化工原理第一章流体流动复习

1思考题第一、二节思考题1.流体机械运动和固体机械运动有何差别？2.描述物质机械运动一般有几种方法？两者特征是什么？考察流体机械运动一般用哪种考察方法？3.连续性假定的要点是什么？为何要引入该假定？4.流体运动和固体机械运动时所受摩擦力有何差别？5.气体所受粘性力和液体所受粘性力在数量级上的关系如何？两者受外界条件的影响规律是否相同？6.流体静力学方程有几种表达形式？每种表达形式各反映了静止流体的何种规律?7.P是否一致？什么情况下两者数值上必然相等？8.工业上U型压强计一般用来测量什么流体的压强，U型压差计一般使用在何处？2第三节思考题1.为简化工程计算，工程上往往用某个物理量的平均值来代替该物理量在空间的分布。该平均值的平均方法是否任意的？该平均值是否能全面地替代其分布？2.为什么不可压缩流体在管内流动时，不会因为摩擦阻力而减速？3.定态流动时，连续性方程反映了流体在管内运动时的那些规律？4.伯努利方程的应用条件是什么？使用伯努利方程解决管流问题时，截面的选取应注意些什么？5.伯努利方程的物理意义是什么？在工程上它给我们揭示了一个什么规律？6.描述流体流动参数变化规律一般有几个基本关系？7.动量定理和机械能衡算式的关系如何？8.工业应用时，能量方程和动量方程哪个应用多些？为什么？3第四节思考题1.流体流动有几种型态，其判据是什么？2.两种流动型态的本质差别是什么？3.层流内层对什么有重要影响？4.什么叫边界层，边界层脱体产生的原因是什么，对流动的影响如何？第五节思考题1.影响阻力损失的外部条件有哪些？2.两种流型的直管阻力与设备结构参数和流动参数的关系如何？是否一致？3.局部阻力系数为何会出现负值？阀门阻力参数ξ与开度的关系如何？4.因次分析法的基本步骤是什么？其主要特点是什么？4第六节思考题1.在自流系统中，管路阻力损失的外观表现是什么？2.自流系统管路确定以后，流动的总阻力损失受什么限制？3.操作过程中，阻力的分配与流量、压强的关系如何？4.在分支管路或汇合管路中，为何局部阻力系数出现负值？第七节思考题1.毕托管与孔板流量计各测得的是什么流速？2.孔板流量计、转子流量计的阻力损失与流量的关系如何？3.孔板流量计、转子流量计测量流量各有什么特点？4.为何测量时，转子流量计要作温度、压力修正？5.各类测量仪的安装有何要求？5绪论一．化工生产过程原料—→反应（T，P，X）—→产品前处理核心后处理例如：合成氨生产N2+H2——→NH3条件：高温、高压、催化剂前、后处理过程——大多数都是物理过程化工生产过程——反应+各单元过程的组合（搭积木）化工原理——研究化工生产过程中各种单元操作的基本原理及规律，研究典型设备构造及工艺尺寸计算的一门工程技术学科。《化学工程》、《化工过程及设备》、《单元操作》6二．单元操作分类：操作目的、相态、传递过程操作目的：物料的输送、加压、减压物料的混合或分散物料加热或冷却非均相混合物的分离均相混合物的分离传递过程：动量传递（流体流动、搅拌、过滤、沉降、流态化）热量传递（传热、蒸发、干燥）质量传递（蒸馏、吸收、萃取、干燥）P．2表1化工常用单元操作传递过程是联系各单元操作的一条主线7三．课程性质及研究方法性质：专业技术基础课，工程技术学科。工程问题的复杂性：几何尺寸，物料研究方法：实验研究法（经验的方法）——直接用实验测取各变量间的关系建立实验的方法论：“由小见大”，“由此及彼”如：流体流动、传热数学模型法（半经验、半理论的方法）——对复杂问题进行合理简化，通过简化模型，建立方程，由实验求出一些修正系数。如：过滤研究工程问题方法论是联系各单元操作的另一条主线化工原理——以单元操作为内容，以传递过程和研究方法论为主线8四．课程需要解决的问题选择设计操作开发合理地选择单元操作设备设计正确优化操作开发新的单元操作上册：标准设备的选型下册：非标准设备的设计五．单位制及因次系统1．单位制单位——表示物理量的大小。基本单位、导出单位。单位制——基本单位和导出单位的总和物理量——数值+单位我国以往常用的单位制长度时间质量力c.g.scm(L)s(T)g(M)dynM.K.SmskgN工程制m(L)s(T)s2.kg(f)/mkg(f)(F)SI制mskgN英制92．因次系统因次——表示物理量的性质。基本因次、导出因次如：长度L1T0M0，速度L1T-1M0因次系统——基本因次和导出因次的总和。采用同一基本因次的为同一因次系统如c.g.s,M.K.S,SI属同一因次系统物理方程的因次一致性——物理方程中各项具有相同的因次如：[L]s=1/2gt2[L]10第一章流体流动第一节概述基础理论：流体的宏观规律；流动的内部结构一．连续性假定流体——液体和气体（特点：具流动性，无固定形状，其形状随容器而变化）流体——是由无数分子组成的（微观运动）考察对象：不是单个分子，而是流体质点（宏观——微团）流体——是由大量质点组成的、质点间无间隙、完全充满所占空间的连续介质，即，其物理性质和参数在空间连续分布（宏观机械运动）连续性假定——把流体可看成是连续介质，用连续函数来处理流体流动和平衡时的规律。（高度真空气体例外）即：a.流体质点连续，充满整个空间；b.参数连续。流体在运动时，各质点间可改变其相对位置，而固体运动时，整个固体一起运动，这就是流体流动与固体运动的区别。11二．流体流动的考察方法1．拉格朗日法选定一流体质点，跟踪其运动，考察流体质点随时间变化的规律。（系统）2．欧拉法在固定的空间点上，考察流体通过每一空间点时，运动参数随时间的变化规律。（控制体）如运动参数：u,p,ρ---ux=fx(x,y,z,t)uy=fy(x,y,z,t)uz=fz(x,y,z,t)通常，当流体内每个质点都遵守同一规律时，采用拉格朗日法多数情况下，考察流体运动都采用欧拉法对定态流动，采用欧拉法更为简单3．流线与轨线轨线——流体质点的运动轨迹拉格朗日法考察的结果流线——流线上各点的切线表示该点的速度方向采用欧拉法的考察结果轨线与流线是两个不同的概念，只有在定态流动时，流线和轨线才重合。12由流线定义，可得如下推论：流线互不相交；流线不能穿越流管。（图1-1）4．定态过程与非定态过程定态过程——过程参数仅随空间变化，而与时间无关定态流动——流体运动空间各点的状态不随时间变化，与时间无关。流动只与空间位置有关即：如：定态流动的数学特征：zyxfuzyxfuzyxfututututzzyyxxyyx,,,,,,0,0,00非定态流动——运动参数不仅随空间位置变化，还与时间有关。ux=fx(x,y,z,t)uy=fy(x,y,z,t)uz=fz(x,y,z,t)13第二节流体静力学2-1流体静压强及其特性一．流体静压强定义任意面上：p=ΔF/ΔAN/m2ΔF垂直于界面静止流体中，任意界面上，只受到大小相等，方向相反的压力。在任意点上：p=limΔF/ΔAΔA→0在静止流体的任意点上，都受到各个方向、数值相等的静压强（点性质）。数学描述：p=f(x,y,z)二．压强的单位：[N/m2]=[Pa]（帕斯卡）14atm（标准大气压），某流体柱高度，bar（巴），kg（f）/cm2(at)1bar=105PaMPa（兆帕）=106Pa1atm=1.033kg（f）/cm2(at)=760mmHg=10.33mH2o=1.0133×105Pa=1.0133bar1at=1kg（f）/cm2=735.6mmHg=10mH2o=9.81×104Pa三．压强的基准绝对压——以绝对零压为基准，是流体的真实压强表压、真空度——以当时当地的大气压为基准(表压=绝对压—大气压,真空度=大气压—表压)数值上：表压=-真空度（见图1-8）2-2流体静力学基本方程式一．力的分类力体积力（质量力）——正比于质量；场力，重力场g，离心力场表面力压力——垂直于截面；压强剪力（运动产生）——平行于截面；剪应力15二．流体静力学方程式推导取微元体，作力分析：（见图1-6）式）也称流体静力学方程公式（截面：，任意取—流体静力学方程式—）公式（不可压缩流体，积分得，重力场：流体静力学一般式即：方向：欧拉平衡方程方向：同理：简化得：）（方向所受的质量力）单位质量流体在—（方向：aaghpzzgppgzpgzpcgzpConstcdzgdpgdzdpgZYXZdzYdyXdxdpZdzYdyXdxdzzpdyypdxxpdzdydxZzpzYypyXxpXdxdydzdydzdxxppdxxppxXFxx4)4...(...........)(...214)4....(....................,,1:010...............010)(1:)3()2()1()3(01)2(01)1(010.)]2(2[011212221116中学：取一流体柱，受力分析：作用于上底面的压力：P1=p1A1作用于下底面的压力：P2=p2A2作用于整个液柱的重力：W=ρA（z1—z2）g平衡时：P2=P1+W,p2=p1+ρg（z1—z2）p2=p1+ρgh——流体静力学基本方程式讨论：1.适用条件：静止流体，重力场，不可压缩流体2.如上底面取在容器的液面上，其压力为p0下底面取在容器的任意面上，其压力为p则p=p0+ρgh当p1有变化时，p2也发生同样大小的变化。3．p还与ρh有关ρ↑p↑h↑p↑等压面——在静止的、连续的、同一流体内，处于同一水平面上各点的压强相等。流体静力学方程式揭示了静止流体内部压强分布规律。4．静力学方程式：gZ+p/ρ=Const单位：J/kg17gZ——单位质量流体所具有的位能，J/kgp/ρ——单位质量流体所具有的压强能单位：（N/m2）（m3/kg）=Nm/kg=J/kg位能、压强能都是势能流体静力学方程式表示：在静止流体中，总势能保持不变。但位能和压强能两者之间可以相互转化，两者之和为常数。5．用符号P/ρ——单位质量流体的总势能J/kg㎏定义：P/ρ=gZ+p/ρP=p+ρgZ——虚拟压强：具p的因次，N/m2,（J/m3）公式（1）则为：P/ρ=Const即：在静止流体中，总势能处处相等，只有同一高度，压强相等。6．式（1a）也可改写为：（p2-p1）/ρg=h单位：m（J/N）说明压强差可用流体柱的高度表示。必须注明何种液体，否则失去意义。应用流体静力学方程式计算时，高度、压强的基准可以任取，但方程两边必须统一。方程中每一项的单位必须统一。182-3流体静力学方程式的应用一．压强的测量1．简单测压管（图1-9）pA=pa+ρgR适用于：1)高于大气压的压强的测定2)只适用于液体，不适用于气体3)如pA过大，则R将很大；如pA过小，则R将很小，测量误差增大。2．U型测压管（图1-10）U型管中放有某种液体——指示液（与被测流体不发生化学反应，且不互溶）p1=pA+ρgh1p2=pa+ρigRpA–pa=ρigR—ρgh1如被测流体为气体，即ρ《ρi，则pA–pa=ρigR3．U型压差计（图1-11）p1=pA+ρgh1p2=pB+ρg（h2-R）+ρigR19(pA+ρgh1)–(pB+ρgh2）=Rg（ρi-ρ）(pA+ρgz1)–(pB+ρgz2)=Rg（ρi-ρ）即PA–PB=Rg（ρi-ρ）U型压差计测出的R是：ΔP如压差计水平放置：ΔP=ΔppzzgzzgzzgzzgpUiia)()()()(.467642420型压差计复式20第三节流体流动中的守恒原理质量守恒能量守恒（机械能）动量守恒应用流体流动的基本原理及其流动规律可解决：1.确定管径2.估算输送所需的能量3.选用合适的计量装置（压强，流速，流量的测量）4.强化传热、传质过程。管流为主3-1流体流动的作