化工原理第四版

流体流动第一章辽阳化纤厂一、流体流动(动量传递)气体和液体统称为流体二、可压缩性流体与不可压缩性流体可压缩性流体—气体不可压缩性流体—液体三、流体的特性1、流动性；2、没有固定形状，形状随容器而变；3、流体流动—外力作用的结果；4、连续性（除高度真空情况）。转子流量计阀门贮槽离心泵贮槽流体流动的典型流程计算内容：流速、流量、压强、管径、扬程、功率重点第一节流体静力学研究外力作用下的平衡规律一、流体的压力1.定义：流体垂直作用于单位面积上的力。N/M2Pa2.压力的单位(1)SI单位[N/m2][Pa]P=F/A3.换算：1atm=1.0133×105[N/m2]=101.3[kPa]=10330[kgf/m2]=10.33[mH20]=760[mmHg]1at=1[kgf/cm2]=10[mH20]=735.5[mmHg]=98.1[kPa](2)工程单位[kg/m2]—[at]—[mmHg]—[mmH20]—[mH20]4.压力的基准及表示形式以绝对真空为基准以当时当地压力为基准绝对压表压真空度绝压（余压）表压＝绝对压-大气压真空度＝大气压-绝对压绝对零压大气压实测压力实测压力例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。绝压=大气压-真空度=85300–80000=5300[Pa]真空度=大气压-绝对压=101330-5300=96030[Pa]二、流体的密度与比体积1.密度定义：单位体积流体所具有的质量。ρ=m/V[kg/m3]2、影响因素：温度和压力（1）液体—为不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。(2)气体—为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理3、混合物密度（1）气体ρ=MP/RTρ=ρ0T0P/TP0ρm=MmP/RTMm=y1M1+y2M2+…ymMm（2）液体混合物密度ρm1=ρ1w1+ρ2w2+…+ρnwn应用条件：混合物体积等于各组分单独存在时的体积之和。w—质量分率4、比体积单位质量的流体所具有的体积。v=V/m=1/ρ5、相对密度与重度(1)相对密度dd=ρ/ρ4℃水=ρ/1000(2)重度r=G/Vkgf/m3重度值=密度值(值相同但意义不同)三、流体静力学基本方程1.相对静止状态流体受力情况1PG2P1Z2Z上表面作用力：F1=P1A下表面作用力：F2=P2A重力：G=gA(Z1-Z2)2.静力学方程及巴斯葛定律1PG2P1Z2ZF1+G=F2P1A+gA(Z1-Z2)=P2AP2=P1+g(Z1-Z2)或P2=P0+g(Z1-Z2)=P0+ghF1=P1AF2=P2AG=gA(Z1-Z2)Z1g+ρP1=Z2g+ρP2Z1+ρgP1=Z2+ρgP23.讨论P2=P0+ghZ1+ρgP1=Z2+ρgP21.流体某一深处的压力与深度和密度有关。2.液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变且变化值相同（巴斯葛定律）。3.静止的、连续的同一流体内、同一水平面处各点压力相等。(等压面)4.压力或压差可用液柱高度表示。H=（P2-P0）/g记住5.可用不同液柱高度表示压力，换算关系为：H’=H/’6.静压头与位压头之和为常数。Z—表示把单位重量流体由基准面移至Z高度后具有的位能。P/ρg——静压头例:2P0P1Ph1hP0P1P2P1=?P2=?PA=PA’PB=PB’PC=PC’3.当细管水位下降到多高时,槽内水将放净?油水1H'AA2H'CC'BB1=800kg/m32=1000kg/m3H1=0.7mH2=0.6m例题:1.判断下面各式是否成立2.细管液面高度解:利用等压面原理求解1.PA=PA’PB=PB’3.2gh’=1gH1h’=0.56油水'AA'CC1H2H'BB2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p0h=H2+H1ρ1/ρ2h=1.16四、流体静力学基本方程的应用(一)压力测定1.U型管压差计H'R'AAP1P2A-A’为等压面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如测量气体0P1-P2=Rg’一臂通大气?2.倾斜液柱压差计R1=R/sinR=R1sinR1R3.微差压差计—放大读数P1P2abR特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-b）Rg例题：用普通U型管压差计测量气体管路上两点压差，指示液为水，读数R为1.2cm，为扩大读数改为微差计，一指示液密度为920kg/m3，另一指示液密度为850kg/m3，读数可放大多少倍？解：（水-气）gR=（1-2）gR’新读数为原读数的171/12＝14.3倍R’=Rρ水/(ρ1-ρ2)=(12×1000)/(920-850)=171mm例1-4：常温水在管道中流动，用双U型管测两点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计算两处压力差如图：'22R'''111baxP1=P1’P2=P2’Pa=P1’+水gxP1’=汞gR+P2Pb=水gx+水gR+P2’Pa-Pb=Rg(汞-水)=0.19.81(13600-1000)=1.24103Pa'R二.液位的测量例1-5：远距离测液位装置如下，U型管指示液为汞，高度差100mm,料液密度为1250kg/m3，求贮槽内料液深。ARhBPA=PBPA=gh+P0PB=HggR+P0h=136000.1/1250如接另一稍短X米的管子可测料液的密度?气体RRpp三.液封h=P/(H2Og)P=gRmg=gRA软布、重钟罩真空表气气水R已知：抽真空装置的真空表读数为80kPa，求气压管中水上升的高度。P0=P+gRP为装置内的绝对压RP0P=P0-真空度R=(P0-P)/gR=80000/1000×9.81=8.15m第二节：管内流体流动的基本方程式一.流量与流速(一)流量1.体积流量qv[m3/s]2.质量流量qm[kg/s](二)流速1.平均流速u=qv/A[m/s]2.质量流速W=qv/A=u[kg/m2.s]3.管径液体:0.5—3m/s气体：10—30m/s#管径应进行园整uqdv4例1-7:安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择合适的管道。解：选择管内水的经验流速u=1.8m/suVdS48.14/14.33600/30=0.077m=77mm查书中附录二十一(P381)(2)普通无缝钢管①外径=89mm壁厚=4mm即φ89×4的管子内径为d=81mm=0.081m实际流速为:s/m62.1)081.0(785.03600/30u2二.稳定流动与不稳定流动1.稳定流动—流体流动过程中，在任意截面，流体的参数不随时间改变。2.不稳定流动—流体流动过程中，在任意截面,流体的任一参数随时间而改变。AB三.连续性方程1’12’2qm1=qm2qm=qv=uAu1A11=u2A22=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变u1A1=u2A2u1/u2=(d2/d1)2例1-8:如下图的变径管路D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?12322112)(dduu2)1005.2(785.0004.0Auv1qsm/15.82)105.2(15.8sm/51.0例题:如下图的变径管路例题:123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?qv’=2qvu’=2uu1=2uu1’=16.3m/s=2.04m/s23113)(dduu四.理想流体的伯努利方程丹尼尔.伯努利(1700-1782)，生于科学世家。是瑞士物理学家,数学家,医学家。曾任医学、解剖学、植物学、物理学、哲学教授。（一）理想流体的伯努利方程推导依据：能量守恒（机械能）理想流体：无粘性流体，在流动过程中没有摩擦，没有能量损失。1Z2Z12稳定流动，单位时间，质量为m的流体由截面1——截面2位能：流体因处于地球重力场中而具有能量，其值等于把质量为m的流体由基准水平面升举到某高度Z所做的功。位能=力距离=mgZ单位质量流体的位能：mgZ/m=gZ[J/kg]##截面在基准面之上，位能值为正，在基准面之下其值为负。2.动能：流体因运动而具有的能量。动能=mu2/2单位流体的动能为：2/2122ummu[J/kg]3.静压能：将流体压入流体某截面对抗前方流体的压力所做的功。静压能=力距离当流体为理想流体时，两界面上的上述三种能量之和相等。即：各截面上的三种能量之和为常数——伯努利方程Z1g+ρP1=Z2g+ρP2+2u122u22+单位流体的静压能为[J/kg]=P/PAqvAm（二）关于伯努利方程的说明1.伯努利方程表示理想流体在管道内作稳定流动,无外加能量,在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能（称为机械能）之和为常数，称为总机械能，各种形式的机械能可互相转换。2.各项机械能的单位皆为J/kg。3.当（P1-P2）/P220%,密度用平均值,不稳定系统的瞬间亦可用。4.流体静止,此方程即为静力学方程;5.亦可用单位重量的流体为基准:Z1+ρgP1=Z2+ρgP2+2gu12+2gu22P2=P0+ghZ1g+ρP1=Z2g+ρP2Z1+ρgP1=Z2+ρgP26.亦可用单位体积的流体为基准:各项称为压头。表明我们可以用液柱的高度描述能量值Z1gρ+P1=+2ρu12Z2gρ+P2+2ρu22[J/m3](Pa)各项单位为J/N(m)：表示单位重量流体具有的机械能,相当于把单位重量流体升举的高度。五、实际流体的机械能衡算式（一）实际流体的机械能衡算式1、机械能损失（压头损失）Z1+ρgP1=Z2+ρgP2+2gu12+2gu22+∑Hf∑Hf-压头损失，m2、外加机械能Z1+ρgP1=Z2+ρgP2+2gu12+2gu22+∑Hf+HH-外加压头，m，扬程Z1g+ρP1=Z2g+ρP2+2u122u22++∑hf+WW-单位质量流体外加机械能，J/kg∑hf-单位质量流体机械能损失，J/kgZ2-Z1—升杨高度；压力差——压力降(*何时两者相等)（二）伯努利方程式的应用1.作图并确定能量衡算范围;2.确定基准面（水平面）3.截面的选取；(1)截面应与流体的流动方向垂直；(2)两截面之间的流体是连续的；所求未知量应在截面上或截面之间；12m5.1m164.压力基准应统一(表压或绝对压)；5.外加机械能W或H，注意其单位。6.大截面处的流速可取零。12m5.1m1612m5.1m16例题：如图，碱液(d=1.1)，塔内压力为0.3atm（表压）,管径603.5,送液量25T/h,能量损失为29.43J/kg,求外界输送的能量。Z1=1.5m,Z2=16mP1(表)=0P2=0.3atm=0.3101330pau1=0∑hf=29.43J/kgqv=qm/ρ=25000/3600/1100=0.0063m3/su2=qv/A=0.0063/(0.785×0.0532)=0.86m/sZ1g+ρP1=Z2g+ρP2+2u122u22++∑hf+WW=203J/kg例1-9:泵进口管φ89×3.5，流速1.5m/s，碱液出口管径φ76×3，压力20kPa(表)，能量损失40J/kg，密度1100kg/m3，求外加的能量。m712Z1=0Z2=7mP1=0P2=20000Pau1=0u2=u0(d0/d2)2=1.5×(82/71)2=2m/shf=40J/kg=Z2g+ρP22u22++∑hfW=129J/kg例1-10:管内