-流体流动教案

流体流淌--教案1第一章 流体流淌〔Fluidflow)概述一、为什么要学习这章？1流体：气体和液体统称为流体。生产程序从一个设备输送到另一个设备。除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反响大都是在流淌下进展的。流体流淌的状态对这些单元操作有着很大影响。为了深入理解这些单元操作的原理，就必需把握流体流淌的根本原理。可以说流体流淌的根本原理是本课程的重要根底。二、流体流淌的性质实质：并非指其内局部子的运动〔静止流体的分子是运动的动来表达。流体内部很多质点运动的总和，就为流体流淌。质点及流体流淌连续性：指大量分子构成的集团，但其大小与管路线容器的尺寸相比仍微缺乏道。因此，可用统计平均方法来思考问题。这样可摆脱简单的分子运动从宏观的角度来争论流体的流淌规律。不行压缩流体：流体的体积〔密度〕假设不随压力及温度变化，……可压缩流体：流体的体积〔密度〕假设随压力及温度变化，……第一节 1—1 密度、比重、重度一、密度单位体积流体的质量，称为密度Kg/m3〔SI；ρ=m/vρ=f抱负气体的密度：1atm，ocm3/kmolPV=m/M·RT;ρ=m/v=PM/RT,ρ=ρ·TP/TPo o o〔同一气体在不同状态下的密度计算式〕Mm=My+My11 22MM：气体混合物各组分的分子量1 yy1

…气体混合物各组分的摩尔分率。④假设用ф表示混合气体的体积分率，则气体平均密度为：ρρφρφm 1 1 2 2液体混合物的平均密度假设混合前后体积变化不大或不变，则1Kg混合液的体积=各组分单独存在的体积之和，此时混合液的平均密度ρm1/ρ=a/ρ+a/ρ+…m 1 1 2 2a、a1

…——液体混合物中各组分的质量分率ρρ1

——液体混合物中各组分的密度，kg/m3比容υ,υ=1/ρ二、比重〔d〕物质的密度对水的密度之比。d=d/d物 水三、重度〔γ〕单位体积的重量，工程单位为Kgf/m3γ=ρg,ρKgfs2/m4为单位。1—2压力〔压强〕定义：流体垂直作于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强，习惯上称为压力。压力的单位：SI：N/M2，Pa，工程单位：Kgf/m2，常见的单位还有atm(标准大气压m,Bar,或Kgf/cm2等，相互关系为：1atm101300N/m2m2103330Kgf/m2=Kgf/cm2==760mmHgKgf/cm2称为工程大气压〔at〕压力的计量基准1〕确定压力和表压压力可以有不同的计量基准，如以确定真空〔零大气压〕确定压力〔absolutepressure；如以当地大气压为基准，则称为表压gaugepressure〕,相互关系为：=确定压力-大气压力〔压力表表压〕2〕真空度〔Vacuum〕真空度。即：真空度=大气压力-确定压力3〕确定压力、表压、和真空度的关系〔P9〕大气压测定压力大气压表压 真空度测定压力确定压力 确定压力大气压确定压力为零〔测定压力>大气压〕 〔测定压力<大气压〕220mmHg〔真空度〕cm〔表压760mmHg，试求它们确实定压力各为假设干〔以法定单位表示〕〔Pa〕解：P大气压力-真空度=760–220=540mmHg=*104Pa1P表压+大气压力=+=kgf/cm2=×105Pa21—3流体的静力平衡一、流体静压力定义：静止流体内部任一点的压力，称为流体静压力。特点：流体静压力的方向与作用面相垂直。从各方向作用于某一点上的流体静压力相等。同一水平面上各点的流体静压力都相等。流体静压力随位置凹凸而变。P11．根本方程式的推导如右图示，考虑一垂直流体柱，其底面积为A。,在底面 P+ dp以上高度为Z1

的水平面上，流体柱所受的压力为P，此 dzZ1 1处流体密度为ρ；在底面以上高度为Z2

的水平面上,流体 Z柱所受的压力为P。在垂直方向上流体柱所受的力。 P2分析：作用于此薄层上的力有三个： ρgAdz Z2〔1〕向上作用于薄层下底的总压力PA P2〔2〕向下作用于薄层上底的总压力〔P+dp〕A AρgA·dz0，故PA(Pdp)A-ρgAdz0dp+ρgdz=0不定积分P+ρgz=常数，ρP/ρ+gz=常数假设积分上、下限取高度等于Z、Z的两个平面，作用于这两平面上的压力分别为P与1 2 1P，则〔P-P〕/ρg=Z-Z，P=P+ρg(Z-Z)或 P/ρg+Z=P/ρg+Z2 1 2

1 2 2 1 1 2

1 1 2 2则P=P2 0

+ρgh P P0 1流体静力学根本方程式公式的物理意义

Z h=Z–Z1 1 2Z2则压力越大。压力PP2 1

而变，即液面上所受的压力能以同样大小传递到液体内部〔巴斯噶定理〕压力或压力差可以用肯定高度的流体柱表示。留意：公式应用范围：ρ肯定，流体只有一种且是不连续的。3．方程式中各项的意义：Z+P/ρg=Z+P/ρg1 1 2 2〔P：kgf/m2,ρ:kgf·s2/m4，g:m/s2，故P/ρg=m〕Z位压头〔PotentialdP/ρg：称静压Statichead，或单位重量流体静压Pressureenergy〔重量流体从基准面移到高度后，该流体具有的位能为 mgz，单位重量流体的位能，则为mgz/mg=z举例〔P12〕1—4流体静力学根本方程式的应用一、压力测量〔1〕U管压差计〔U—tubemanometer〕AB不互溶，PP

时，指示液在U管的两侧臂上便显示出高差1 2R。 P P1 2Bρ②a、b两点的静压力相等，P=P ZBρa b③依据方程式P=P+ρg(z+R) ca 1 BP=P+ρgz+ρgRb 2 B A B∵P=P

∴P+ρg(z+R)=P

+ρgz+ρ

gR Raa b 1 B 2 B Aa整理得 P1

P=〔ρ2

ρ〕gR bB对气体∵ρPPρgRB 1 2 A注：读数R所反映的是被测流体的表压力。 PP′P′2P′1

P A·ρ2 ABU管压差计所测压力差很小，则用此压差计P″P″12构造：A、C两种密度匀背有不同的指示液C推导：∵PPa bRP=P+P′+P″+ρgRPAρPaa 1 1 1 C A baP=PPPρgR PPPPb 2 2 2 A 1 2 1 2∴P+ρ1 C

gR=P+ρgR2 A即 P-P=〔ρ-ρ〕gR1 2 A C举例P12---P13第三节 管内流体流淌现象1－9粘度一、牛顿粘性定律流体沿固风光流过，中心速度最大，边上为零 层之间形成磨擦。试验证明：对于肯定的液体，上下两板的速度变化率Δu/Δy愈大，作用的剪应力τ也愈大，即：τ=μ·Δu/Δy〔1〕〔1〕 μ：粘度单位：(cgs)达因·秒/厘米=克/厘米·秒=泊〔P〕=100〔CP〕SI：kg/ms,Pa·S工程单位：kgf·S/m2τ：剪应力，Δu/Δy：速度梯度流体的粘度性质体粘度根本上不发生变化，一般来说，全体粘度亦可视为不随压力而变，只有压力P40atm时才考虑。牛顿型流体与非牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体〔气体及大局部液体。非牛顿型流体：稠厚或悬浮液，不符合牛顿粘性定律υ=μ/ρ 运动粘度cm2/s 斯〔s〕SI：m2/s1－10流淌型态流体内局部层流淌状况，只有在流速较小时才明显。影响流体流淌状况的因素：流速u，管径d，流体粘度μ及密度ρ2．雷诺准数Re=duρ/μ=[m(m/s)(kg/m3)]/(kg/m·s)=m°kg°s°流淌形态的推断〔1〕层流(滞流) Re<2023〔2〕湍流 Re>4000〔3〕过度流 2023<Re<4000雷诺准数所反映的是流体流淌中惯性力与粘性力的比照关系。解释：由于ρu kg/m3*m/s→kg/m2·s过单位截面积时质量流量msρu2=ρu·u=mu(表示：单位时间通过单位管截面积的动量。质量越大，动量越大，故此值可看成与单位截面积的惯性力成比例。)u/d反映流体内部速度梯度zM·u/d＆剪应力或粘性力而：ρu2/μ·〔u/d〕duρ/μRe=惯性力/粘性力则假设流体速度大，粘度小，Re愈大，则惯性力占主导。假设流体速度小或粘度大，Re小，表示粘性力占主导。可见：惯性力加剧湍动、粘性力抑制湍动。1－10〔P31〕1－11管内层