第一章流体流动1.

盐城师范学院---化工原理---Fluidflowisoneofcommonunitoperationsofchemicalengineering第一章流体流动（fluidflow）盐城师范学院---化工原理---盐城师范学院---化工原理---1.0概述流体:在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。气体和液体统称流体。流体有多种分类方法：（1）按状态分为气体、液体和超临界流体等；（2）按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体；（3）按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体（或实际流体）；（4）按流变特性可分为牛顿型和非牛倾型流体；盐城师范学院---化工原理---流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一流体的特征：具有流动性。即抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的形状而变化；流体具有连续性；在外力作用下其内部发生相对运动。盐城师范学院---化工原理---流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送的任务，实现生产的连续化。压强、流速和流量的测量：以便更好的掌握生产状况。为强化设备提供适宜的流动条件：除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。流体的研究意义盐城师范学院---化工原理---在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。流体微团或流体质点：它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数（如压力、温度），从而使我们可以观察这些参数的变化情况。连续性的假设流体介质是由连续的质点组成的；质点运动过程的连续性。流体的研究方法盐城师范学院---化工原理---1.1流体的物理性质①日常生活中流动现象：盐城师范学院---化工原理---煤气洗涤塔②工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池盐城师范学院---化工原理---化工过程中流体流动:(1)流体的输送(2)压强、流速和流量的测量(3)为强化设备提供适宜的流动条件着重讨论流体流动过程的基本原理及在管内的流动规律，并应用这些原理和规律去分析和解决流体的输送问题。重点盐城师范学院---化工原理---单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。以ρ表示，单位为kg/m3。当ΔV→0时，Δm/ΔV的极限值称为流体内部的某点密度。式中ρ---流体的密度，kg/m3；m---流体的质量，kg；V---流体的体积，m3。Vmlim1.1.1流体的密度(density)Vm1.1.1流体的密度盐城师范学院---化工原理---对一定的流体，其密度是压力和温度的函数，即),(Tpf液体的密度液体的密度几乎不随压强而变化，随温度略有改变，可视为不可压缩流体(incompressiblefluid)。纯液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取。混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以1kg混合液为基准），即nnwBBwAAwmxxx1式中ρi---液体混合物中各纯组分的密度，kg/m3；xw---液体混合物中各纯组分的质量分率盐城师范学院---化工原理---气体的密度气体是可压缩的流体，其密度随压强和温度而变化。气体的密度必须标明其状态。纯气体的密度一般可从手册中查取或计算得到。当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来换算：式中p──气体的绝对压强,Pa(或采用其它单位)M──气体的摩尔质量,kg/kmol；R──气体常数,其值为8.314J.K-1.mol-1；T──气体的绝对温度，K。RTMmnRTPVRTPMVm盐城师范学院---化工原理---气体混合物：若混合前后压力与温度变化不大时，nnBBAAmxxxx—摩尔分数在压力不太高，温度不太低时，也可用下式计算RTpMmmnnBBAAmyMyMyMM...盐城师范学院---化工原理---1.1.2流体的黏度(FluidViscosity)流体的典型特征是具有流动性。和流动性形成对立，在运动状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性（Viscosity）。流体不管在静止还是在流动状态下，都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示出来。随流体状态的不同，粘性的差别非常悬殊。想一想：把一桶水倒出来花费的时间，与倒出同一桶油的花费的时间相比，时间一样吗？为什么？盐城师范学院---化工原理---一、牛顿粘性定律(Netowlawofviscidity)由于粘性存在，流体在管内流动时，管截面不同半径处的速度并不相同，而是形成某种速度分布。管中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处速度为零。当流体在圆管内以较低的平均速度流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，各层以不同的速度向前运动。这种运动着的流体内部相邻两流体间产生相互作用力，称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时的内摩擦是流动阻力产生的依据。盐城师范学院---化工原理---对任意相邻两层流体，上层速度较大，下层速度较小，前者对后者起带动作用，而后者对前者起拖曳作用.下板固定，上板以恒定速度u沿x方向运动内摩擦流体的粘性平板间液体速度变化盐城师范学院---化工原理---一般速度分布示意图流体在管内流动，径向速度的变化如左图盐城师范学院---化工原理---实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比，与两层之间的垂直距离dy成反比，与两层间的接触面积S成正比.法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y方向流体速度的变化率，1/sdyduSF比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa·s内摩擦力，N盐城师范学院---化工原理---以上两式牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Padydu剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体包括所有气体和大多数液体剪应力与速度梯度的关系不符合牛顿粘性定律的流体如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等牛顿型流体非牛顿型流体盐城师范学院---化工原理---二、流体的粘度(FluidViscosity)粘度的物理意义:流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。粘度是反映流体粘性大小的物理量。粘度也是流体的物性之一，其值由实验测定。液体的粘度，随温度的升高降低，压力对其影响可忽略不计。气体的粘度，随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。盐城师范学院---化工原理---粘度的单位:Pa·s,(法定单位);泊（P），g·cm-1·s-1;厘泊（cP）;1Pa·s＝10P＝1000cP。在一些工程手册中，粘度的单位常常用物理单位制下的cP（厘泊）表示.1cP＝10-3Pa.s粘度的单位sPamsmPadydu盐城师范学院---化工原理---三、运动粘度粘度μ与密度ρ的之比。m2/s常压气体混合物的黏度可用经验公式估算：2121iiiiimMyMy常压混合气体的黏度；m分数；混合气体中组分的摩尔iy黏度；与混合气体同温组分的质量；混合气体中组分的摩尔M盐城师范学院---化工原理---液体混合物的黏度可用经验公式估算：iimxlglg液体混合物的黏度；m尔分数；液体混合物中组分的摩ix的黏度；与液体混合物同温组分四、理想流体(idealfluid)黏度为零的流体称为理想流体。理想流体的假设，为工程研究带来方便。意义盐城师范学院---化工原理---1.2流体静力学基本方程式(Basicequationofimmobilefluid)1.2.1静止流体的压力（pressure）垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上将压强称之为压力。在SI中，压强的单位是帕斯卡，以Pa表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807×104Pa盐城师范学院---化工原理---绝对压强（AbsolutePressure）以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强。表压强（GagePressure）压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即:表压强＝绝对压强－大气压强真空度（Vacuum）真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即:真空度＝大气压强－绝对压强盐城师范学院---化工原理---表压=绝对压强—大气压强（压力表度量)真空度=大气压强—绝对压强(真空表度量)AtmosphericPressureAbsolutePressureGagePressureVacuum(NegativeGage)PerfectVacuum盐城师范学院---化工原理---1.某设备的表压强为100kPa，则它的绝对压强为kPa；另一设备的真空度为300mmHg，则它的绝对压强为。（当地大气压为101.33kPa）。答案：201.33，460mmHg盐城师范学院---化工原理---流体在重力和压力作用下的平衡规律（静止流体内部压力的变化规律）描述这一规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程式（一）流体微元体受力的平衡作用于密度为ρ、边长分别为dx、dy、dz的微元立方体，z方向上的力有（向上为正）1.2.2流体静力学基本方程(Basicequationsoffluidstatics)1、微元体只受重力和压力作用；2、微元体处于静止态，各方向合力为零。假设盐城师范学院---化工原理---（1）作用于微元体上、下底面的表面力（压力）分别为与（2）作用整个微元体的重力为则z方向上力的平衡式为化简得：dxdydzzpp)(pdxdygdxdydz0)(gdxdydzdxdydzzpppdxdy0gzp盐城师范学院---化工原理---同理，在x，y轴上的表面力（无重力）分别为x轴：y轴：-----称为流体平衡微分方程式0xp0yp盐城师范学院---化工原理---（二）重力场中的平衡方程三式分别乘以dz、dx和dy并相加得整理得：gdzdzzpdyypdxxpgdzdp当流体不可压缩，积分上式，得到：常数gzp常数或gzp：上式表明:不可压缩流体处于静止状态时，其内部任何一处的静压能与势能之和为常数。盐城师范学院---化工原理---2211gzpgzp当流体不可压缩，在静止流体中任取2点,则有：表明:不可压缩流体处于静止状态时，其内部任意一处的静压能与势能之和等于任意另一处的静压能与势能之和。盐城师范学院---化工原理---1221)(：ppzzg或有上式表明:不可压缩流体处于静止状态时，其势能的减少必导致其静压能的等额增加。盐城师范学院---化工原理---若取液面及液下任一点，则有：)(00zzgpp方程意义：表明了重力场中静止流体内部压强的变化规律。1.压强与深度有关2.压强可传递注意事项：1.只能应用于静止的、连通的、同一种连续流体。2.当气体密度随温度、压强变化可忽略时，方程适用。盐城师范学院---化工原理---)(2112zzgppgzpgzp2211压力形式能量形式静力学基本方程(Basicequationofstatics)Discussion：（1）在静止的、连续的同种液体