化工原理課件：第一章 流體流動1

1、1 第一章 流體流動 通過本章的學習，應(yīng)掌握流體在管內(nèi)流動過程的基本原理和規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律分析和計算流體流動過程中的有關(guān)問題。學習目的與要求2第一章 流體流動 揭示和研究流體流動的基本規(guī)律(柏努利方程和連續(xù)性方程)任務(wù): 揭示和研究流體靜態(tài)平衡規(guī)律(靜力學基本方程式) 理論應(yīng)用：管道設(shè)計與計算、阻力計算、壓強和流量測定等 研究流體阻力及產(chǎn)生原因3幾個問題：1.多種尺寸的管路如何選？42.火車站臺設(shè)置安全距離的原因是什么？53.高爾夫球表面為什么要做成渦紋狀？ 鯊魚皮泳裝為什么可提高游泳速度？64.戰(zhàn)斗機的這根“針”是用來格斗的嗎？75.2010年的沙塵暴為什么能刮到湖北、浙江、廣東？

2、8 第一章 流體流動1.1 流體的物理性質(zhì)1.2 流體靜力學基本方程式1.3 流體流動的基本方程1.4 流體流動現(xiàn)象1.5 流體在管內(nèi)的流動阻力91.1.1 流體的可壓縮性與不可壓縮流體1.1.2 流體的密度1.1.3 流體的粘度1.1.4 非牛頓型流體簡介1.1 流體的物理性質(zhì)101.1.1 流體的可壓縮性與不可壓縮流體流體：具有流動性質(zhì)的物體，常指氣、液。 固體在一定條件下也具流體性質(zhì)(流態(tài)化)。萬物皆流，萬物皆變11一、流體的可壓縮性 或（1-4）（1-5） 流體的可壓縮性通常用體積壓縮系數(shù)來表示。其意義為在一定溫度下，外力每增加一個單位時，流體體積的相對縮小量體積壓縮系數(shù)12二、不可壓

3、縮流體 值越大，流體越容易被壓縮?？蓧嚎s流體0 的流體為可壓縮流體不可壓縮流體=0 的流體為不可壓縮流體氣體在一般情況下是可壓縮流體大多數(shù)液體可視為不可壓縮流體。13 需要指出，實際流體都是可壓縮的，不可壓縮流體乃是為便于處理密度變化較小的某些流體所作的假設(shè)而已。 二、不可壓縮流體 14連續(xù)介質(zhì)假定假定流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點所組成，表征流體物理性質(zhì)和運動參數(shù)的物理量在空間和時間上是連續(xù)的分布函數(shù)。連續(xù)介質(zhì)假定15流體空間某點上單位體積流體的質(zhì)量流體的密度是位置(x,y,z)和時間的函數(shù)密度1.1.2 流體的密度16流體的密度純物質(zhì)的密度：液體：基本不隨壓力變化（極高壓力除外），隨溫度略有變

4、化。氣體：密度隨溫度、壓力改變。低壓下可按照理想氣體狀態(tài)方程計算17氣體混合物，混合前后質(zhì)量不變液體混合物，混合前后體積不變組分的質(zhì)量分數(shù)組分的體積分數(shù)混合物的密度：流體的密度18例 求干空氣在常壓 ( p101.3kPa)、20下的密度。解 直接由附錄查得20下空氣的密度為 1.205kgm3；由手冊查得空氣的千摩爾質(zhì)量 M 28.95kgkmol，則 19若把空氣看作是由21氧和79氮組成的混合氣體時，計算：用下標1表示氧氣，下標2表示氮氣，則干空氣的平均千摩爾質(zhì)量Mm：MmM1y1+M2y2320.21+280.7928.84kgkmol則 若查得101.3kPa、0下空氣的密度為1.2

5、93kgm3，可以換算為20下之值。20 例 由A和B組成的某理想混合液，其中A的質(zhì)量分數(shù)為0.40。已知常壓、20下A和B的密度分別為879和1106kgm3。試求該條件下混合液的密度。 解 : 混合液為理想溶液，所以：21一、牛頓黏性定律 流體在運動時，相鄰流體層之間是有相互作用的，這種相互抵抗的作用力稱為剪切力，流體所具有的這種抵抗兩層流體相對運動速度的性質(zhì)稱為流體的黏性。 黏性是流體的固有屬性之一，不論流體處于靜止還是流動，都具有黏性。黏性1.1.3 流體的黏度 流體在運動時，相鄰流體層之間是有相互作用的，這種相互抵抗的作用力稱為剪切力，流體所具有的這種抵抗兩層流體相對運動速度的性質(zhì)稱

6、為流體的黏性。 黏性是流體的固有屬性之一，不論流體處于靜止還是流動，都具有黏性。黏性黏性=粘性22圖1-1平板間黏性流體的速度變化 一、牛頓黏性定律 上板以恒定速度沿x的正方向運動23 實驗證明：對于多數(shù)流體，任意兩毗鄰流體層之間作用的剪切力 與兩流體層的速度差及其作用面積 成正比，與兩流體層之間的垂直距離 成反比牛頓黏性定律：（1-7）一、牛頓黏性定律 2425 流體粘性的表現(xiàn),也是阻力產(chǎn)生的依據(jù). 現(xiàn)象:流動的河流，從中心到岸邊不同距離的河水流速不同 本質(zhì):流體運動時流體內(nèi)部相鄰流體層相互之間存在內(nèi)摩擦力流動性:無固定形狀,在外力作用下流體內(nèi)部產(chǎn)生相對運動粘性:在運動狀態(tài)下,流體具有一種抗

7、拒內(nèi)在的向前運動的特性流體粘性的物理意義26一、牛頓黏性定律 牛頓型流體(Newtonian fluid)遵循牛頓黏性定律的流體所有氣體和大多數(shù)低分子量液體均屬牛頓型流體，如水、空氣等。27凡不遵循牛頓黏性定律的流體為非牛頓型流體(non-Newtonian fluid)。某些高分子溶液、懸浮液、泥漿、血液等屬于非牛頓流體。非牛頓型流體(non-Newtonian fluid)一、牛頓黏性定律 28塑性流體：如油墨、泥漿、紙漿、牙膏、污水等等；非牛頓型流體分類：假塑性流體：如聚合物溶液、潤滑脂、淀粉懸浮液、涂料等；漲塑性流體：如塑料溶液、微粒含量很高的懸浮液、淀粉水漿液、硅酸鉀水漿液等。 n1

8、29a 牛頓性流體b 塑性流體c 假塑性流體d 漲塑性流體30二、流體的黏度一般以泊的1/100的厘泊（cp）來表示黏度。在SI單位制中，黏度的單位為Pas，在物理單位制上，其單位為P（泊），31運動黏度 SI單位為m2/s；在物理單位cm2/s稱為斯托克斯（沲），以St表示。二、流體的黏度32混合物粘度 ：分子非締合的液體混合物：氣體混合物：式中：xi液體混合物中i組分的摩爾分率； yi氣體混合物中i組分的摩爾分率； i與混合物相同溫度下的i組分的粘度； Mi氣體混合物中i組分的分子質(zhì)量。33 的流體稱為理想流體。自然界不存在真正的理想流體。三、理想流體與黏性流體 理想流體34工程中一般忽略

9、壓強對粘度的影響粘度的影響因素粘度為物性常數(shù)之一，隨物質(zhì)種類和狀態(tài)而變。1.流體性質(zhì):一般，2.溫度:液體的粘度隨溫度升高而減小氣體的粘度隨溫度升高而增大3.壓強:由實驗測定、查有關(guān)手冊或資料、用經(jīng)驗公式計算。P341351.2.1 靜止流體的壓力1.2.2 流體靜力學基本方程式1.2.3 流體靜力學基本方程式的應(yīng)用1.2 流體靜力學基本方程式36 流體靜力學 流體靜力學主要研究流體靜止時流體內(nèi)部各種物理量的變化規(guī)律，特別是在重力場作用下，靜止流體內(nèi)部的壓力變化規(guī)律。37 外界作用于流體上的力體積力表面力38一、體積力 體積力(body force)又稱為場力，質(zhì)量力，是一種非接觸力。地球引力

10、，帶電流體所受的靜電力，電流通過流體產(chǎn)生的電磁力等均為體積力。 本書只涉及重力： 設(shè)流體密度為，體積為V，則其所受的重力為體積力39表面力（又稱接觸力或機械力） 與流體元相接觸的環(huán)境流體（有時可能是固體壁面）施加于該流體元上的力。表面力又稱為機械力，與力所作用的面積成正比。二、表面力 40圖1-2 作用在流體上的力 二、表面力 41二、表面力 切向應(yīng)力 法向應(yīng)力單位面積上的表面力稱為表面應(yīng)力。表面應(yīng)力42 靜止的流體內(nèi)部沒有剪應(yīng)力，只有法線方向的應(yīng)力，通常將該法向應(yīng)力稱為流體的靜壓力，以p表示。 流體的靜壓力1.2.1 靜止流體的壓力43靜止流體的壓力特性 在SI單位制中，壓力單位是N/m2或

11、Pa。其他單位還有：1atm101300 N/m2101.3kPa1.033kgf/cm210.33mmH2O760mmHg1、壓力的單位44如常用： 1.0 atm（表） 360 mmHg（真） 0.07 Mpa（表） 2.0 atm （絕） P表 = P絕 P大 = P絕 Pa P真 = P大 P絕 = Pa P絕 = P表 以絕對真空為基準:絕對壓強，是流體的真實壓強。以大氣壓為基準：表壓力 = 絕對壓力大氣壓力真空度 = 大氣壓力絕對壓力真空度 = -表壓力2、表壓、真空度、絕對壓與大氣壓的關(guān)系注意：凡用壓力表所測壓力均為表壓 P（表），原因是由于壓力表是大氣中制造的，故以大氣壓定為基

12、準點 (零點）。一端與大氣相通的單管或U型管壓差計亦如此。表壓強、絕對壓強、大氣壓強、 真空度關(guān)系亦可用圖表示。46表壓真空度動畫47真空壓力表48表壓力=絕對壓力-當?shù)卮髿鈮毫^對壓力=當?shù)卮髿鈮毫?表壓力真空度=當?shù)卮髿鈮毫?絕對壓力絕對壓力=當?shù)卮髿鈮毫?真空度例.1.若當?shù)卮髿鈮簽?50mmHg，則0.5atm(表壓)= kgf/cm2(絕)= Pa（絕） mmHg(絕)。2.若當?shù)卮髿鈮簽?20mmHg，某設(shè)備上真空表讀數(shù)為700mmHg，該設(shè)備內(nèi)絕壓為 mmHg。1.5361.511051130201atm = 1.0336 at = 1.013105 Pa = 1.0336 kg

13、f/m2 = 10.336 mH2O = 760 mmHg = 1.013 bar49例 某離心水泵的進、出口處分別裝有真空表和壓力表，現(xiàn)已測得真空表上的讀數(shù)為210mmHg，壓強表上的讀數(shù)為150kPa。已知當?shù)卮髿鈮簭姙?00kPa。試求：泵入口處的絕對壓強，kPa；泵出、入口間的壓強差，kPa。 解： 已知當?shù)卮髿鈮簭奝a100kPa，泵入口處的真空度為210mmHg，查得：1mmHg=133.3Pa,故真空度為210133.310-3=28.0kPa 泵入口處的絕對壓強為， P1(絕壓)Pa 真空度100 28.072.0 kPa 50泵出、入口間的壓強差為P=P2(絕壓) P1(絕壓

14、)而泵出口處的絕壓為P2(絕壓)P2(表壓) +Pa150100=250 kPa所以 P=250 72178kPa 在進行壓強值換算與壓強差計算時，必須注意單位的一致性。51流體靜力學方程 圖1-3 流體靜力學方程的推導(dǎo) 微元立方流體邊長:dx、dy、dz密度:1.2.2 流體靜力學基本方程式52流體靜力學方程 z方向上的力（向上為正）僅為重力和靜壓力（2）作用整個微元體的重力為 （1）作用于微元體上、下底面的表面力（壓力）分別為53流體靜力學方程 則z方向上力的平衡式為化簡得 靜止流體的歐拉(Euler)方程 54 同理，在x，y方向上： y 軸 x 軸 流體靜力學方程 55或 當流體不可壓

15、縮（= 常數(shù)）時，積分可得 流體靜力學方程 或 (1-11)(1-12)(1-14)總勢能守恒等壓面56靜力學基本方程式可改寫為 因此，壓差的大小可用一定的液柱高度來表示 流體靜力學方程 (1-15)57不可壓縮流體的靜力學基本方程式反映重力場作業(yè)下，靜止流體內(nèi)部壓力的變化規(guī)律流體靜力學方程 適用范圍:1.靜止流體2. 為常數(shù)或?qū)Σ豢蓧嚎s流體而言3.必須是連續(xù)的同一種流體58 應(yīng)注意，液柱高度表示壓差大小時必須指明是何種液體。圖1-4 靜止液體內(nèi)部的壓力分布流體靜力學方程 59流體靜力學方程 靜力學方程式僅適用于連通著的同一種連續(xù)的不可壓縮靜止流體。 討論P19：（1）判斷下式是否成立？ PA

16、=PA PB=PB（2）計算h?60等壓面概念一.壓力測量1.正置U型壓差計(當示f )時(一)單指示液的U型壓差計a.結(jié)構(gòu):U形玻璃管,指示液b.注意指示液密度示大于被測流體密度f，且不互溶,不發(fā)生化學反應(yīng):常用指示液:汞,四氯化碳,水,液體石蠟示f壓差計manometer1.2.3 流體靜力學基本方程式的應(yīng)用62c.測量原理:根據(jù)靜力學基本方程式推導(dǎo)根據(jù)流體靜力學基本方程式可得于是 上式化簡，得若被測流體為氣體，由于氣體的密度比指示液的密度小得多，氣體的密度可以忽略，于是若U管的一端與被測流體連接，另一端與大氣相通，此時讀數(shù)反映的是被測流體的表壓力。2.倒置U型壓差計(當示f 時)，(1)

17、利用液體本身作指示劑(2)采用其它指示劑f示f氣3.傾斜液柱壓差計:式中為傾斜角，其值越小，R1值越大。即可知:當（ P1P2 ）即壓差很小時，若此時示較大且f較小，則R將很小，難以準確讀數(shù)，為了增大R：此時：(二)雙指示液U形管壓差計微壓壓差計由式:方法二:采用微壓差計。方法一:可以盡量選用密度與被測流體相近的指示液。要求: 雙指示液a、 b相近。AB、AC、BC流體之間不互溶水庫面積/U管截面100，從而庫面 液位變化可忽略。BC66二.其它應(yīng)用1.液位的測量液位計 化工廠中經(jīng)常要了解容器里物料的貯存量，或要控制設(shè)備里的液面，因此要進行液位的測量。大多數(shù)液位計的作用原理均遵循靜止液體內(nèi)部壓強變化的規(guī)律HPf測量原理的推導(dǎo):求得:68692.鼓泡式液柱測量裝置遠距離液位測量1-調(diào)節(jié)閥,2-鼓泡觀察器,3-U管壓差計,4-吹氣管,5-貯罐abpa= gh; pb= 指 gR由于管內(nèi)氮氣流速較小， pa= pb 以表壓強表示故： h= 指R/ A若容器埋在操作室較遠或地面下ab703.確定液封高度液封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用：通過液封裝置的液柱高度 ，控制器