第一章流体流动

《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering化工原理教研室ChemicalEngineeringTeaching&ResearchSection任课教师：孟霞1

化工原理课程简介

课程性质课程任务课程内容课程要求

专业基础课工程性、实践性强桥梁作用开发、设计、操作、强化

动量传递热量传递质量传递自学能力创新能力理论联系实际开发：选择合适的过程及设备（按经济合理性、技术可行性、污染小、能耗低）设计：选择设备的型号及主要尺寸（根据工艺对设备的要求）操作：如何进行操作和调节以适应生产的不同要求

强化

改造现有的生产过程和设备以提高效率（包括增产、降耗、节能）理论教学实验教学课程设计2化工过程与单元操作单元操作的分类单元操作的研究方法单元操作常用基本概念化工原理两个重要工具绪论3化工过程与单元操作化工过程原料前处理化学加工后处理产品除去杂质达到必要的纯度，物理变化过程生成新的物质，化学变化过程精制、分离达必要的纯度，物理变化过程化工过程包括化学反应过程和物理过程。4单元操作特点：化工生产中共有的操作;物理性操作：只改变物料状态和物理性质，化学性质不变。

单元操作：化工生产中不涉及到化学反应的一系列操作过程5按操作的理论基础划分动量传递为基础：流体输送、搅拌、沉降、过滤，离心分离热量传递为基础：加热、冷却、蒸发、冷凝质量传递为基础：蒸馏、吸收、吸附、萃取热、质同时传递：干燥、结晶、增湿、减湿新的单元操作——膜分离技术、超临界技术单元操作分类6(1)实验研究方法（经验法）

优点：省却方程的建立，直接采用实验获得变量间的关系

不足：实验工作量大、缺乏指导意义(2)数学模型方法（半理论半经验法）

必要性：复杂问题的简化——广泛被应用研究方法7平衡关系---过程能否进行、进行的方向和达到的限度。传递速率增大速率可通过：增大推动力或减小阻力来实现

定态过程与非定态过程定态过程：物理量不随时间而变，只随位置变非定态：物理量随时间和位置都变。

单元操作常用基本概念81．物料衡算

(1)衡算依据：质量守恒定律非定态：输入=输出＋积存定态：输入量=输出量化工原理三个重要工具输入系统输出积累

9(2)衡算方法：a.

画物料流程示意图，流向用箭头表示，标明数据与待求量b.

确定衡算基准：一般以单位进料或出料量、时间或设备的单位体积c.

划定衡算范围，列衡算式，求解例：连续蒸发过程总物料衡算：F=V+W溶质物料衡算：FxF=WxW+VxVVxVWxwFxF

蒸发器10

衡算依据：能量守恒定律非定态：输入=输出＋积存定态：输入量=输出量指明基准温度（一般物料的焓从0℃算起，也可选其它温度作基准，必须指明）

2．热量衡算3．动量衡算衡算依据：动量守恒定律研究动量随时间的变化率，即牛顿第二定律所体现的规律。

11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12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。、流体流动的考察方法质点的含义：（1）由大量分子构成的微团（2）质点间无间隔——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:——流体质点与连续介质模型131.流体的热力学性质流体的密度—单位体积流体的质量。用表示。

获得方法：（1）查物性数据手册 影响因素：流体种类、浓度、温度、压力

（2）公式计算：液体混合物：气体：----------理想气体状态方程气体混合物：质量分率体积分率液体：温度对密度的影响：T↑ρ↓,T↓ρ↑.故选用密度数值时要注意所确定的温度。14混合气体的平均密度比容v：单位质量物体的体积——密度的倒数液体的比重d：任一液体的密度与4℃水的密度之比重度：单位体积的物体重量——工程上常用152．流体的压力及其表示方法

流体的压力—流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。（1）压力单位

SI制:N/m2=Pa，称为帕斯卡1atm(标准大气压)＝1.013×105

Pa＝760mmHg＝10.33mH2O总压力：作用于整个面上的力工程制：kgf／cm2生产上：atm（标准大气压）、m（流体液柱高度）1at(工程大气压)=lkgf／cm2=10mH20=735.6mmHg=9.81x104Pa163．压力的表示方法绝对压力表压绝对真空（零压）为基准大气压力为基准表压＝绝对压力－当地大气压真空度＝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17例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80KPa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压力，真空表的读数应为多少?兰州地区的平均大气压为85.3Kpa，天津地区的平均大气压为101.33KPa。解：根据兰州地区的大气压，可求得操作时塔顶的绝对压力：

绝对压力=大气压—真空度=85.3-80=5.3KPa天津操作时，塔内维持相同的绝对压力，而大气压不同，则塔顶的真空度也不同，其值为:真空度=大气压—绝对压力=101.33-5.3=96.03KPa18二.流体静力学基本方程流体所受到的力质量力表面力如重力、离心力等，属于非接触性的力。法向力切向力(剪力)(压力)静止流体所受到的力质量力法向力----静止流体内部任一点的压力,习惯上称为静压力。----重力场中单位质量流体所受质量力,即为重力加速度。191．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

ρgAdz2、静力学方程的推导：二.流体静力学基本方程式20

三力之和为0：向上作用力为正

pA－(p+dp)A－ρgAdz

＝0

dp＋ρgdz＝0

dZ(P＋dP)AρgAdzP压力形式能量形式

液柱高形式

积分：

p＋ρgz＝C

或

p/ρ＋gz＝C

----流体静力学基本方程211.液面上方的压力

一定，内部任一点压力与液体密度和液面深度h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。压力相等的面称为等压面。2.液面压力

改变时，内部各点的压力将发生同样大小的改变—帕斯卡原理（压力具有传递性）3.压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。4.=z1＋z2＋

p1g

p2g或=z＋常数

pg适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体三.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。22等压面的确定：具备四个条件：静止、连通、同一水平面、同一流体

Pa’≠Pbaa’bb’截面a—a’、b—b’

为等压面

Pa=Pa’，Pb=Pb’四.流体静力学方程的应用23

1.压力计(1)单管压力计p

a

R

A1

..

p1–pa=p1(表)=gR

(2)U形压力计rpa

A

1

h

R

2

3

r0p1=pa+0gR–gh

U管压差计：U形管内装入与被测流体不同的液体——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Hg。242．测压差(1)U形管压差计

2

1

z2

z1r

Ra

br012p1+

g(z1

+R)

=p2+

gz2

+0gRp1

-

p2

=

g(z2-z1)

+(0-)

gR

由pa=pb，得：25若管路水平：z2＝z1

P1－P2＝(ρ0－ρ)gR若管路内是气体ρ«ρ0

P1-P2=ρ0gR+ρg(z2-z1)若U管一端连被测流体，一端通大气，读数R指示被测流体表压。

P表＝P1－P大3.倒U管压差计264.双液体压差计(微压差计)1略小于2读数放大p1-p2=

(2-1)

gR5.斜管压差计276、液位的测量：测液位置:容器底部器壁及液面上方器壁处各开一小孔，两孔间U形玻璃管相连。pa=p0+ρgh

pb=p0+ρHggR287、液封高度的计算：液封目的:防止气体泄漏保证流体自由流动气压超标时,保证安全29第二节流体流动的基本方程一、概述：1、流量与流速流量：单位时间流过管路任一截面的流体量。体积流量

单位时间流过管路任一截面的流体体积，用Vs表示，单位为m3/s。

质量流量

单位时间流过管路任一截面的流体质量，用ms表示，单位为kg/s。

体积流量和质量流量的关系

30质量流速与流速的关系：质量流量与流速的关系：平均流速：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，单位为m/s

质量流速：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kg／(m2·s)

312、管径的计算

圆形管路,若管道内径d表示，则

一般:密度大或粘度大的液体，u应小;含固体杂质流体

u应大，避免固体沉积在管内;气体稍大10-30m/s，液体0.5-3m/s。32二、定态流动与非定态流动

1、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，而不随时间改变的流动。2、非定态流动：各物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动。33三、粘性与粘度内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。粘性：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。yfAfBvBvABA34µ——粘度，衡量流体粘性大小的物理量，粘性越大µ越大。

——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。

牛顿粘性定律

：µ物理意义：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，又称动力粘度。35粘度的影响因素：液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。液体：T↑体积膨胀↑分子间距↑吸引力↓µ↓气体：T↑u↑分子碰撞↑µ↑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。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体.36四、连续性方程——质量衡算：

截面1—1’与2—2’为衡算范围，由质量守恒定律，——定态流动的连续性方程推广到管路上任何一个截面不可压缩的流体Vs1=Vs2=Vs3=…=Vs=常数37圆形管路：

分支管路：总管质量流量为各分支管路质量流量之和。

ms=ms1＋ms2msms2ms1以上各式都称为管内定态流动的连续性方程。

38五.伯努利方程

传热速率qe

，

能量：运动着的流体涉及的能量形式有内能、位能、动能、静压能、热、功u2/2，J/kggz，J/kg功率we，He取决于温度，U，J/kg图2-4控制体的能量衡算p/，J/kg…….能量衡算39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：设：1kg流体体积为v=1/,流体通过管道某截面所受压力P＝pA。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/40流体稳定流动时的能量衡算：输入能量＝U1+gZ1+u12/2+p1/

1

+qe+we输出能量＝U2+gZ2+u22/2+p2/

2由能量守恒定律：输入能量＝输出能量U1+gZ1+u12/2+p1/

1

+qe+we＝U2+gZ2+u22/2+p2/

2总能量衡算式：(J/kg)1.理想流体流动过程的能量衡算理想流体：a.流体在流动时无摩擦，无能量损失b.不可压缩流体41

gZ1+u12/2+p1/

＝gZ2+u22/2+p2/

＝常数理想流体伯努利方程：流体的机械能2.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)……由流体输送设备提供

gZ1+u12/2+p1/

＋We＝gZ2+u22/2+p2/

＋Wf实际流体伯努利方程：42对实际流体的能量衡算：机械能衡算方程（柏努利方程）外加压头静压头动压头位压头压头损失或写成：

43四种形式的柏努利方程：单位质量流体J/kg

单位重量流体J/N,m液柱mkg流体J

、单位体积流体J/m3或Pa＝N·m2

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。44柏努利方程的讨论：--------静力学方程（1）理想流体在管道内作定态流动时各截面上所具有的总机械能相等，每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转化。

45(4)柏努利方程的适用条件：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变化，按定态推导；对于可压缩流体，若,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。

46（5）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；we、Σwf----1kg流体在两截面间获得或消耗能量，为过程函数.

We：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，即

Ne=ms

we

ms

：流体的质量流量，Ne的单位：J／s或W

η------转换效率

Ne＝ηN

N——输送机械的轴功率47柏努利方程的应用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；确定衡算范围截面选取：连续——两截面间流体必须连续垂直——截面与流体流动方向垂直

技巧：截面宜选在已知量多的位置，便于计算基准面的选取：位能基准水平面须与地面平行，选两截面低的为基准，若截面不是垂直于地面，应选管中心线的水平面。压力：表压、绝压、真空度均可，但两边必须一致。1148