流体流动及输送1

第一章流体流动和输送（fluidflowingandtransferring）1.1概述•液体和气体统称为流体(fluid)，液体具有流动性，无固定形状。•在化工生产中处理的原料和产品大多数都是流体。按照生产工艺的要求，常常要将流体物料依次送入各设备中进行化学或物理的变化。因此，在现代化工厂中，一般大量的流体需要输送管道纵横密布，流体流动及输送的设备到处可见。•而且，化工生产中的许多单元操作也都与流体的流动有关，很多过程进行的好坏，动力的消耗及设备的投资都与流体的流动有密切的关系•流体流动过程是化工生产中最基本、最重要的一个过程和单元操作。•通过研究流体流动过程的基本原理和规律，可以解决化工生产中下列问题：•流体的输送及所需的设备（流速、外界输入能量、管径、泵等）•流体流动参数的测量（压强、流量、流速等）•为强化设备和操作效率提供依据。流体对传热过程、传质过程及反应过程都有很大的影响。掌握这些规律对化工设备中发生的过程的理解非常重要。•本章重点讨论的是流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动。本章讲解内容：•基本概念――静止流体――实际流体流动(物料衡算和能量衡算)――管路计算――输送设备1.2基本概念一、理想流体和实际流体理想流体(theidealfluid)是指不具有粘度，流动时不产生摩擦的流体，理想液体具有不可压缩、受热不膨胀的流体（气体和液体）。•实际液体:(thenon-idealfluid)•可压缩性很小，如水及水溶液，实际液体多数性质比较接近理想液体，但实际液体在流动时有较大的摩擦阻力。•实际气体；在压力较低、温度较高时可近似看作理想气体。•理想气体的行为可用理想气体方程来描述PV＝nRT＝（G/M）RT（1－1）•实际气体的行为可用实际气体方程来描述（范得华方程、维里方程、RK方程、SRK方程等）。也就是说实际流体的行为要用流体的P－V－T关系来描述，但在一定条件下可看作理想流体来处理，可使过程在处理时计算简化。•(P+)(V－b)=RT•校正的项:体积校正项b（质点占据空间）压力校正项（分子间吸引力）2Va2Va二、流体的密度、比重、重度、比容•1、密度：（density）•单位体积物料所具有的质量。ρ＝单位kg/m3（1－2）•数据来源•纯物质的密度数据可在物理化学手册和化工设计手册中查到，密度是与温度、压强有关的物理量，在使用时要注意条件。•混合物•混合液体（1—2a）VmnwnBwBAwAmxxx1混合气体(1-2b)•m=(1-2c)其中2、比重：(specificgravity）比重是批物料密度与277K（4℃）时纯水的密度之比，用S表示，无因次物理量。工程制单位国际标准单位中不采用。（1-3）VnnVBBVAAmxxxRTpMmnnBBAAmyMyMyMM水tS4•注意工程中的比重与物理学中比重是不一样的物理学d=W/V，工程中比重相当相对密度。•用比重数据时要注意温度条件，通过比重可求密度：•例子（纯苯）3、重度（gravity）指单位体积物料所具有的重量。重度是工程单位制中的一个专用物理量。（1-4）它的单位是公斤（力）/米3，kgf/m388.0204S3/880mkg苯VW•重度是属于力的范畴，在工程单位制中力是作为基本度量单位，计算比较简化。•在工程单位制中质量是导出单位，重度与密度的换算关系如下：（1－5）•工程单位制中密度的单位为：公斤(力)·秒2/米44、比容(specificvolume)单位质量的物料所具有的体积，用表示（1-6）单位m3/kgg1VVMV三、流体流动中的作用力：1、体积力（volumeforce)体积力是指作用于流体的每一个质点上，并与流体的质量有关，也称为质量力，对于均质的流体也与流体的体积成正比。表达式：重力：G＝mg离心力在重力场中运动时为重力，在离心力场为离心力2、表面力(surfaceforce)•表面力作用于流体的任一表面上，表面力与表面积成正比。表面力有两种：mFA、压强（pressure）作用于流体中任一微小平面，并垂直于表面的力称为压力，流体表面所受的压力通常用压强来表示。一般都是指流体而言。•定义：流体中任一表面单位面积上所受到垂直该面的作用力称为静压强，简称压强，俗称为压力，压强是导出物理量，用p表示•单位：压强在工程上是一个很重要的物理量，在各种单位制中压强的单位是不同的，SI制Pa（N.M-2）MpaCGS制标准大气压（atm），mmHg，mH2O等工程单位制公斤(力)/厘米2简称公斤，8公斤蒸汽。还有一些其他的单位，如barFAFp目前生产实际所使用的仪表都是采用SI制，MPa压强各单位之间的换算关系如下：1atm(标准大气压)=101325Pa=101.3kPa=760mmHg=10.33mH2O=1.033公斤(力)/厘米2＝1公斤/厘米2•表示方法压强除用不同的单位表示外，还有不同的表示方法，常用的有两种，绝对压和表压。绝对压：指绝对零压（真空）作起点计算的压强表压：以当时当地的大气压作起点计算的压强，即测量仪表读出的压强。真空度：当被测流体的压强小于外界的大气压强时，低于外界大气压强的这部分数值。（表压）•绝对压强、表压、真空度三者之间的关系可用下图表示：•表压＝绝对压－大气压（1－7）•真空度＝大气压－绝对压（1－7a）•为了防止表压与绝对压的混淆，表压应标出，如2×103Pa（表压）（真空度）AB绝对零压大气压强•测量：测压仪表a.压力表b.真空表B、剪应力（shearstress)作用于流体中任一微小平面，并平行于表面的力称为剪力，流体表面所受的剪力通常用剪应力来表示。•定义：流体中任一表面单位面积上所受到剪力称为剪应力。（指流体）•计算：设有间距足够小的两平行平板，其间充满流体。固定板面积Fxyu上层以速度u作匀速运动，下层固定。两层板间的流体中各层流体的运动速度不同。单位面积的切向力（F/A)即为流体所受的剪应力。•对于大多数流体，剪应力大小服从牛顿粘性定律：τ=F/A=μdu/dy(1-8)剪应力与法线速度梯度成正比，与法向压力无关。符合牛顿粘性定律的液体称为牛顿型液体。速度梯度du/dy（1/s)：速度随空间位置的变化。它的实质是流体在剪应力作用下流体的变形速率。dydou+duu流体微元经过dt时间后发生的剪切变形，单位时间的变形率为：可见du/dy是一维流动中因剪切而造成的角变形率。运动着的粘性流体内部的剪切力也称为内摩擦力(internalfrictionforce)。•粘度（viscosity）•定义：流体流动时内摩擦力大小，体现了流体粘性的大小。衡量流体粘性大小的物理量我们称为粘度μ。它是流体的一种物性，不同的流体具有不同的粘度。dydudtddydudtd1－91－9a粘度的单位•粘度一般是通过实验测定的。我们可通过查有关手册和资料得到流体的粘度数据。在不同的资料和手册中，由于所用的单位不同，数值也不同。所以计算中，在使用到粘度数据时，要注意这一点，要换算成相应的单位。（书后附录）粘度的单位可用其因次式推得：]][[][][dyduSF在物理单位制（CGS制）中，CGS制中μ的物理意义:相距为1cm，接触面积为1cm2的流体,产生速度为1cm/s所需的力。(剪应力)•泊单位比较大，一般都是用厘泊cP（1/100泊）。现在粘度较多沿用厘泊这个单位)(.]/[][][][22P泊厘米秒达因厘米秒厘米厘米达因在SI制中:1泊=0.1Pa•s在工程单位制中:1kgf·s/m2=98.1泊][/][22spmsNmsmmNa]/[/][22mskgfmsmmkgf粘度是衡量流体粘性的一个物理量，而粘性的本质就是流体分子间的作用（引力，分子运动的碰撞），是流体分子微观运动的一种宏观表现。液体的粘度受压力影响很小，但随温度的升高而显著降低。气体的粘度随压强提高而增大，但一般情况下可忽略（10atm以下）。温度的升高而增加。因此，我们在用粘度数值时要注意温度条件。理想流体=0。液体的粘度远大于气体的粘度。有时为了计算上的方便，常用粘度与密度ρ的比值形式出现：称为运动粘度（kinematicviscosity),而粘度为区分起见，也称动力粘度（dynamicviscosity)1－10根据流体的粘性特征，对在园管内流动的流体的质点运动速度变化规律可作出定性的预示粘性液体理想液体•要特别注意的是，相邻两层流体是相互作用的，速度是连续变化的。不同速度的液体层在流动方向上具有不同的动量，层间分子的交换同时构成了动量的交换和传递。动量的传递方向与速度梯度方向相反，高速层向低速层传递，而液体剪应力的大小代表了此项动量传递的速率。四、液体流动的考察方法1、连续性假定•液体有气体和液体，由大量、有一定间隙的单个分子组成。各个分子做随机、杂乱的运动。以分子角度考察，液体是一种不连续的介质。问题非常复杂。•在工程中，更重要的是考察液体的宏观运动。因此考察的对象不是单个的分子，而是含有大量分子的所谓质点（微团），比设备的尺寸要小得多。这样就可假定液体是由大量质点，没有间隙的，完全充满所占空间的连续介质。液体的物理性质及运动参数在空间分布，可用数学方法描述，大多数情况下是适合的。（稀薄真空不成立）2、定态流动（steadyflow)•如果运动空间各点的状态不随时间发生变化，则该液体为定态流动。•从宏观上看：•流体在流动系统中，若一个截面上流体的性质（如ρ，μ等）和流动参数（w,p）等不随时间改变。ρ，μ等w，u，p等3、非定态流动（steadyflow)•如果运动空间各点的状态随时间发生变化，则该液体为非定态流动。•从宏观上看：•流体在流动系统中，若一个截面上流体的性质（如ρ，μ等）和流动参数（w,p）等随时间改变。ρ，μ等w，u，p等五、流量和流速1、流量（flux）A、体积流量（volumetricflowrate）流体流动过程中，单位时间内流过导管任一横截面的流体体积，常用qv表示，单位为m3/s。B、质量流量（massflowrate）流体单位时间内流过导管横截面的流体质量常用qm表示，单位为kg.s-1qm＝qv×ρ(1-12)qv，qm1、流速(flowvelocity)•流体在流动过程中，单位时间在导管中流过的距离，用u表示，单位为m/s。一般流体都是在园管中流动，有•u＝L/s=qv/A(1-12)(1-13)•常见液体的流速关系见p20表1-1。uqdv41.3流体的静力学基本方程（hydrostaticsequation）一、静压强在空间的分布1、静压强在静止的流体中每一质点都同样受到体积力和表面力的作用。作用于某一点的压强也称为静压强在不同方向上是相等的，对于某一点的压强只要说明它的数值即可。不同空间各点的静压强是不同的，随位置变化：p=f(x,y,z)(1-14)液体微元的受力平衡（重力和压力）设从静止的液体中任取一立方流体微元，其中心A的坐标为（x,y,z)边长分别为xyz作用于该微元上力A、表面力设六面体中心点A的静压强为p，沿z方向作用于a‘b’ab面上的压力为：cdc'd'xzyc'aa'bb'cd'dxdyzpp)(pdxdyxdzzpppdxdydz对于其他表面，同样可以写出相应的表达式。形式如何？B、体积力：设作用于微元的体积力在z轴方向上的为，则微元所受的体积力在z方向的分量为—dxdydz，（为液体的密度）。由于该液体处于静止状态，外力之和必然等于零。•对于z方向，可写成：－—gdxdydz＝0各项均除以微元体的体积dxdydz，得：)(pdxdydzdxdydzzpp)(0gdxdydzdxdydzzp0gzp0xp（1－15a）1-150ypX方向Y方向上面式子分别乖dx,dy,dz，再将上式相加•由于液体是静止的，液体内的压强与时间无关，只