化工原理 流体流动

2019/8/111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。2019/8/1122019/8/1132019/8/114②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，从宏观角度研究流体。2019/8/115③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。2019/8/116一、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2019/8/1172.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。2019/8/118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2019/8/119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2019/8/1110二、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。2019/8/1111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。2019/8/11122.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。2019/8/1113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/kg2019/8/1114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2019/8/1115液柱处于静止时，上述三力的合力为零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211压力形式能量形式——静力学基本方程式p0p2p1z1z2G2019/8/1116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。2019/8/1117（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。2019/8/1118四、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’2019/8/1119所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体，，有0gRpp021p1p2mRAA’2019/8/1120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。2019/8/11212.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2019/8/11223.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。2019/8/1123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Rgpp2019/8/1124（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。2019/8/11252.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AB2019/8/1126（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表压液封高度：2019/8/1127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2019/8/1128（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2019/8/11294Vqdu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2019/8/1130二、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2019/8/1131三、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2221111122——连续性方程式2019/8/1132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。