第一章流體流動(dòng)01

1、1.1 1.1 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)第一章第一章 流體流動(dòng)流體流動(dòng)1回顧：回顧：3、物理量的單位和換算1、化學(xué)工程的進(jìn)展 各種生產(chǎn)工藝單元操作三傳一反-傳遞現(xiàn)象2、單元操作和三傳 動(dòng)量傳遞：流體輸送、沉降、過濾等。 熱量傳遞：加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。 質(zhì)量傳遞：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等換算因子2GGG入出累積4、物料衡算和能量衡算總的物料守恒組分物料守恒元素物料守恒QQQ入出損失在設(shè)備的各個(gè)不同位置上，物料的流速、濃度、溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)可各自不同但在同一位置上，這些參數(shù)都不隨時(shí)間而變。5、穩(wěn)態(tài)過程0AG 6、非穩(wěn)態(tài)過程0AG 3衡算解題過程的步驟為：衡算解題過程的步驟為： 畫一

2、畫一簡圖簡圖表示進(jìn)行的過程，可用方塊圖表示，表示進(jìn)行的過程，可用方塊圖表示，用箭頭表示物流的進(jìn)出方向，用箭頭表示物流的進(jìn)出方向，注明物流的參數(shù)注明物流的參數(shù)，如流量、溫度、壓力等。如流量、溫度、壓力等。 確定衡算范圍確定衡算范圍，用虛線劃出，使其邊界與待，用虛線劃出，使其邊界與待計(jì)算的物流相交，這樣使列出的衡算式中包含所計(jì)算的物流相交，這樣使列出的衡算式中包含所需求的計(jì)算量。需求的計(jì)算量。 確定衡算基準(zhǔn)確定衡算基準(zhǔn)，它是衡算式所確定已知量數(shù)，它是衡算式所確定已知量數(shù)值的依據(jù)，解出的待求量也應(yīng)符合此基準(zhǔn)。值的依據(jù)，解出的待求量也應(yīng)符合此基準(zhǔn)。 列出衡算式列出衡算式求解。求解。注意：41.1 流體

3、的物理性質(zhì)5678問題：1、如何確定管道內(nèi)流體的流速和壓力？2、如何確定管道的直徑和壁厚？3、為了使流體達(dá)到工藝要求需要使用怎樣的泵？ 提供多少動(dòng)力？9本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容3、流體的流動(dòng)現(xiàn)象1、流體靜力學(xué)基本方程式2、流體流動(dòng)的基本方程4、流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力5、管路計(jì)算方法6、流量的測量10 流動(dòng)性：流體的抗剪力和抗張力很小，在外力作用下，流體內(nèi)部會(huì)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，使流體變形，這種連續(xù)不斷的變形就形成流動(dòng)，即流體具有流動(dòng)性。1.0.1 流體的特點(diǎn)：剪切力A、流體的流動(dòng)性：1.0 概論：11C、連續(xù)介質(zhì)模型 把流體視為由無數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒

4、有間隙。 這就是連續(xù)介質(zhì)模型12流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）： 宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒有維度的點(diǎn)；同時(shí)微觀上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)。13流體輸送：確定適宜的 u , d參數(shù)測量：壓強(qiáng)、流速、流量等強(qiáng)化過程：提供適宜的流動(dòng)條件研究流體流動(dòng)規(guī)律的重要性本章主要討論: 流體流動(dòng)過程的基本原理及流動(dòng)規(guī)律，并用之分析和計(jì)算流體的輸送問題。141.1.1流體的密度注意：各種單位制下，密度的單位和數(shù)值不同，注意一般都要換算成操作條件下的單位和數(shù)值。用表示，3mkg (1 1)mV0 (1 1 )limVmaV流體點(diǎn)密度影響因素：氣體-種類、壓

5、力、溫度、組成濃度 液體-種類、溫度、組成濃度獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊 （2）公式計(jì)算：單位體積的流體所具有的質(zhì)量15 液體的密度基本上不隨壓強(qiáng)變化（極高壓強(qiáng)除外），但隨溫度略有改變。 對于氣體來說，是可壓縮的的流體，其密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。一般當(dāng)壓強(qiáng)不太高，溫度不太低時(shí)，可按理想氣體來處理。 tf不可壓縮性流體ptf,可壓縮性流體161.1.2理想氣體密度的計(jì)算：00000VmVmVVT pTp000.(1 2)T pTp022.4M理想氣體在標(biāo)況下的密度為：操作條件（T, P）下的密度： 1）2）mpVnRTRTM.2. (1).mpMaVRT1700000T(1 2 )22.4.pM

6、T pbTpTp將指定條件設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的1mol氣體：022.4M式中：M氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol； R氣體常數(shù)，8.315103J/(kmolK) Vmol=22.4 m33）181.1.3混合物的密度：1(1 3)wAwBwnmABnxxx 液體混合物濃度是以質(zhì)量分率表示，如果使用其他的形式表示濃度，需要對其進(jìn)行單位換算。 體積假設(shè)不變，如果混合后液體的體積發(fā)生改變，需要校正。取1kg液體，令液體混合物中各組分的質(zhì)量分率分別為:,wAwBwnxxx、 、iwimxm總其中假設(shè)混合后總體積不變，可得到：12wAwBwnnmmmmmV總總液體混合物密度計(jì)算式 1）液體混合物的密度m1

7、92）氣體混合物的密度：(1 4)mAVABVBnVnxxx取1m3 的氣體為基準(zhǔn),令各組分的體積分率:xvA,xvB,xVn, 其中:iViVxV總i =1, 2, ., n混合物中各組分的質(zhì)量為：12,.,VAVBnVnVVV若混合前后,氣體的質(zhì)量不變， 1 122.nnmmVVVV總總當(dāng)V總=1m3時(shí), 204）與密度相關(guān)的幾個(gè)物理量 1）比容：單位質(zhì)量的流體所具有的體積，用表示，單位為m3/kg。 2）比重(相對密度)：某物質(zhì)的密度與4下的水的密度的比值，用 d 表示。1,4水Cd34/1000mkgC 水在數(shù)值上:3）理想氣體混合物:M1 5mmmAABBnnPMM yM yM yR

8、T 其中 （）Mi氣體混合物中各組分的分子量 yi氣體混合物中各組分的摩爾分率211.1.4流體的黏度 流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，任意相鄰兩層流體之間存在抵抗相對運(yùn)動(dòng)的力，流體所具有的這種減弱兩層流體相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)稱為流體的粘性。 粘性是流體的固有屬性之一，不論流體處于靜止還是流動(dòng)，都具有粘性。思考： 流體的粘性和流動(dòng)性的是由什么引起的？1) 粘性牛頓粘性定律22 對于一定的流體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差u及接觸面積s成正比，與兩層之間的垂直距離y成反比，2） 牛頓粘性定律導(dǎo)出23uFSyuFSy.Fu(1 6)S.y引入修正相黏度系數(shù)，其值隨流體不同而不同其中單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力，或剪

9、切力，以表示，上式變?yōu)?4.du(1 6 )dya當(dāng)u與y不成直線關(guān)系時(shí)，而是如圖的曲線關(guān)系則應(yīng)當(dāng)寫成du/dy：速度梯度，即在與流動(dòng)方向相垂直的 y方向上流體速度的變化率：黏滯系數(shù)或動(dòng)力黏度，簡稱黏度流體的黏性越大，其值越大25dydudydux sPamsNmsmmNdydu22cPP1001 cPPsPa1000101 P(泊)- 達(dá)因.秒/厘米2 cP(厘泊)物理意義：2).流體的黏度：單位：263) 運(yùn)動(dòng)粘度 物理單位制中運(yùn)動(dòng)黏度的單位是cm2/s稱為斯托克斯，簡稱沲以St表示：1St=100cSt（厘沲）=10-4m2/s4) 理想流體 黏度為零的流體稱為理想流體，真實(shí)的流體都會(huì)表

10、現(xiàn)出黏性。 GLT ,影響因素： 主要有體系、溫度、濃度 獲取方法：屬物性之一，由實(shí)驗(yàn)測定、查有關(guān)手冊或資料、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。27 /dududx ddx dydydydyd1.1.5 非牛頓型流體簡介0/dx dydx dyd其中表示剪切程度的大小，即為剪切速率，以 表示，牛頓黏性定律改寫為 該方程的圖像為過原點(diǎn)的直線280290PAA當(dāng)時(shí)，的極限值為該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)1.2 流體靜力學(xué)基本方程式1.2.1靜止流體的壓力 PpA 流體的單位表面積上所受的壓力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡稱壓強(qiáng)，習(xí)慣上稱之為靜壓力，用符號(hào)p表示。30 L C C P2 P3 P1 A P3 B AB P2 P1 特點(diǎn)： 靜

11、壓強(qiáng)各向同性CAPBCPABP321LCAPLBCPLABP32131（1）壓強(qiáng)單位SI制中， N/m2 =Pa，稱為帕斯卡常用單位有：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（ atm ）、工程大氣壓（kgf/cm2）、英制壓強(qiáng)（bar）；流體柱高度（mH2O，mmHg等） 25211.033/760 10.331.01331.0133 10atmkgfcmmmHgmH ObarPa24211/735.6 100.98079.807 10kgfcmmmHgmH ObarPa工程大氣壓32（2）壓力大小的兩種表征方法 1）絕對壓強(qiáng)（絕壓）： 流體體系的真實(shí)壓強(qiáng)稱為絕對壓強(qiáng)。 2）表壓強(qiáng)（表壓）：壓力表上讀取的壓強(qiáng)值稱為表壓

12、。 3）真空度：真空表的讀數(shù)以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)33表壓強(qiáng)=絕對壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng) 注意： 1、當(dāng)用表壓或真空度來表示壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)分別注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。 2、可以使用負(fù)表壓表示真空度： 4103Pa（真空度） 4103Pa （表壓）。 34若已知某地的大氣壓力為若已知某地的大氣壓力為750 mmHg750 mmHg，而設(shè)備，而設(shè)備A A內(nèi)壓力為內(nèi)壓力為1000 1000 mmHgmmHg，則，則P PA A表表= = _ mmHg mmHg 。若設(shè)備若設(shè)備B B的真空度為的真空度為300 mmHg300 mmHg，則，則P PB B（絕

13、）（絕）= = _mmHgmmHg。PA,絕pA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕35在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為80103Pa。在天津操作時(shí)，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強(qiáng)，真 空 表 的 讀 數(shù) 應(yīng) 為 若 干 ? 蘭 州 地 區(qū) 的 平 均 大 氣 壓 強(qiáng) 為85.3103Pa，天津地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為l01. 3 103Pa。 例：1-1在天津操作時(shí)，要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強(qiáng)，由于大氣壓強(qiáng)與蘭州的不同，則塔頂?shù)恼婵斩纫膊幌嗤?，其值為?真空度大氣壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng) 101330530096030Pa解： 根據(jù)蘭州地區(qū)的大氣壓強(qiáng)條件，可求得操作時(shí)塔頂?shù)慕^對壓強(qiáng)為：絕對壓強(qiáng)大氣壓

14、強(qiáng)一真空度； 85300800005300Pa36全微分的概念全微分的概念, , ,pf x y zp x y z 或 設(shè)p是自變量x,y,z的函數(shù)，則p可表示為那么函數(shù)p的全微分可以表示為：pppdpdxdydzxyz假設(shè)：p作為壓力，x,y,z作為空間的三維方向，則：方程A表示，壓力p的全微分為p在三個(gè)方向上的偏微分之和。1.2.2流體靜力學(xué)基本方程式A37對z方向做受力分析，立方體受到()ppdz dxdyz上表面壓力pdxdy下表面壓力gdxdydz重力.0pgz整理得到()ppdz dxdygdxdydzpdxdyz38對x方向做受力分析，立方體受到()ppdx dxdyx右表面壓力

15、pdxdy左表面壓力.0px整理得到()ppdx dxdypdxdyx.0py同樣得到對y方向做受力分析39pppdpdxdydzxyz00dpdxdygdzgdz dpgdz 壓力p的全微分dp就可以表示為：對連續(xù)、均質(zhì)且不可壓縮流體，為常數(shù)pgz 常數(shù)方程兩側(cè)進(jìn)行積分：1()pgzC常數(shù)靜壓能位能廣義壓力兩側(cè)同除密度40 23pN mN mJkgkg mkg 在該點(diǎn)處，1kg流體所具有的能量能量守恒定律在靜止流體理論中的體現(xiàn)：總勢能守恒（靜壓能，位能）在靜止液體中取任意兩點(diǎn)，1，2，根據(jù)上式可以得到： 1 2 Z1 Z2A） 方程的分析1()pgzC常數(shù)411212(1).ppgzgz0.

16、 (. 3)ppgh2112.).(2ppgzz整理：如1點(diǎn)在液體上表面處， 則2點(diǎn)的壓強(qiáng)可以表示為式（1）表明：靜止流體內(nèi)部靜壓能和位能可以相互轉(zhuǎn)化。式（2）表明：靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小關(guān)系。式（3）表明：靜止流體內(nèi)部任一點(diǎn)處的壓強(qiáng)。式（1）（3）為流體靜力學(xué)基本方程 1 2 Z1 Z2 2 Z2 1 Z1 h 42 1）適用場合： 絕對靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮 2）總勢能守恒： 在同一種靜止流體中不同高度的流體微元，其靜壓能和位能各不相同，但總和保持定值 3）等壓面的概念： 在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等。等壓面為水平面 43gp-ph04）傳遞定律： 當(dāng)外界壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各處的壓力都發(fā)生同樣大小的變化。（巴斯噶定理）5）液柱高度可以表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差：44 例例1 122 本題附圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層本題附圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度高度h1=0.7mh1=0.7m、密度、密度1=800kg1=800kgm3m3，水層高度，水層高度h2=0.6mh2=0.6m、密度、密度=1000kg=1000kgm3m3。 (1)(1)判斷下列兩關(guān)系是否成立，即判斷下