第一講 流體流動(dòng)

第一講流體流動(dòng)第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日緒論任何一種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，都是由若干個(gè)單元操作及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程組合而成。什么是單元操作呢？單元操作是指在各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中普遍采用的，遵循共同的物理學(xué)定律，所有設(shè)備相似，具有相同作用的那些基本操作。本書的主要內(nèi)容：研究化工生產(chǎn)過(guò)程中的單元操作第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日緒論化工生產(chǎn)過(guò)程第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日緒論單元操作及分類1、按操作目的分類（1）物料的增壓、減壓和輸送；（2）物料的混合或分散；（3）物料的加熱或冷卻；（4）非均相混合物的分離；（5）均相混合物的分離。2、按達(dá)到相同的目的，依據(jù)不同原理，采用不同方法分類（表1）新的單元操作：膜分離技術(shù)單元操作：過(guò)程和設(shè)備并重，研究各單元操作就是為了掌握過(guò)程的規(guī)律，并設(shè)計(jì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和大小，以使過(guò)程在有利的條件下進(jìn)行。

第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日緒論單元操作遵循的幾個(gè)基本規(guī)律或基本過(guò)程動(dòng)量傳遞過(guò)程：如流體的輸送、沉降、過(guò)濾、攪拌及固體流態(tài)化等。熱量傳遞過(guò)程：如傳熱、蒸發(fā)、結(jié)晶。傳熱過(guò)程質(zhì)量傳遞過(guò)程：如吸收、蒸餾、萃取、干燥、吸附等。傳質(zhì)過(guò)程熱力學(xué)過(guò)程：如冷凍及深度冷凍。第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日緒論單位：分國(guó)際單位制（SI）和工程單位生產(chǎn)上俗稱的1公斤壓力（1kgf/cm2）等于1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1atm）＝1.013×105N/m2表達(dá)各單元操作規(guī)律的五個(gè)概念：物料衡算：輸入量-輸出量＝積累量熱量衡算物系的平衡關(guān)系傳遞速率及經(jīng)濟(jì)核算第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日思考題什么是化工單元操作？它具有哪些特點(diǎn)？按理論基礎(chǔ)，又分哪幾個(gè)過(guò)程？習(xí)題1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1atm）的壓力等1.033kgf/cm2，換算成N/m2。3/(mol.k)換算成國(guó)際單位kJ/(kmol.K)緒論第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第1章流體流動(dòng)主要任務(wù)：選：合適的流速、合適的管徑、閥門、測(cè)量?jī)x表、泵、風(fēng)機(jī)研：為了選合適就得研究流體的性質(zhì)，流動(dòng)形態(tài)即條件，流體的有關(guān)規(guī)律。脫硫變換工段第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1概述流體：液體與氣體的統(tǒng)稱。粘度：流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，是流體重要的物性參數(shù)理想流體：理想液體與理想氣體的統(tǒng)稱，即粘度為零的流體。理想液體：不可壓縮，受熱不膨脹，粘度為零因而流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的液體。理想氣體：粘度為零，流動(dòng)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力的氣體，它完全符合理想氣體狀態(tài)方程式實(shí)際流體：粘度不為零的流體流體的分類：可壓縮流體和不可壓縮流體液體一般當(dāng)作不可壓縮流體；氣體一般為可壓縮流體，但如果壓力或溫度很小時(shí)，也可當(dāng)作不可壓縮流體2流體靜力學(xué)主要研究流體在靜止的狀態(tài)下所受各種力之間的關(guān)系，實(shí)際上是討論流體靜止時(shí)其內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.1流體的基本性質(zhì)密度：查應(yīng)密度數(shù)值時(shí)應(yīng)注意所對(duì)應(yīng)的溫度!液體的密度：2＝1/（1+T）

為液體的體積膨脹系數(shù)、絕大多數(shù)物質(zhì)為正值；T＝（T2-T1）為溫度差氣體的密度：氣體的密度隨溫度和壓強(qiáng)而變化。用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算氣體密度的前提條件：壓強(qiáng)不太高、溫度不太低。

p為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，kPa；M為氣體的相對(duì)分子質(zhì)量，kg/kmol；R為通用氣體常數(shù)，8.314KJ/（kmol·k）；T為氣體的絕對(duì)溫度，K第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日流體混合物的密度液體混合物的密度：

——xmA，xmB，xmn為混合物中各組分的質(zhì)量分率氣體混合物的密度：m＝AxVA+BxVB+···

+BxVB理想氣體的混合密度：

Mm＝MAxA+MBxB+···

+Mnxn第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日流體的壓強(qiáng)p＝P/A單位：大氣壓（atm）、工程大氣壓（kgf/cm2）、液柱高（如mmHg、mmH2O）絕壓、表壓和真空度絕對(duì)壓強(qiáng)是指流體的真實(shí)壓強(qiáng)；表壓強(qiáng)是工程上用測(cè)壓儀表以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)測(cè)得的流體的壓強(qiáng)值，即：表壓強(qiáng)＝絕對(duì)壓強(qiáng)-（外界）大氣壓強(qiáng)真空度表示絕對(duì)壓強(qiáng)比（外界）大氣壓強(qiáng)小了多少，即：真空度＝（外界）大氣壓強(qiáng)-絕對(duì)壓強(qiáng)絕壓大氣壓真空度絕壓表壓大氣壓第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日流體的黏度流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力這種特性，稱為黏性。衡量流體黏性大小的物理量稱為黏度，以符號(hào)表示。黏度的單位：法定計(jì)量單位：N·s/m2，即Pa·s；CGS制單位泊（P）或厘泊（cP），換算關(guān)系：1厘泊（cP）＝10-2泊（P）＝10-3Pa·sSI制：CGS制：cP（厘泊）運(yùn)動(dòng)粘度SI制的單位為粘度μ又稱為動(dòng)力粘度。第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日流體的壓縮性與膨脹性流體的體積隨壓強(qiáng)而變化的特性稱為流體的壓縮性，而隨溫度變化的特性稱為膨脹性。μ的變化規(guī)律液體：μ＝f（t），與壓強(qiáng)p無(wú)關(guān)，溫度t↑，μ↓氣體：p<40atm時(shí)μ＝f（t）與p無(wú)關(guān)，溫度t↑，μ↑μ＝0，流體無(wú)粘性（理想流體，實(shí)際不存在）第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.2流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)方程的推導(dǎo)p1A+gA(Z1-Z2)=p2AP2=p1+g(Z1-Z2)=p1+

ghP=p0+gh在同一靜止連續(xù)流體內(nèi)部同一水平面上各處的壓強(qiáng)是相等的。

在單一靜止的連續(xù)流體內(nèi)部，不同垂直位置上的p/g與gZ之和為常數(shù)第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日靜力學(xué)方程式的應(yīng)用（1）壓力的測(cè)量常用壓差計(jì)見(jiàn)P14圖1-6如何使用壓差計(jì)測(cè)量壓強(qiáng)值？（2）液封高度為了防治容器內(nèi)氣體壓力不超過(guò)給定的數(shù)值或者防止氣體外流，常使用安全液封裝置（或稱水封裝置）。h0＝p/g注意：p為器內(nèi)壓力（表壓）第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3流體動(dòng)力學(xué)討論流體流動(dòng)的基本規(guī)律及其有關(guān)問(wèn)題3.1流體的流量和流速（1）體積流量：V，m3/s或m3/h（2）質(zhì)量流量：W，kg/s或kg/h（3）流速：u＝V/S質(zhì)量流量、體積流量和流速之間的關(guān)系W＝V＝uS（4）質(zhì)量流速：G＝W/S＝V/S＝u第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日幾個(gè)流量參數(shù)之間的關(guān)系第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日某種流體在管道中常用的流速范圍流體及其流動(dòng)類別流速范圍/（m/s）流體及其流動(dòng)類別流速范圍/（m/s）自來(lái)水（3×105Pa）1～1.5高壓空氣15～25水及低粘度液體（1×105Pa～1×106Pa）1.5～3.0一般氣體（常壓）10～20高粘度液體0.5～1.0鼓風(fēng)機(jī)吸入管10～20工業(yè)供水（8×105Pa以下）1.5～3.0鼓風(fēng)機(jī)排出管15～20鍋爐供水（8×105Pa以下）﹥3.0離心泵吸入管（水類液體）1.5～2.0飽和蒸汽20～40離心泵排出管（水類液體）2.5～3.0過(guò)熱蒸汽30～50往復(fù)泵吸入管（水類液體）0.75～1.0蛇管、螺旋管內(nèi)的冷卻水﹤1.0往復(fù)泵排出管（水類液體）1.0～2.0低壓空氣12～15液體自流速度（冷凝水等）0.5真空操作下氣體流速﹤50第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日流體輸送管道直徑的計(jì)算

3.2穩(wěn)定流動(dòng)與非穩(wěn)定流動(dòng)若流速隨時(shí)間而變化則為非穩(wěn)定流動(dòng)，反之則為穩(wěn)定流動(dòng)。表1-1某些流體在管道中的常用流速范圍

第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.3連續(xù)性方程流體穩(wěn)定流動(dòng)的物料衡算式：u1A1＝u2A2（連續(xù)性方程）第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.4流體流動(dòng)中的機(jī)械能（1）內(nèi)能（2）位能（3）動(dòng)能（4）靜壓能（5）外加能量（6）損失能量機(jī)械能（位能、動(dòng)能、靜壓能）在流動(dòng)過(guò)程可以互相轉(zhuǎn)換，亦可轉(zhuǎn)變?yōu)闊峄蛄黧w的內(nèi)能。但熱和內(nèi)能在流體流動(dòng)過(guò)程不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而用于流體輸送。第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日（1）內(nèi)能內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動(dòng)及其相互作用存在的能量。因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能U＝f（t），J/Kg第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日（2）位能在重力場(chǎng)中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度為z時(shí)的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時(shí)重力對(duì)液體所作的功單位質(zhì)量流體所具有的位能gz

第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）動(dòng)能液體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量，稱為動(dòng)能單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日（4）靜壓能流體自低壓向高壓對(duì)抗壓力流動(dòng)時(shí)，流體由此獲得的能量稱為壓強(qiáng)能單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能v——流體的比容（比體積），

第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.4柏努利方程流體3.4.1理想流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算柏努利方程的推導(dǎo)

理想流體做穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)遵循機(jī)械能守恒定律！幾種特殊情況（1）u＝0（2）可壓縮流體的簡(jiǎn)單計(jì)算第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.4.2柏努利方程的幾何意義以單位重量流體為衡算基準(zhǔn)，有：理想實(shí)際流體（）以單位體積位衡算基準(zhǔn),有：柏努利方程的應(yīng)用：例1-16（P26）第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日4管路中流體流動(dòng)阻力由于流體存在黏性，從而流體流動(dòng)時(shí)有阻力，流體阻力大小與流體動(dòng)學(xué)性質(zhì)（黏性）一級(jí)流速、管壁粗糙度等因素有關(guān)。流體阻力分直管阻力和局部阻力。4.1實(shí)際流體的基本流動(dòng)現(xiàn)象雷諾實(shí)驗(yàn)證明：管道中流體流動(dòng)有滯流和湍流兩種類型Re數(shù)：一般Re≤2000～2300時(shí)，屬于滯流（層流）；當(dāng)Re≥4000時(shí)，屬于湍流。判斷流體流動(dòng)類型第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共