化工原第一章

1、化工原第一章第1页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二在航空、航天、航海，石油、化工、能源、环境、材料、医学和生命科学等领域，尤其是化工、石油、制药、生物、食品、轻工、材料等许多生产领域以及环境保护和市政工程等，涉及的对象多为流体。特征“流程工业”在流动之中对流体进行化学或物理加工加工流体的机器与设备过程装备 流体（Fluid）与流体流动（Flow）第2页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二1.1流体的物理性质第3页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体；流体:气态和液态物质合称为流体（包括超临界

2、流体、 等离子体等特殊流体）固体、液体和气体流体的基本特征是具有流动性 第4页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二从微观来看分子之间有空隙流体的物理量(如密度、压强和速度等)在空分布不连续。分子的随机运动所以在空间任一点上，流体的物理量在时间上的变化也是不连续的。在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即大量分子的统计平均值，为此引入连续介质模型。第5页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二连续介质假定(Continuum hypotheses)（1）V0：流体质点或微团。尺度远小于液体所在空间的特征尺度，而又远大于分子平均自由程 单位体积平均质量第6页，

3、共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二连续介质假定(Continuum hypotheses)(2)第7页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二注意： 该假定对绝大多数流体都适用。但当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。 第8页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体的密度:根据连续介质假定,任意空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为: 由于 很小,因此上式又可写成:气体密度： 第9页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二气体密度：

4、 一般可当成理想气体处理:混合气体密度:混合气体的平均分子量；A组分的分子量；A组分的摩尔分率；B组分的分子量；B组分的摩尔分率。(质量守恒)A组分的分容；B组分的分容。第10页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二 液体的密度:流体的密度:根据连续介质假定,任意空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为: 由于 很小,因此上式又可写成:气体密度： 第11页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二混合液体的密度: 设定混合液体的体积=分体积之和,即: 液体的密度: 为A组分的质量分率 , 为B组分的质量分率 , 则有：第12页

5、，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二牛顿粘性定律(P7):1.1.3 流体的黏度第13页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二 流体在运动时,任意相邻两层流体有相互抵抗力,这种相互抵抗的作用力称为剪切力, 流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的粘性。 粘性是流体固有的物理性质。牛顿粘性定律:第14页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二uu=0dudyyxF面积A固定板牛顿粘性定律:牛顿粘性定律凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体(如水、空气等),否则为非牛顿型流体。第15页，共87页，2022年，5月20日，17点1

6、1分，星期二牛顿粘性定律(P7):1.1.3 流体的黏度流体的粘度第16页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体的粘度流体的粘度 粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成和状态(压力、温度)的函数。一般 而言:气体:液体:第17页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体的粘度的单位:SI制 工程制的单位:泊(P);厘泊(cP或mPa.s)关糸:单位:SI制 运动粘度:第18页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二牛顿粘性定律(P7):1.1.3 流体的黏度流体的粘度混合物粘度的估算:第19页，共87页，2022年，5月20日，17点

7、11分，星期二常压气体混合物粘度,可采用右式计算非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算式中: m 气体混合物的粘度yi 气体混合物组分的摩尔分数 i 同温度下纯组分的粘度 Mi 纯组分的摩尔质量式中: m 液体混合物的粘度xi 液体混合物组分的摩尔分数混合物粘度的估算:理想流体与粘性流体具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体的流体称为理想流体第20页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二牛顿粘性定律(P7):1.1.3 流体的黏度流体的粘度混合物粘度的估算:非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）P144第21页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期

8、二牛顿流体与非牛顿流体第22页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二牛顿流体与非牛顿流体第23页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二牛顿流体与非牛顿流体第24页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）P146高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。非牛顿流体的粘度 不再为一常数而与 dux / dy 有关第25页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二宾汉塑性流体或塑性流体（

9、Bingham plastics）y 屈服应力（threshold shear stress）K 宾汉粘度n 流变指数（flow behavior index）K 稠度系数（flow consistency index）a 表观粘度幂律（power law）流体n1 涨塑性流体（Dilatant fluid）P16非牛顿流体（Non-Newtonian fluid ）第26页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等 接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力 处于重

10、力场中的流体， 无论运动与否都受到力的作用。连续介质的受力服从牛顿定律。重力场重力加速度离心力场离心加速度 流体的受力场力或体积力（质量力）表面力第27页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:第28页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二SI制:N/m2 或Pa；压力 的单位:kPa1kPa=1000Pa工程制:标准大气压(atm)、工程压力(kgf/cm2)、某流体柱高度等。1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa

11、 1at=1kgf/cm2=9.807104Pa 第29页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:真空度与表压第30页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二真空度与表压当被测流体的压力(或绝对压力)小于大气压时:当被测流体的压力(或绝对压力)大于大气压时:表上读数=大气压 绝对压力表上读数=绝对压力大气压真空度表压真空表压力表压力表与真空表第31页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二p1p2真空度绝压表压绝压大气压绝对零压压强压强的基准和度量第32页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，

12、星期二压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:真空度与表压注意:大气压与海拔高度有关第33页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二注意:大气压与海拔高度有关例:有一设备要求绝压为20mmHg,成都、拉萨的大气压分别为720mmHg、459.4mmHg,问真空度各为多少Pa?20mmHg成都的真空度=72020=700mmHg =700101325/760 =93326Pa解:拉萨的真空度=459.420=439.4mmHg =439.4101325/760 =58581Pa1mmHg=133.32Pa第34页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二压强(工程

13、上习惯将压强称为压力)压力单位:真空度与表压注意:大气压与海拔高度有关表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使流体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数s 来表示，其单位为N/m。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。第35页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体静力学基本方程 ( Basic equations of fluid statics ) P100 y x z zyx根据力的平衡,在 z 方向:即 同理可得： 第36页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二对于不可压缩流体

14、(=常数) ,即有 或z o第37页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二单位体积流体的总势能守恒 单位质量流体的总势能守恒单位体积流体的位能单位体积流体的压能单位质量流体的总势能单位质量流体压能单位质量流体的位能单位体积流体的总势能单位 J/m3又叫虚拟压强单位Pa物意：第38页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒 (2.3-32) 1.重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直 位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面 称为等压面；2.静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离 呈线性关系，也正比于液面上

15、方的压强；3.液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：流体静力学基本方程为：（重力场,不可压缩流体、密度为常数）第39页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二应用上注意几点：1.公式的适用条件(1) 重力场;(2) 讨论的两个点或两个面是静力学连通的;(3) 连通的流体是均匀的( )2. 液柱压力3. 上下压力应用要点: 1.等压面;.(静止的、连通的、均匀的、同一水平面 压力相等) 2.上下压力第40页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二讨论:pA与pB之关糸?(4)(3)AB(1)水A(2)油B第41页，共

16、87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二pA与pB之关糸?pC与pD之关糸?ABCD第42页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体静力学基本方程的应用1.液柱压差计（Manometers)第43页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二普通 U 型管压差计（Simple manometer） 倒置 U 型管压差计（Up-side down manometer）倾斜 U 型管压差计（Inclined manometer）双液体 U 型管压差计（Two-liquid manometer）液柱压差计（Manometers) P12(a)(c)(b)(

17、d)第44页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等由指示液高度差 R 计算压差,若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，计算式为:普通 U 型管压差计（Simple manometer）p0 p0 0 p1 p2 R a b 第45页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二用于测量液体的压差，指示剂密度0 小于被测液体密度 ， U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等由指示液高度差 R 计算压差若 0倒置 U 型管压差计（Up-s

18、ide down manometer)第46页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二采用倾斜 U 型管可在测量较小的压差 Dp 时，得到较大的读数 R1 值。压差计算式倾斜 U 型管压差计（Inclined manometer）第47页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二微差压计，支管顶端有一个扩大室。扩大室内径一般大于U型管内径的10倍。压差计内装有密度分别为 r01 和 r02 的两种指示剂。有微压差 Dp 存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的 R 读数。 对一定的压差Dp，R 值的大小与所用的指示剂密度有关，密

19、度差越小，R 值就越大，读数精度也越高。双液体 U 型管压差计（Two-liquid manometer）第48页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二？A第49页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二AB当被测管段不是水平而是倾斜时,公式的推导 如右图所示, A 、B面为等压面,即当z1=z2时,则有第50页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体静力学基本方程的应用1.液柱压差计（Manometers)2.液封问题 第51页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二要求乙炔发生器 里的表压不超过80mmHg，问管伸入水中

20、深度最大为多少?要使乙炔发生器里的表压不超过80mmHg,管伸入.水中的深度解:即解得流体静力学应用之二液封问题 第52页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体静力学基本方程的应用1.液柱压差计（Manometers)2.液封问题 3.远距离测量液位 第53页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流体静力学应用之三 远距离测量液位 由上得: 解: 第54页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的U型压差计读数 R 为 40mm，压强表读数 p 为 32.5

21、kPa 。试求：水位高度 h。 解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为 pa，则室内气压 po 为 (pA=pB;pA=pa;pB=p0+R0g)AB【例1-2】P13 第55页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r = 1000 kg/m3 和 r0 = 1.2 kg/m3。在某一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算A、B两点的压差。【例1-3】P14第56页，共87页，2022

22、年，5月20日，17点11分，星期二解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为【例2-3】第57页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r = 1000 kg/m3 和 r0 = 1.2 kg/m3。在某一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算A、B两点的压差。【例2-3】第58页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二解：复

23、式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为例1.3第59页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r = 1000 kg/m3 和 r0 = 1.2 kg/m3。在某一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算A、B两点的压差。【例1-3】14第60页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测

24、量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为【例2-3】第61页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r = 1000 kg/m3 和 r0 = 1.2 kg/m3。在某一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算A、B两点的压差。【例2-3】P33-34第62页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各

25、点流体压强为例1-3忽略空气柱的重量，p1 p2 ，p3 p4 ，有第63页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二单组分与多组分 （single and multicomponent） 多相流体系：单相流与多相流 （ single and multiphase ）单相流体系：三维、二维与一维体系: 非稳态与稳态 （Steady and unsteady）T = f(x,y,z) 稳态 T = f(x,y,z,t) 非稳态 u= f(x,y,z) 稳态 u= f(x,y,z,t) 非稳态 1.3 流体流动的基本概念(P14)第64页，共87页，2022年，5月20日，17点11

26、分，星期二流体的流量与流速 流量:单位时间内流经某截面流体的数量。 体积流量(volume flowrate):qV,m3/s;m3/h; 质量流量(mass flowrate) :qm,kg/s;kg/h;流速:流体流动的距离/时间;质量流速:w ;kg/(s.m2) 点速度u;平均速度 ;m/s 之间关糸:第65页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二例:输送水qV=32m3/h;求管规格解:查P131;表3.3d=0.0793m=79.3mm 查附录(管规格) P435选公称口径80mm 外径88.5mm 内径=88.5-24=80.5mm即d=80.5mm 第66页，

27、共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二雷诺实验第67页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二雷诺实验流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态,层流与湍流。层流（Laminar Flow）与湍流（Turbulent Flow）P16第68页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小和方向不断改变。 层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行 流 动，不产生流 体质点的宏观混合。第69页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二xy湍流的

28、基本特征 时均速度与脉动速度湍流的特点tt第70页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二湍流时的瞬时速度:第71页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二物理意义： 惯性力与粘性力之比 雷诺准数Reynolds number除流速u 外， 和 ，管径d 也都影响流动型态。流型判别的依据雷诺准数（Reynolds number）第72页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二Re 2000 稳定的层流区 2000 Re 4000 湍流区 流体在管内流动时：物理意义： 惯性力/粘性力雷诺准数Reynolds number流型判别的依据雷诺准数（Re

29、ynolds number）例1.4 P19第73页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二求雷诺数Re1. d=0.1m, =1000kg/m3, u=1m/s, =1cp2. d=0.1m, u=1m/s, =10-6m2/s3. d=0.1m, qm=(10/4)kg/s, =1cp第74页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流动边界层 （Boundary Layer）流动边界层 流体流动受固体壁面影响（能感受到固体壁面存在）的区域称为流动边界层层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0 xy流体沿平壁流动时的边界层发展内摩擦：一流体层由于粘性

30、的作用使与其相邻的流体层减速边界层：受内摩擦影响而产生速度梯度的区域（d）u=0.99u0第75页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二流动边界层 （Boundary Layer）层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0 xy流体沿平壁流动时的边界层发展边界层发展： 边界层厚度d 随流动距离增加而增加流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也 维持不变第76页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二进口段圆管入口处的流动边界层发展 层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内

31、的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流第77页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二倒流 分离点u0 D ACCBx2.边界层分离AB顺压强梯度； B点以后逆压强梯度第78页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二边界层分离的条件:1.逆压强梯度2.外层动量来不及传入第79页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二热力学第二定律指出，所有系统由非平衡态向平衡态转化是熵增大的自发过程，例如：热流从高温处流向低温处水流从高位处流向低位处电流由高电位流向低电位唯象方程（Phenomenological equation）扩散通量扩散系数扩散推动力 1.4 流体中的扩散现象与扩散定律Diffusion phenomena and diffusion laws第80页，共87页，2022年，5月20日，17点11分，星期二1.4