化工基础课件

化工基础课件第1页，共94页，2023年，2月20日，星期一第一节概述一、流体的特性

1、流动性；

2、没有固定形状，形状随容器而变；

3、流体流动—外力作用的结果；

4、连续性（除高度真空情况）。第2页，共94页，2023年，2月20日，星期一二、流体的宏观参数

能宏观测定的平均参数—

研究流体质点（微团）三、可压缩性流体与不可压缩性流体可压缩性流体—气体不可压缩性流体—液体四、研究内容（1）流体流动的规律（2）设备提供的能量（3）压力、流速、流量的测定第3页，共94页，2023年，2月20日，星期一流体流动的典型流程计算内容：流速、流量、压强、管径、扬程、功率转子流量计阀门贮槽离心泵贮槽第4页，共94页，2023年，2月20日，星期一

第二节流体静力学基本方程式

研究外力作用下的平衡规律

1-1密度一、密度

1.定义：单位体积流体所具有的质量。

ρ=m/V[kg/m3]2、影响因素：温度和压力（1）液体—

为不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。第5页，共94页，2023年，2月20日，星期一（2）气体—

为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理。3、混合物密度（1）气体

第6页，共94页，2023年，2月20日，星期一（2）液体混合物密度

a—质量分率应用条件：**

混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和。二、比容单位质量的流体所具有的体积。第7页，共94页，2023年，2月20日，星期一三、相对密度与比重1.相对密度d2.重度重度值=密度值(值相同但意义不同)

第8页，共94页，2023年，2月20日，星期一1—2压力一、定义：流体垂直作用于单位面积上的力。二.压力的单位

1.SI单位

[N/m2][Pa]2.工程单位

[kg/m2]—[at]—[mmHg]—[mmH20]—[mH20]第9页，共94页，2023年，2月20日，星期一

3.换算

1atm=1.0133×105[N/m2]

=101.3[kPa]=10330[kgf/m2]=10.33[mH20]=760[mmHg]1at=1[kgf/cm2]

=10[mH20]=735.5[mmHg]=98.1[kPa]

第10页，共94页，2023年，2月20日，星期一三.压力的基准及表示形式

1.以绝对真空为基准

2.以当时当地压力为基准

绝对压表压真空度绝压（余压）表压＝绝对压-大气压真空度＝大气压-绝对压绝对零压大气压实测压力实测压力第11页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。解:

绝压=大气压-真空度

=85300–80000=5300[Pa]

真空度=大气压-绝压

=101330-5300=96030[Pa]第12页，共94页，2023年，2月20日，星期一1-3流体静力学基本方程

一.相对静止状态流体受力情况

上表面作用力：

F1=

P1A下表面作用力：

F2=

P2A重力：G=gA(Z1-Z2)第13页，共94页，2023年，2月20日，星期一

F1+G=F2P1A+gA(Z1-Z2

)=P2AP2=P1+

g(Z1-Z2

)

或P2=P0+

g(Z1-Z2)=P0+

gh

或

F1＝P1AF2＝P2AG＝gA(Z1-Z2)

二.静力学方程及巴斯葛定律第14页，共94页，2023年，2月20日，星期一三.讨论1.流体某一深处的压力与深度和密度有关。2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同（巴斯葛定律）。3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。(等压面)4.压力或压差可用液柱高度表示。

H=（P2-P0）/gP2=P0+gh第15页，共94页，2023年，2月20日，星期一

5.可用不同液柱高度表示压力，换算关系为：

H’=H/’

6.

静压头与位压头之和为常数。

Z—

表示把单位重量流体由基准面移至Z高度后具有的位能。—静压头。第16页，共94页，2023年，2月20日，星期一例:P0>P1>P2P1=?P2=?

第17页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题:1.判断下面各式是否成立

PA=PA’PB=PB’PC=PC’

2.细管液面高度。

1=800kg/m3

2=1000kg/m3

H1=0.7m

H2=0.6m

3.当细管水位下降多高时,槽内水将放净?第18页，共94页，2023年，2月20日，星期一解:利用等压面原理求解

1.PA=PA’PB=PB’

2.

2gh+p0=1gH1+2gH2+p03.

2gh’=1gH1第19页，共94页，2023年，2月20日，星期一第20页，共94页，2023年，2月20日，星期一1-4流体静力学基本方程的应用一.压力测定1.U型管压差计

A-A’为等压面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如测量气体0P1-P2=Rg’一臂通大气?P1P2第21页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.微差压差计—

放大读数

P1

P2

a

Rb

特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-b）Rg第22页，共94页，2023年，2月20日，星期一3.倾斜液柱压差计R1=R/sinR=R1sin第23页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题：用普通U型管压差计测量气体管路上两点压差，指示液为水，读数R为1.2cm，为扩大读数改为微差计，一指示液密度为920kg/m3，另一指示液密度为850kg/m3，读数可放大多少倍？

解：

（水-气）gR=（1-2）gR’

新读数为原读数的171/12＝14.3倍第24页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题：常温水在管道中流动，用双U型管测两点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计算两处压力差如图：

P1=P1’P2=P2’Pa=P1’+水gxP1’=汞gR+P2Pb

=水gx+水gR+P2’Pa-Pb=Rg(汞-水)=0.19.81(13600-1000)=1.24103Pa第25页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.液位的测量第26页，共94页，2023年，2月20日，星期一

三.液封

气体R真空表气气水RRpp第27页，共94页，2023年，2月20日，星期一已知：抽真空装置的真空表读数为80kPa，求气压管中水上升的高度。P0=P+gRP为装置内的绝对压

P0

RP=P0-真空度第28页，共94页，2023年，2月20日，星期一第三节：管内流体流动的基本方程1-5流量与流速一.流量1.体积流量qv[m3/s]2.质量流量

qm=

qv

[kg/s]二.流速1.平均流速

u=V/A[m/s]

2.质量流速

qw=qm/A=u[kg/m2.s]3.管径

液体:0.5—3m/s

气体：10—30m/s

第29页，共94页，2023年，2月20日，星期一例:安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择合适的管道。选择普通无缝钢管①外径=89mm壁厚=4mm即φ89×4的管子内径为d=81mm=0.081m实际流速为:解：选择管内水的经验流速u=1.8m/s第30页，共94页，2023年，2月20日，星期一1-6稳定流动与不稳定流动一.稳定流动—流体流动过程中，在任意截面，流体的参数不随时间改变（定常态流动）。二.不稳定流动—流体流动过程中，在任意截面,流体的任一参数随时间而改变（非定常态流动）。第31页，共94页，2023年，2月20日，星期一

1

2

1’

2’

qm1=qm2qm=V=uAu1

A1

1=u2

A2

2=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变

u1

A1=

u2

A2

u1

/u2

=(d2/d1)2

1-7连续性方程第32页，共94页，2023年，2月20日，星期一

123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?例题:如下图的变径管路第33页，共94页，2023年，2月20日，星期一

123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?

＝2.04m/s

V’=2Vu’=2u

u1=2uu1’=16.3m/s例题:如下图的变径管路例题:第34页，共94页，2023年，2月20日，星期一

1-8柏努力方程#稳定流动，单位时间，质量为M的流体截面1——截面2位能：流体因处于地球重力场中而具有能量，其值等于把质量为M的流体由基准水平面升举到某高度Z所做的功。位能=力距离=mgZ单位质量流体的位能：

mgZ/m=gZ[J/kg]一.柏努力方程第35页，共94页，2023年，2月20日，星期一3.

静压能：将流体压入流体某截面对抗前方流体的压力所做的功。静压能=力距离

2.动能：流体因运动而具有的能量。动能=mu2/2每公斤流体的动能为:

##截面在基准面之上，位能值为正，在基准面之下其值为负。

第36页，共94页，2023年，2月20日，星期一一公斤流体的静压能为

PA.qm/(.

A)=P/[J/kg]

当流体为理想流体时，两界面上的上述三种能量之和相等。即：

各截面上的三种能量之和为常数

——柏努力方程第37页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.柏努利方程讨论1.柏努利方程表示理想流体在管道内作稳定流动,无外加能量,在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能（称为机械能）之和为常数，称为总机械能，各种形式的机械能可互相转换。2.各项机械能的单位皆为J/kg。3.当（P1-P2）/P2<20%,密度用平均值,不稳定系统的瞬间亦可用。4.流体静止,此方程即为静力学方程;第38页，共94页，2023年，2月20日，星期一各项单位为m：表示单位重量流体具有的机械能,相当把单位重量流体升举的高度。各项称为压头。5.亦可用单位重量和单位体积流体为基准:第39页，共94页，2023年，2月20日，星期一1-9实际流体的机械能衡算第40页，共94页，2023年，2月20日，星期一能量的转换连通变径管

h2h1h3h4第41页，共94页，2023年，2月20日，星期一第42页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.柏努利方程的应用解题要点1.作图并确定能量衡算范围;2.截面的选取；(1)截面应与流体的流动方向垂直；(2)两截面之间的流体是连续的；所求未知量应在截面上或截面之间；

第43页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题：如图，碱液(d=1.1)，塔内压力为0.3atm,管径603.5,送液量25T/h,能量损失为29.43J/kg,求外界输送的能量。

Z1=1.5m,Z2=16mP1(表)=0P2=0.3atm=0.3101330pau1=0∑hf=29.43J/kg

16m1.5m第44页，共94页，2023年，2月20日，星期一qv=qm/ρ

=25000/3600/1100=0.0063m3/su2=qv/A=0.0063/(0.785×0.0532)=0.86m/sgZ1+He=gZ2+P2/ρ+u22/2+∑hf=203J/kg第45页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题:泵进口管φ89×3.5，出口管径φ76×2.5流速1.5m/s，压力0.2kgf/cm2(表),能量损失40J/kg，密度1100kg/m3,求外加的能量。

Z1=0Z2=7mP

1=0P2=0.2×98100Pau1=0∑hf=40J/kgu2=u0(d0/d2)2=1.5×(82/71)2

=2m/s

第46页，共94页，2023年，2月20日，星期一例:管内流体流速为0.5m/s,压头损失1.2m,求高位槽的液面应比塔入口高出多少米?

1Z

2P1=P2

=0(表)u1=0u2=0.5m/sZ1=Z

Z2=0Z1=u22/2g+Hf=0.52/(2×9.81)+1.2=1.21m第47页，共94页，2023年，2月20日，星期一1.A阀不开,求A处的表压强;2.阀开,求A处的流速,(阻力不计);3.A阀开,流量为零,压力计读数?解:1.PA=P+ρgH

P=ρHggR=13600×9.81×76/1000=10133Pa(真空度)

PA=-10133+1000×9.81×2=9487Pa(表压)

P

1m76mmHg

1mA第48页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.根据柏努力方程

Z1=1+1=2mZ2=0

P1=-10133PaP0=0u1=0hf=0

2×9.81-10133/1000=u22/2u2=4.35m/s3.u2=0

2×9.81–Px/1000=0Px=19620Pa

19620/101330×760=

147mmHg第49页，共94页，2023年，2月20日，星期一

第四节管内流体流动现象一.牛顿粘性定律1.粘性:流体在流动中产生阻碍流体流动的内摩擦力的性质,粘性是能量损失的原因。实验：

内摩擦力F剪应力：单位面积上的内摩擦力（τ）。τ=F/Adu/dy（du/dr）

—速度梯度速度沿法线上的变化率。

1—10粘度第50页，共94页，2023年，2月20日，星期一剪切力：单位面积上的内摩擦力.

μ：粘度系数——动力粘度——粘度。

粘度的物理意义：

当速度梯度为1时，单位面积上产生的内摩擦力的大小。

粘度的单位——牛顿粘性定律第51页，共94页，2023年，2月20日，星期一3.影响粘度的因素:温度:

液体—温度，粘度下降；气体—温度，粘度。为什么？压力：与压强的关系不大。

第52页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.

流体的动量传递

三.非牛顿性流体

——不符合牛顿粘性定律的流体为非牛顿性流体。如油等高粘度的流体。动量＝质量×速度＝mu单位体积流体的动量＝mu/V=ρu第53页，共94页，2023年，2月20日，星期一1-11流体流动类型与雷诺准数影响因素:管径、流速、粘度、密度一.实验1.层流(滞流)过渡流2.湍流(紊流)第54页，共94页，2023年，2月20日，星期一55二.雷诺值—Re

无因次数群—准数三.流动类型的判断

1.层流

Re≤20002.湍流

Re≥4000

四.流体流动的相似原理相似原理：当管径不同，雷诺数相同，流体边界形状相似，则流体流动状态也相同。第55页，共94页，2023年，2月20日，星期一为研究操作过程的能量损失,问:实验设备中空气流速应为多少?解:Re1=Re2例:操作条件:D1

，1atm，80℃，u1=2.5m/s,空气，

实验条件:D2=1/10D1

，1atm，20℃。第56页，共94页，2023年，2月20日，星期一

20℃:μ2=0.018Pa.s80℃:μ1=0.025Pa.s第57页，共94页，2023年，2月20日，星期一例题:内径25mm的水管,水流速为1m/s,水温20度,求:1.水的流动类型;

2.当水的流动类型为层流时的最大流速?解：1.20℃μ=0.001Pa.sρ=998.2kg/m3第58页，共94页，2023年，2月20日，星期一1—12流体在圆管内的速度分布

F1=πr2P1F2=πr2P2F=F1-F2=(P1-P2)

πr2=ΔPπr2τ=F/A——剪切力（剪应力强度）

F=τA=一.层流时的速度分布1.速度分布曲线Rr第59页，共94页，2023年，2月20日，星期一2.最大、最小速度

dqv=2πrdru

积分得：

r3.流量第60页，共94页，2023年，2月20日，星期一4.平均流速第61页，共94页，2023年，2月20日，星期一层流速度分布曲线

第62页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.

流体在圆管中湍流流动时的速度分布由于湍流流动状况比较复杂，所以其流速分布规律不能用牛顿粘性定律导出，只能有下面的经验公式粗略计算

ur=umax(1-r/R)1/n式中指数项n为雷诺数的函数，其值在6-10之间。雷诺数愈大则n值愈大。第63页，共94页，2023年，2月20日，星期一64第二节流体流动阻力流体流动阻力分为：直管阻力和局部阻力直管阻力又称为沿程阻力。局部阻力是流体通过局部障碍而引起的能量损失。第64页，共94页，2023年，2月20日，星期一651－14沿程阻力损失的计算和量纲分析方法范宁公式F=F1-F2=(P1-P2)

π(d2/4)=ΔPπ(d2/4

)F=τA=τ(πdl)通过上面两式就可以求出ldFwu第65页，共94页，2023年，2月20日，星期一66范宁公式适用于不可压缩流体的定常态流动，既可用于层流，也可用于湍流，计算阻力损失的关键是确定不同流动型态下的摩擦系数。第66页，共94页，2023年，2月20日，星期一67层流状态下的阻力损失计算：最后求出层流时第67页，共94页，2023年，2月20日，星期一68第68页，共94页，2023年，2月20日，星期一1—15湍流的摩擦阻力一.管壁粗糙度的影响

1.绝对粗糙度ε：管壁突出部分的平均高度。2.相对粗糙度：绝对粗糙度与管径的比值ε/d

。第69页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.量纲分析法量纲分析法的基础—量纲的一致性。即：每个物理方程式的两边不仅数值相等，且量纲也必需相等。

第70页，共94页，2023年，2月20日，星期一物理量：管径d、流速u、密度ρ、粘度μ、粗糙度ελ

=f（d、u、ρ、μ、ε）量纲分别为：

基本量纲：M、T、L

（三个基本量纲）[d]=L[l]=L[u]=LT-1[ε]=L[ρ]=ML-3[μ]=MT–1L–1

为了简化，先不考虑管壁粗糙度对于摩擦系数的影响。第71页，共94页，2023年，2月20日，星期一幂函数形式：λ

=Ada

ubρc

μe

M0L0T0=La

（LT-1）b（

ML–3）c

（

MT–1L–1

）e根据量纲一致性

M：c+e=0

L：a+b-3c–e=0T：-b-e=0﹒若e为已知数，则可求出：

b=-e,c=-e,a=-e带入上式：第72页，共94页，2023年，2月20日，星期一

1—16

管路的局部阻力一.局部阻力系数法将克服阻力消耗的能量表示成流体动能的倍数。

h‘f=ξu2/2或Δp=ξρu2/2局部阻力系数的值是由实验测定的，见表2-3.第73页，共94页，2023年，2月20日，星期一74第74页，共94页，2023年，2月20日，星期一二.当量长度法将流体通过管件或阀门的局部阻力损失折算成与其相当的直管长度的摩擦阻力损失来计算。这个长度就称为当量长度，以le来表示。第75页，共94页，2023年，2月20日，星期一76第76页，共94页，2023年，2月20日，星期一77例：一高位槽与内径为100mm的钢管相连，槽内为常温水，直管总长为30m,系统内有900弯头3个，闸阀（全开）和标准阀（全开）各一个，水从管口流出，问欲得到22.7m3/h的流量，槽内水面应比管口高多少米？（ε=0.2mm）。12h第77页，共94页，2023年，2月20日，星期一78解：以高位槽液面为1-1截面，管出口端外测2-2截面，以管出口中心线为基准水平面，

gz1+u12/2+p1/ρ=gz2+u22/2+p2/ρ+Σhf

z2=0;p1=p2=0(表压);d=0.1m;ρ=1000kg/m3;u1=0，动能u22/2

=0，管中水的流速u＝qV/A=0.803m/sRe=duρ/μ=0.1×0.803×1000／(1.0×10-3)=80300(湍流)ε／d=0.002,查图得λ=0.0256由容器管口,ζc=0.5,管子出口ζe=1.0;闸阀全开ζ=0.17;标准阀全开ζ=6.0;900弯头3个,ζ=3×0.75=2.25,Σζ=0.5+1.0+0.17+6+2.25=9.92ΣWf=(λl／d+Σζ)u2/2=(0.0256×30／0.1+9.92)×0.8032/2=5.67J/kg代入得Z=0.611m，高位槽水面应比管出口中心线高0.611m第78页，共94页，2023年，2月20日，星期一

第六节流量的测定1—17孔板流量计1.结构与原理结构：带圆孔的金属板；压差计。原理：当流体流经孔板小孔时，产生明显压差，流量越大，压差越大。

第79页，共94页，2023年，2月20日，星期一

12

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