第一章-流体流动(化工原理王志魁版)

2019/11/251绪论•一化工过程与单元操作化工过程：物理加工过程基本单元操作：流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。2019/11/252单元操作按期理论基础分为已下3类：1、流体流动过程如流体输送、搅拌、沉降过滤等2、传热过程如热交换、蒸发3、传质过程如吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥、结晶、膜分离等•二、《化工原理》课程的性质和任务基础技术课程介绍流体流动、传热和传质的基本原理及主要单元操作的设备构造、操作原理、过程计算、设备选型及实验研究方法2019/11/253•三物理量的单位与量纲•国际单位制与法定计量单位•量纲长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度7个基本量的量纲•量纲一致性方程任何一个物理量方程，只要理论上合理，则该方程等号两边各项的量纲必定相等。2019/11/254•四、混合物含量的表示方法1、物质的量浓度与物质的量分数（摩尔浓度和摩尔分数）2、质量浓度（质量密度）与质量分数3、摩尔比与质量比五、据单元操作中常用的基本概念1、物料衡算2、能量衡算3、物系的平衡关系4、传递速率5、经济核算2019/11/255第一章流体流动①研究流体流动问题的重要性流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。2019/11/2562019/11/2572019/11/258②连续介质假定假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。2019/11/259③流体的可压缩性不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。2019/11/2510一、压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。1.压力的单位SI制：N/m2或Pa；标准大气压：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O第一节流体静力学2019/11/25112.压力的表示方法绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度以大气压为基准测得的压力。2019/11/2512表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力绝对压力绝对压力绝对真空表压真空度1p2p大气压2019/11/2513流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。3.静压力的特性2019/11/2514二、流体的密度与比体积（一）密度单位体积流体的质量。Vmkg/m31.单组分密度),(Tpf液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。2019/11/2515气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：RTpM注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度下之值，若条件不同，则需进行换算。2019/11/25162.混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变，则有nn2111m——气体混合物中各组分的体积分数。n21,或RTpMmmmM——混合气体的平均摩尔质量；nn2211myMyMyMMn21,yyy——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。2019/11/2517混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有nmn12121n12,——液体混合物中各组分的质量分数。（二）比体积单位质量流体的体积。1Vvmm3/kg2019/11/2518重力场中对液柱进行受力分析：ApP11（1）上端面所受总压力ApP22（2）下端面所受总压力（3）液柱的重力)(21zzgAG设流体不可压缩，.Constp0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下三、流体静力学基本方程式2019/11/2519液柱处于静止时，上述三力的合力为零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211——静力学基本方程式压力形式能量形式2019/11/2520讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：zg——单位质量流体所具有的位能，J/kg；p——单位质量流体所具有的静压能，J/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。2019/11/2521（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。2019/11/2522四、静力学基本方程的应用（一）压力测量1.U形管液柱压差计设指示液的密度为，被测流体的密度为。0A与A′面为等压面，即'AApp)(1ARmgppgRgmpp02A'而p1p2mRAA’2019/11/2523所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体，，则有0021Rgpp2019/11/2524讨论：①U形管压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；②指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。2019/11/25252.倒U形管压差计RgRgpp)(021指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂2019/11/25263.斜管压差计适用于压差较小的情况。sin'RR值越小，读数放大倍数越大。2019/11/2527密度接近但不互溶的两种指示液A和C；)(CA4.微差压差计扩大室内径与U管内径之比应大于10。)(CA21Rgpp2019/11/2528（二）液位测量1.近距离液位测量装置压差计读数R反映出容器内的液面高度。Rh0液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。2019/11/25292.远距离液位测量装置BApp管道中充满氮气，其密度较小，近似认为ghppaAgRpp0aBRh0而所以AB2019/11/2530（三）液封高度的计算液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。gph液封高度：2019/11/2531第二节管内流体流动的基本方程1.体积流量单位时间内流经管道任意截面的流体体积。qV——m3/s或m3/h2.质量流量单位时间内流经管道任意截面的流体质量。qm——kg/s或kg/h。Vmqq二者关系：（一）流量一、流量与流速2019/11/2532（二）流速2.质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。1.流速（平均流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。AquVkg/（m2·s）流量与流速的关系：m/smVqqwuAAmVqquAwA2019/11/25334Vqdu对于圆形管道：流量qV一般由生产任务决定。流速选择：3.管径的估算↑→d↓→设备费用↓u流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑均衡考虑uu适宜费用总费用设备费操作费2019/11/2534二、稳态流动与非稳态流动稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。),,(,,zyxfupT),,,(,,zyxfupT2019/11/2535三、连续性方程式对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：21mmqq222111AuAu推广至任意截面常数uAAuAuqm222111——连续性方程式11222019/11/2536常数uAAuAuqV2211不可压缩性流体，.Const圆形管道：2121221ddAAuu即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比。2019/11/2537四、伯努利方程式（一）伯努利方程式gdmdz在x方向上对微元段受力分析：pA（1）两端面所受压力分别为及Adpp)(（2）重力的分量zAgxAgmgdsindsind故合力为zAgpAzAgApppAddd)d(2019/11/2538动量变化率uAuuqddmzAgpAuAuddd0ddduupzg动量原理——伯努利方程式不可压缩性流体，.Const（1）Const.212puzg2019/11/2539（二）伯努利方程式的物理意义zg——单位质量流体所具有的位能，J/kg；p——单位质量流体所具有的静压能，J/kg；221u——单位质量流体所具有的动能，J/kg。各项意义：2019/11/254021Const.2pzugg将(1)式各项同除重力加速度g:（2）式中各项单位为mNJN/kgJ/kgz——位压头gu22——动压头gp——静压头总压头2019/11/2541式（1）为以单位质量流体为基准的机械能衡算式，式（2）为以重量流体为基准的机械能衡算式，表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三种能量形式可以相互转换。2019/11/2542gu221gu222gp1gp2Hz22102019/11/2543五、实际流体的机械能衡算式Wp2,u2,2p1,u1,12'21'10'0z2z1（一）实际流体机械能衡算式2019/11/2544（2）外加功（外加压头）1kg流体从流体输送机械所获得的能量为W(J/kg)。（1）能量损失（压头损失）设1kg流体损失的能量为Σhf（J/kg）。221211221122fppzguWzguh221211221122fppzuHzuHgggg（3）（4）或——伯努利方程式2019/11/2545WHgffhHg其中He——外加压头或有效压头，m;Σhf——压头损失，m。（二）伯努利方程的讨论（1）若流体处于静止，u=0，Σhf=0，W=0，则柏努利方程变为说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律。2211pgzpgz2019/11/2546W、Σhf——在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。（2）zg、、——某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能；p221u有效功率：emPqW轴功率：ePP2019/11/2547（3）伯努利方程式适用于不可压缩性流体。对于可压缩性流体，当时，仍可用该方程计算，但式中的密度ρ应以两截面的平均密度ρm代替。%20121ppp2019/11/2548（三）伯努利方程的应用管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：2019/11/2549（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围；（2）位能基准面的选取必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。2019/11/2550（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。（3）截面的选取与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。2019/11/2551（一）牛顿粘性定律yuAFdd或yuddFuu＋dudy式中：F——内摩擦力，N；τ——剪应力，Pa；——法向速度梯度，1/s；μ——比例系数，称为流体的粘度