第1章化工原理

第1章流体流动与输送机械1.2流体静力学1.3流体流动的内部结构1.4流体动力学1.5流体流动阻力1.6管路计算1.7流速与流量的测量1.1流体基本性质1.8流体输送机械1.1流体基本性质流体—气体和液体1.1.1研究的必要性⑴流体输送----最常见单元操作;①管路配置②W的计算③F的测量④设备选择流体流动基本原理⑵其它单元操作的重要基础过程速率—流动状况放大效应1.1.2连续介质假定质点由大量分子构成的微团工程意义：利用连续函数的数学工具,宏观研究流体。足够小，远小于设备的尺寸；足够大，远大于分子自由程。可相对运动，流体任意形变。说明:将流体视为充满所占空间的、由无数彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。1.1.3流体的压缩性不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。1.1.4作用在流体上的力质量力如重力、离心力；表面力—作用于流体面压力—垂直剪力—平行—作用于每个质点，质量如液体；1.1.5质量力与密度1、定义：Vmkg/m3说明：),(pTf不可压缩流体—与p无关—液体可压缩性流体—与p相关—气体理想气体的密度标态下(1atm,0C)4.220M非标态(p,T时)RTpMVnMVm211212TTpp比容1mVvm3/kg1.1.6压力（与压强）1、压力的特性：①流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；②界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；③任意点不同方向上的压力在数值上均相同。2．压强换算：1标准大气压=1atm=1.013105Pa=101.3kPa=1.013bar=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg(1)单位换算SI单位制：N/m2或Pa；流体柱高度：ghp(2)基准换算——三种表示法①绝对压强②表压强=真实压强-绝对真空③真空度=绝对压强-当地大气压=当地大气压-绝对压强关系图图1-2P9工程测量绝压1atm压力表表压绝压1atm真空表真空度说明：表压和真空度是以大气压为基准，要指明大气压;1.2流体静力学1.2.1流体静力学基本方程微元受力分析力平衡方程0gdzdp常数gzp不定积分：z1z2,p1p2定积分：2211gzpgzp应用于重力场：变形为：2211gzpgzp压力形式能量形式——流体静力学基本方程说明：适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；液体——适用,气体——近似适用物理意义：kgJgzgz—单位质量流体的位能kgJpp/—单位质量流体的压强能在同一静止流体中，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。等压面——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；p或p可表示为某流体高度：要指明液体种类hgpp12压力具有传递性：液面上方的压力变化静止流体内不同截面位能与静压能之和相同。多种不互溶流体并存11ghppa212ghpp若不同，将流动，高低。【1-1】敞口容器内有不互溶的油和水:油层高度为h1＝700mm，1＝800kg/m3;水层高度为h2＝600mm，2＝1000kg/m3。判断pA与pB,pC与pD的关系;h=?hh1h2ABCD1.2.2静力学基本方程的应用1、压力和压差的测量p1p2mRAA’（1）U形压差计设指示液的密度为被测流体的密度为0)(1RmgppAgRgmppA02'AAppgRgmpRmgp021)(gRpp)(021说明:指示液与被测流体不互溶，不反应，大于流体密度；U形压差计也可测得流体的表压或真空度；p与U型管子的粗细无关；读数R与和0相关，和0越接近，误差越小；常用的指示液：Hg13600kg/m3，H2O1000kg/m3CCl41590kg/m3，煤油850kg/m3被测为气体0两式gRpp021管路水平时:gRpp)(021管路倾斜时:gzzgRpp)()(12021（2）双液体U管压差计适用于压差较小的场合密度接近,不互溶两种指示液)(21CARgppsin)('021gRpp（3）倾斜式压差计（4）倒U形压差计（5）复式压差计适用于压差较大的情况适用于压差较小的情况指示剂密度小于流体,如空气RgRgpp)(021【1-2】复式U形压差计12332z1z2如图，复式U形压差计,知液体ρ、指示剂ρ0，两读数差R1、R2。试求A、B两点压力差。gRRppBA)()(210gRppAAiBAiBAzzggRpp2、液位测量（1）近距离液位测量压差计读数反映容器内液面高度Rh0液面最高，h为零，R为零。液面越高，h越小，R越小；（2）远距离液位测量ABghppaAgRppaB0Rh0BApp3、液封高度的计算液封作用：gph表液封高度：确保设备安全；防止气柜内气体泄漏。1.3流体流动的内部结构1.3.1流体的黏性与黏度1.3.3雷诺实验与流型判别1.3.4流体在圆管内的流动1.3.5流体流动边界层1.3.2流体的流量与流速1.3.1流体的黏性与黏度1．对黏性的感性认识被搅动的液体最终停下颗粒沉降速度，液气流体有阻碍自身和它物运动的性质——黏性2．黏性的本质—动量传递和分子间的引力流过壁面:分子热运动→层间分子交换→层间动量交换→层间作用力→黏性—“内摩擦力”(黏性力、剪力)说明：①黏性—分子热运动的宏观表现流动中表现②还取决于分子间引力引力↑，黏性↑③剪力—动量传递速率3、牛顿黏性定律xyua最上层(ux=ua)最下层(ux=0)速度梯度dyduxyuxyxdd牛顿黏性定律:说明：②牛顿型流体←遵循牛顿黏性定律，非牛顿型流体←不遵循牛顿黏性定律;①剪应力∝法向速度梯度，比例系数—黏度；③理想流体=0，实际流体≠0。4、流体的黏度物理意义：与流动相垂直方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。单位换算：SI制—Pa·sc.g.s制—P(泊)=dyn·s/cm2sPa100.01P1cP3影响因素：液体，t↑,↓,P忽略气体，t↑,↑,P忽略比较：液体气体运动黏度：m2/s1.3.2流体的流量与流速1.流量单位时间内流经管路任意截面的流体量。体积流量qvm3/s,m3/h质量流量qmkg/s,kg/hVmqq平均流速AquVm/s2.流速单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。24dquV对圆形管质量流速kg/（m2·s）uAqAqGVmGAuAqqVm单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。说明：表达气体u时，T,P指明;u为管路截面上的平均流速;常用流体适宜流速范围：AAuuAd水及一般液体1～3m/s高粘度液体0.5～1m/s低压气体8～15m/s高压气体15～25m/s1.3.3雷诺实验与流型判别1.雷诺实验现象雷诺实验与层流速度分布2、雷诺实验结论层流（或滞流）湍流（或紊流）①两种流型流体质点沿轴平行运动质点无径向脉动质点之间互不混合流体质点还有径向脉动各质点的速度随时变化质点互相碰撞和混合②流型判别相关因素：u、d、、量纲分析：无因次数群udRe——雷诺数Re2000管内总层流——层流区2000Re4000管内可层流、可湍流——过渡区雷诺数（Reynoldsnumber）判别规律Re4000管内总湍流——湍流区说明：②Re是一个无量纲的准数；③计算Re时，各物理量要单位一致。三个流动区域，两种流动型态;物理意义反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系。Re越大，流体湍动越剧烈。1.3.4流体在圆管内的流动层流：沿流动方向规则一维流动，分层，不混杂；层流：e为湍流黏度,与流动状况有关2、剪应力湍流：沿流动方向运动外，随机脉动，互混、碰撞。湍流：dyud.dyude.)(u为不同半径处的点速度1、流体质点运动方式（基本特征）①层流时的速度分布2221)(rprppdrudrldrudAF..)2(rlpdrud2.推动力:摩擦力:联立整理:速度分布方程3、速度分布流动时管截面上质点的速度随半径的变化关系共性：u壁面＝0；壁面管中心u；u中心＝uMAXrlpdrud2.22max1Rruu2max4Rlpu联立整理:流量lpRqV84平均流速28RlpAquVMAXuu21②湍流时的速度分布速度分布方程平均流速MAXuu82.0n11Rruumax.经验式:101n1102.3Re71n1,102.3Re101.161n1,101.1Re10466554速度分布特点顶部宽，u扯平，均匀;壁面处，速度梯度大当n=7时,1.3.5流体流动边界层1、背景介绍（学派之争）水力学派水动力学派经验地处理工程问题理论地研究理想流体经验方程难于计算理论计算与实际不吻合边界层理论Prandtl,1904基本思想统一的流场不同的制约因素不同的流动特性不同的流体力学模型两个区域边界层、主流区2、边界层的形成与发展平板,来流速度贴壁层u=0---邻近层减速再邻近层减速速度分布流体层相继减速—离壁，受影响弱基本不受影响外流区—u受影响的区域边界层—来流流速的99%说明：流场=壁附近的边界层+远壁处的外流区边界层的发展—沿流动方向边界厚度层增加du/dy大,考虑du/dy0,0边界层—存在着较大速度梯度的流体层区域，流速降为主体流速的99％以内的区域;边界层厚度—边界层外缘与垂直壁面间的距离。粘性流体理想流体层流边界层→湍流边界层随x，，层内du/dy↓粘性力↓层内u惯性力层流→湍流层流边界层边界层的类型湍流边界层—在平板的前段，边界层内为层流。—一段距离后，边界层内转为湍流。3、圆管内流动的边界层说明：充分发展的边界层厚度为圆管的半径；进口段内有边界层内外之分；边界层也分为层流边界层与湍流边界层；进口段长度：湍流x0=(40~50)d。湍流边界层湍流主体：以湍流粘度为主;过渡层:分子粘度与湍流粘度相当层流内层（层流底层）：以分子粘度为主。说明：层流内层为传递过程的主要阻力；Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。4、边界层分离A→C：A，u，p；C→D：A，u，p；C点：速度降为0，S为驻点；CC’以下：边界层脱离固体壁面倒流,形成涡流,边界层分离边界层分离的必要条件产生大量旋涡；表皮阻力流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度。边界层分离的后果造成较大的能量损失。流体流动阻力（摩擦阻力）沿壁面流过的流动阻力；形体阻力因固体形状和压力分布不均,造成边界层分离的能量损失。5、小结流型层流湍流判据质点运动方式剪应力与动量通量管内速度分布平均速度边界层小结流型层流（滞流）湍流（紊流）质点运动方式平行于管轴的直线运动质点无径向混合和碰撞不规则杂乱运动质点彼此碰撞和混合判据Re≤2000Re≥4000剪应力与动量通量粘性应力；动量传递由分子运动造成，通量小粘性应力+湍流应力；动量传递由分子运动与质点脉动造成,通量大druddrude)(流型层流（滞流）湍流（紊流）管内速度分布n=7平均速度n=7边界层边界层厚度等于管半径边界层内均为层流流动边界层厚度等于管半径边界层包括:层流内层—过渡层—湍流主体21RruumaxnRruu1max1max21uumax8