共106页，2022年，5月20日

11、，0点39分，星期二 1、U型管压差计 3）原理：当流体是气体时，第22页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二若用U型管压差计测量某点的压力,则只需将其一端通空,另一端连接到被测量点即可第23页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 2.微差压差计： 可以看出，当所测量的压强差很小时，U型管压 差计读数R很小，有时难以准确读出R值，为把读 数放大，有两种措施： （1）在选指示液时，使 很小， 但后果是液面不稳定； （2）使用微差压差计： 第24页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二（2）为读数方便，使U型管两端各装有扩大室，扩大室内径与

12、U型管内径之比大于10，这样就使得管内指示液A的液面差R很大，但两个扩大室内的指示液C的液面变化很小，可以认为维持等高。 （1）微差压差计内装有两种密度相近，且不互溶的 指示液A和C，而指示液C与被测流体B亦不互溶。 微差压差计的特点：第25页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 3、倾斜压差计：为了提高读数的精度， 可以将液柱压差计倾斜放置。即：第26页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 二、液位的测量：目的：了解容器里的贮存量，控制设备里的液位 1、最原始的液位测量： 特点：因玻璃管易碎，且不便于远传或远处观察 第27页，共106页，2022年，5

13、月20日，0点39分，星期二2、安装平衡室：条件： （1）平衡器的小室里面所装的液体与容器里的相同。 （2）平衡器里液面的高度维持在容器液面允许达到 的最大高度处。 则结论： （1）当容器里得液面达到最大高度时：R=0 (2 ) R0时可根据压差的计算法，计算液面高度， 容器里液面愈低压差计读数越大 平衡室液位维持在设备的最高液位处第28页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二3、远距离测量液位 当容器离操作室较远，或埋在地面一下时，液位的 测量装置如图。管内氮气的流速由调节阀控制，一 般很小，在最高液位时有气泡缓缓溢出即可，气体 流速不能太大，否则阻力损失较大，不可忽略。

14、除此之外，液位的测量方法还有很多，有利用浮力的浮球 式液位计，电容式液位计，超声波，射线等等。 第29页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 三、液封高度的计算 真空液封 第30页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二四、静力学方程式其他应用1、倾析器 第31页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二2、稳压高位槽(马里奥特容器) 第32页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二3、倒液封 第33页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第二节 流体在管内的流动 流量： 2.流速： 1)实验表明：流体流经管道

15、任一截面时各点的流速沿管径 变化，中心处最大，壁面处最小为0。速度分布复杂， 工程上为方便取平均值。滞流 湍流 121流量与流速体积流量：流体量用通过的流体的体积表示。VS ,m3/s 单位时间内流过管道任一截面的流体量。流体量：质量流量：流体量用通过的流体的质量表示。Ws, kg/s 单位时间内流体在流动方向上流过的距离。u，m/s 第34页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二3.管道内径的计算：若管道为圆形截面，则 第35页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二122 定态流动与非定态流动 定态流动：在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关

16、物理量仅随位置而变化，不随时间而变化，这种流动称为定态流动。 化工生产中多属于这种连续定态流动过程 非定态流动：在流动系统中，若各截面上流体 的流速、压强、密度等有关物理量不仅随位置而变 化，而且随时间而变化，这种流动称为非定态流动。 第36页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二123 连续性方程式物料衡算：如图：第37页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二123 连续性方程式第38页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二124 能量衡算方程式流动系统的总能量衡算方程式：如图衡算范围：设备内壁面、 11截面、22截面间围成的系统衡算基准

17、：1kg流体 基准水平面：o-o 第39页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二v1,v2 流体分别在截面11与 截面22处的比容；m3/kg 符号含义：u1,u2 流体分别在截面11与截面22处的流速；m/s p1,p2 流体分别在截面11 与截面22处的压强；Pa Z1,Z2 流体分别为截面11 与截面22处的中心与 基准 水平面的垂直距离；mA1,A2 流体分别为截面11与 截面22处的面积；m2 第40页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1kg流体进、出系统时输入和输出的能量： 第41页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1k

18、g流体进、出系统时输入和输出的能量： 第42页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为： 第43页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 二、流动系统的机械能衡算式与伯努利方程式 第44页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二以1kg流体为基准的总能量衡算方程式为： 第45页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第46页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 ： 第47页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第48页，共106页，2022年，5月20

19、日，0点39分，星期二二、伯努利方程式的讨论 该方程表示理想流体在管道内作定态流动而又 没有外功加入时，在任一截面上单位质量流体所 具有的位能、动能、静压能之和为一常数，称为 总机械能，单位:J/kg; 2.注意方程中各项的单位及意义； 3.对于可压缩流体，若所取系统两截面的绝对压 强变化小于原来绝对压强的20时，该方程仍然 适用，但应该注意：式中密度应该用两截面密度的平均值代替； 第49页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二6.衡算基准不同，方程式形式不同 5.如果流体静止，该式简化为静力学基本方程式； 即流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式 4.对于非定态流动系

20、统的任一瞬间，伯努利方程仍然成立； 第50页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第51页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二125 机械能衡算方程式（伯努利方程式）的应用确定管道中流体的流量 确定设备间的相对位置 确定输送设备的有效功率 确定管路中流体的压强第52页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二五、应用伯努利方程式的解题要点： 1、作图与确定衡算范围 2、截面的选取3、基准水平面的选取4、单位必须一致六、非定态流动系统的计算 第53页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第三节 流体的流动现象 一、牛顿粘性定律

21、2、水在管内的流动：如图 流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流 体层间的相互作用力它是流体粘性的表现，又称 为粘滞力或粘性摩擦力。1、粘性：流体具有粘性，没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。在运动状态下，流体还具有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。 它是流体阻力产生的依据。131 牛顿粘性定律与流体的粘度第54页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二3.牛顿粘性定律：以两平行平板间流体流动为例，大量实验表明：第55页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第56页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二D：压强变化时，液体的

22、粘度基本不变，气体粘度随压强增加而增加很少，一般情况下可以忽略，只有在极低或极高压强下才需要考虑。二、流体的粘度1、粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力提示：A：粘度是与速度梯度相联系，流体只有 运动时才显现出来；B：粘度是流体物理性质之一，其值由实验测定；C：液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随 温度的升高而增大；第57页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二2、粘度的单位及换算4、混合物的粘度第58页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二132 非牛顿型流体 凡是符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。 凡是不符合牛顿粘性定律的流体称为

23、非牛顿型流体。 第59页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二133 流动类型与雷诺准数 一、雷诺实验 2、湍流流动（紊流流动）：质点做无规则的杂乱运动，相互碰撞，并产生大大小小的旋涡。 三、雷诺准数注：凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起 来的数群称为准数或无因次数群（包含了各物理量之间 的联系，又能说明某一现象或过程的一些本质）二、流体流动的两种类型：1、滞流流动（层流流动）：质点沿管轴有规则的平行运动 第60页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第三节流体的流动现象134 滞流与湍流 流体内部质点的运动方式 2、流体在圆管内的速度分布滞流 湍

24、流 3、流体在直管内的流动阻力 滞流与湍流的区别 （本质区别）第61页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二135 边界层的概念 边界层的形成及边界层的发展2.边界层的分离 平板上边界层的形成与发展 圆管内的边界层形成与发展 第62页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第四节 流体在管内的流动阻力流动阻力产生的原因：1、流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是流动阻 力产生的根源； 2、固定的管壁或其它形状的固体壁面，促使流动的 流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力直管阻力局部阻力 直管阻力:流体流过直管而产生的阻力损失 局部阻力：由于流

25、体流经管路中的管件、阀门及 管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。 第63页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二强调：流体流过水平放置的圆形直管，且无外功加入时，两截面压强差就等于由于阻力损失产生的压强降。 第64页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二141流体在直管中的流动阻力直管阻力通式的推导 第65页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二141流体在直管中的流动阻力 第66页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二141流体在直管中的流动阻力管壁绝对粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度 管壁相对粗糙度： /d摩

26、擦系数f(Re, /d) 2、管壁粗糙度对摩擦系数的影响 粗糙度与摩擦系数的关系1 粗糙度与摩擦系数的关系3 粗糙度与摩擦系数的关系2 第67页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二3、滞流时的摩擦系数:如图 第68页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第69页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二定理：a）任何因次一致的物理方程都可以表示为一组无因次数群的零函数 b）无因次数群1， 2， 3，的数目i等于影响该现象的物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次的数目m4、湍流时的摩擦系数和因次分析 因次分析方法的目的： 因次分析方法的基

27、础或依据：因次一致性原则：根据基本物理规律导出的物 理方程，其中各项的因次必然相同。 因次一致性原则和定理第70页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二4、湍流时的摩擦系数和因次分析第71页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第72页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第73页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第74页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第75页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二4）完全湍流区：图中虚线以上的区域， 与Re无关，仅与/d有关。阻力平方区利用以

28、/d为参数，标绘Re和关系图查取摩擦系数 该图分为四个区域： 1)滞流区：Re4000及虚线以下的区域，特点是 f(Re, /d) 当/d一定， 随Re的增大而减小，Re值增至某一数值后下降缓慢。 Re值一定，随 /d增大而增大。 第76页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二5、流体在非圆形直管内的流动阻力水力半径：流体在流道里的流通截面A与润湿周边长度的比值。 第77页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二142 管路上的局部阻力1、突然扩大和突然缩小 2、进口和出口 3、管件与阀门进口阻力系数，c=0.5;出口阻力系数。 e=1.0有关手册中可查到第7

29、8页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二142 管路上的局部阻力当量长度的意义：流体流过某一管件或阀门 的局部阻力，相当于流过一段与其具有相同 直径、长度le的直管阻力。第79页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二143 管路系统中的总能量损失第80页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第五节 管路计算简单管路 复杂管路 分支管路 汇合管路 并联管路一、简单管路的计算 1、管路计算中的常用方法试差法 2、简单管路分析第81页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二一、管路计算中的试差法对于后两种情况该如何计算？在实际工

30、作中常见的情况有：1、已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输 送量，求流体通过管路系统的能量损失，以便进一步 确定输送设备所加入的外功、设备内的压强或设备 间的相对位置等。2、已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的 能量损失，求流体的流速或流量。3、已知管长、管件和阀门的当量长度、流体的流 量及允许的能量损失，求管径。试差法第82页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二一、管路计算中的试差法第83页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第84页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二二、简单管路的分析 条件：高位槽内液面维持恒定， 各管

31、段管径相同总阻力损失为定值第85页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二结论： 1、任何局部阻力的增加，将使管内流速下降2、下游阻力增加，将使上游压强增大3、上游阻力增加，将使下游压强降低4、任何时刻，阻力损失表现为流体的势能差增大第86页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二复杂管路 工程上常用的两种处理方法：1、交点O的能量交换和损失与各股的流向和流速大小皆有关系，但可将单位质量流体跨越交点的能量变化看作流过管件（三通）的局部阻力损失。由实验测定不同情况下三通的局部阻力系数，当流体流过交点时能量有所增加，则值为负， 否则为正值。 这样，只要各股流向明确，

32、仍可跨越交点列 机械能衡算式求解。第87页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二2、如果输送管路其它部分的阻力较大，如：三通阻力（单位质量流体流过交点时的能量变化） 所占比例甚小，可以忽略。可不计三通阻力跨越交点列机械能衡算式， 所得结果是足够准确的第二种方法实际中常用第88页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二三、并联管路的分析 并联管路的特点 第89页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二四、分支管路的分析 分支管路的特点：1、尽管各支管长短及直径相差不一，但单位质量流体 在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等第90页，共10

33、6页，2022年，5月20日，0点39分，星期二分支管路分析： 因为各支路下游压强不变，有各支路流速增大因为交点处压强增大，主管路流速减小第91页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二特例：1、总管阻力可以忽略不计，以支管阻力为主支管路上的阀门关小，对分支点的压强影响较小， 故对其它支管的流量几乎没有影响。2、总管阻力为主，支管阻力可以忽略 此时因为与各支管终端压强相近，总管中的流量 将不因支管情况而变，即支管阀门的启闭不影响 总流量，而仅仅改变各支管流量的分配。第92页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二五、汇合管路的分析 汇合管路 第93页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二第六节 流量测量一、测速管（皮托管）1、结构：2、原理： 第94页，共106页，2022年，5月20日，0点39分，星期二提示：1）测速管只能测出管截面上任一点的点速度2)测量点应该在稳定段 3）测速管的外径不大于管道内径的1/504)测速管的制造精度