化工原理化学工业课件1流体流动

第一章流体流动1.1概述1.2流体静力学1.3流体流动的基本概念1.4流体流动过程的物料衡算与机械能衡算1.5圆直管内流体层流时的流速分布与阻力计算1.6

圆直管内流体湍流的流速分布与阻力计算1.7

管路计算1.8流速及流量测定1.1

概述1)流体输送流体流动是在化工生产中的一个基本过程；在化工生产中常见的流体流动如下：——需要研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。——了解、控制生产过程，需对压强、流速、流量等一系列参数进行测定，而这些测定多以流体静止或流动规律为依据。2)压强、流速、流量的测量3)为强化设备提供适宜的条件——化工设备中传热、传质等多是在流动条件下进行，故流体流动对这些过程有重要影响。1.1.1流体及其特征定义：流体包括液体和气体。由大量的彼此之间具有间距的单个分子组成。分子作随机无规则运动，所以流体不是连续的介质。特征：具有流动性；无固定形状，随容器的形状而改变；在外力作用下内部发生相对运动；静止流体没有承受剪应力的能力，也不能承受张力，只能承受压力。1.1.2连续介质模型流体质点包含有大量流体分子。流体质点与分子自由程比充分地大，体现了宏观性质；同时液体质点对所考虑工程问题的尺度来说，又是充分地小，体现了“点”位置流体的性质，即微观性质。为了研究流体流动提出的一种假设，即流体是由无数流体质点连续组成。1.1.3流体力学和流体流动什么叫流体力学(fluidmechanics)?以流体作为研究对象，探讨流体处于平衡或运动状态时的力学规律及其与边界间的相互作用的学科。流体流动是“化工流体力学”的一部分，主要介绍流体静力学、流体在管道内流动的基本规律及流量(流速)测定等方面。1.2

流体静力学什么是流体静力学(fluidstatic)？研究流体在外力作用下处于静止或平衡状态下其内部质点间、流体与固体边壁间的作用规律。1.2.1流体静压强(Pressure)1.静压强的定义：静止流体中单位面积受到的内法向压力，用p表示。静压强的定义说明：①p=压力/面积=F/A，可引伸出：,

即压强具有点特性。

②静止流体中，同一水平面各点压强相等(后面有更加严密的阐述)。③静止流体中，作用于任一点上不同方位的压强数值相等，即任一点上的压强与方位无关

——Pascal定律。

2.压强常用单位：1atm(物理大气压)=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at(工程大气压)=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×104Pa=0.9807bar3.压强表达方式：1)绝对压强：以绝对真空为基准零点计量的压强。2)相对压强：以大气压强为基准量得的压强，表示为表压(pg，即gagepressure)和真空度(p真)。表压=绝对压强–大气压强真空度=大气压强–绝对压强绝对零压线大气压线绝对压强表压绝对压强真空度思考：表压和真空度是绝对不变的吗？大气压随海拔高度而变化，故绝对压强是唯一的，而表压和真空度是变化的。例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80×103

Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？兰州地区的平均大气压强为85.3×103

Pa，天津地区的平均大气压强为101.33×103

Pa。绝对零压兰州大气压绝压(要求不变)兰州真空度天津大气压天津真空度？1.2.2流体的密度和比容2.据流体密度是否随压强和温度的变化而变化，将流体分为恒密度流体和变密度流体。没有绝对的恒密度流体，一般液体随温度和压力的变化小，可视为恒密度流体；而气体随温度、压力的变化较大，可视为变密度流体。理想气体的密度：1.密度：单位体积流体所具有的质量，用

表示。单位：kg/m3但当过程的温度、压力变化不大时，也可将气体视为恒密度流体。3.比容：密度的倒数，即单位质量流体所具有的体积。单位：m3/kg1.2.3流体静力学基本方程1.流体流动中的作用力:1)质量力：作用于流体的每一个质点上，并与流体的质量成正比，对均质流体也与流体体积成正比。如：重力场中的重力、离心力场的离心力。2)表面力：作用于流体微元的表面，并与其表面积成正比。如垂直于微元表面的力—压力、平行于微元表面的力—剪力。2.流体静力学基本方程的推导ρ

设容器S中盛有密度为ρ的静止流体，红色代表底面积为A的柱形流体微元，对其作受力分析：重力：W=ρgA(Z1–Z2)压力P1，方向向下压力P2，方向向上由于液柱静止，故：P1+W–P2=0即：P1+ρgA(Z1–Z2)–P2=0P1/A+ρg(Z1–Z2)–P2/A=0令压强p1=P1/A；p2=P2/A则：p2=p1+ρg(Z1–Z2)

（流体静力学基本方程）说明：(1)上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。

但对于气体若压强变化不大，密度可近似取平均值而视为常数，则上式亦可使用。

(2)静止流体内部静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关。水越深压强越大，天空越高气压越低。

(3)等压面：静止、连通、恒密度流体内处于同一水平面上的各点压强处处相等。

(4)由p2=p1+ρg(Z1–Z2)，可得：p1+ρgZ1=p2+ρgZ2令：pmodify=p+ρgZ修正压强则：pm,1=pm,2即静止、连通、恒密度流体在重力场中，不同位置的流体质点间有一个参量是不变量，这个不变量就是修正压强。

例：如图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m、密度ρ2=1000kg/m3。(1)判断下列两关系是否成立，即：pA=pA’，pB=pB’。(2)计算水在玻璃管内的高度h。1.2.4流体静力学方程的应用1.压强与压强差的测定1)简单测压管：特点：适用于高于大气压的液体压强的测定，不适用于气体，当pA过大，R很大，就不方便；而pA过于接近pa，R读数很小，测量误差增大。pA=pa+gR2)U形压差管：指示液密度为

I

。指示液必须与被测液体不发生化学反应且不互溶，必须大于流体的密度ρ。一般对液体，指示液为Hg，对于气体，指示液为水。p1=p1’p1=pA+ρghp1’

=pa+

I

gRpA=pa+

I

gR-ρgh3)U形压差计：(p1-p2)与U形压差计读数R的关系式？设：压差计指示剂的密度为ρA；

流体B的密度为ρB。pa=pa’pa=p1+ρBg(m+R)pa’=p2+ρBg(m+Z)+ρAgRp1–p2=(ρA–ρB)gR+ρBgZ如被测管水平放置，Z=0，上式变为：