化工原理化學(xué)工業(yè)課件1流體流動(dòng)

第一章流體流動(dòng)1.1概述1.2流體靜力學(xué)1.3流體流動(dòng)的基本概念1.4流體流動(dòng)過程的物料衡算與機(jī)械能衡算1.5圓直管內(nèi)流體層流時(shí)的流速分布與阻力計(jì)算1.6

圓直管內(nèi)流體湍流的流速分布與阻力計(jì)算1.7

管路計(jì)算1.8流速及流量測定1.1

概述1)流體輸送流體流動(dòng)是在化工生產(chǎn)中的一個(gè)基本過程；在化工生產(chǎn)中常見的流體流動(dòng)如下：——需要研究流體的流動(dòng)規(guī)律以便進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)、輸送機(jī)械的選擇及所需功率的計(jì)算?！私?、控制生產(chǎn)過程，需對(duì)壓強(qiáng)、流速、流量等一系列參數(shù)進(jìn)行測定，而這些測定多以流體靜止或流動(dòng)規(guī)律為依據(jù)。2)壓強(qiáng)、流速、流量的測量3)為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的條件——化工設(shè)備中傳熱、傳質(zhì)等多是在流動(dòng)條件下進(jìn)行，故流體流動(dòng)對(duì)這些過程有重要影響。1.1.1流體及其特征定義：流體包括液體和氣體。由大量的彼此之間具有間距的單個(gè)分子組成。分子作隨機(jī)無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以流體不是連續(xù)的介質(zhì)。特征：具有流動(dòng)性；無固定形狀，隨容器的形狀而改變；在外力作用下內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；靜止流體沒有承受剪應(yīng)力的能力，也不能承受張力，只能承受壓力。1.1.2連續(xù)介質(zhì)模型流體質(zhì)點(diǎn)包含有大量流體分子。流體質(zhì)點(diǎn)與分子自由程比充分地大，體現(xiàn)了宏觀性質(zhì)；同時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)對(duì)所考慮工程問題的尺度來說，又是充分地小，體現(xiàn)了“點(diǎn)”位置流體的性質(zhì)，即微觀性質(zhì)。為了研究流體流動(dòng)提出的一種假設(shè)，即流體是由無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)組成。1.1.3流體力學(xué)和流體流動(dòng)什么叫流體力學(xué)(fluidmechanics)?以流體作為研究對(duì)象，探討流體處于平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的力學(xué)規(guī)律及其與邊界間的相互作用的學(xué)科。流體流動(dòng)是“化工流體力學(xué)”的一部分，主要介紹流體靜力學(xué)、流體在管道內(nèi)流動(dòng)的基本規(guī)律及流量(流速)測定等方面。1.2

流體靜力學(xué)什么是流體靜力學(xué)(fluidstatic)？研究流體在外力作用下處于靜止或平衡狀態(tài)下其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間、流體與固體邊壁間的作用規(guī)律。1.2.1流體靜壓強(qiáng)(Pressure)1.靜壓強(qiáng)的定義：靜止流體中單位面積受到的內(nèi)法向壓力，用p表示。靜壓強(qiáng)的定義說明：①p=壓力/面積=F/A，可引伸出：,

即壓強(qiáng)具有點(diǎn)特性。

②靜止流體中，同一水平面各點(diǎn)壓強(qiáng)相等(后面有更加嚴(yán)密的闡述)。③靜止流體中，作用于任一點(diǎn)上不同方位的壓強(qiáng)數(shù)值相等，即任一點(diǎn)上的壓強(qiáng)與方位無關(guān)

——Pascal定律。

2.壓強(qiáng)常用單位：1atm(物理大氣壓)=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at(工程大氣壓)=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×104Pa=0.9807bar3.壓強(qiáng)表達(dá)方式：1)絕對(duì)壓強(qiáng)：以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng)。2)相對(duì)壓強(qiáng)：以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)，表示為表壓(pg，即gagepressure)和真空度(p真)。表壓=絕對(duì)壓強(qiáng)–大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)–絕對(duì)壓強(qiáng)絕對(duì)零壓線大氣壓線絕對(duì)壓強(qiáng)表壓絕對(duì)壓強(qiáng)真空度思考：表壓和真空度是絕對(duì)不變的嗎？大氣壓隨海拔高度而變化，故絕對(duì)壓強(qiáng)是唯一的，而表壓和真空度是變化的。例：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為80×103

Pa。在天津操作時(shí)，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對(duì)壓強(qiáng)，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少？蘭州地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為85.3×103

Pa，天津地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為101.33×103

Pa。絕對(duì)零壓蘭州大氣壓絕壓(要求不變)蘭州真空度天津大氣壓天津真空度？1.2.2流體的密度和比容2.據(jù)流體密度是否隨壓強(qiáng)和溫度的變化而變化，將流體分為恒密度流體和變密度流體。沒有絕對(duì)的恒密度流體，一般液體隨溫度和壓力的變化小，可視為恒密度流體；而氣體隨溫度、壓力的變化較大，可視為變密度流體。理想氣體的密度：1.密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量，用

表示。單位：kg/m3但當(dāng)過程的溫度、壓力變化不大時(shí)，也可將氣體視為恒密度流體。3.比容：密度的倒數(shù)，即單位質(zhì)量流體所具有的體積。單位：m3/kg1.2.3流體靜力學(xué)基本方程1.流體流動(dòng)中的作用力:1)質(zhì)量力：作用于流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，并與流體的質(zhì)量成正比，對(duì)均質(zhì)流體也與流體體積成正比。如：重力場中的重力、離心力場的離心力。2)表面力：作用于流體微元的表面，并與其表面積成正比。如垂直于微元表面的力—壓力、平行于微元表面的力—剪力。2.流體靜力學(xué)基本方程的推導(dǎo)ρ

設(shè)容器S中盛有密度為ρ的靜止流體，紅色代表底面積為A的柱形流體微元，對(duì)其作受力分析：重力：W=ρgA(Z1–Z2)壓力P1，方向向下壓力P2，方向向上由于液柱靜止，故：P1+W–P2=0即：P1+ρgA(Z1–Z2)–P2=0P1/A+ρg(Z1–Z2)–P2/A=0令壓強(qiáng)p1=P1/A；p2=P2/A則：p2=p1+ρg(Z1–Z2)

（流體靜力學(xué)基本方程）說明：(1)上式僅適用于重力場中靜止的不可壓縮流體。

但對(duì)于氣體若壓強(qiáng)變化不大，密度可近似取平均值而視為常數(shù)，則上式亦可使用。

(2)靜止流體內(nèi)部靜壓強(qiáng)僅與垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。水越深壓強(qiáng)越大，天空越高氣壓越低。

(3)等壓面：靜止、連通、恒密度流體內(nèi)處于同一水平面上的各點(diǎn)壓強(qiáng)處處相等。

(4)由p2=p1+ρg(Z1–Z2)，可得：p1+ρgZ1=p2+ρgZ2令：pmodify=p+ρgZ修正壓強(qiáng)則：pm,1=pm,2即靜止、連通、恒密度流體在重力場中，不同位置的流體質(zhì)點(diǎn)間有一個(gè)參量是不變量，這個(gè)不變量就是修正壓強(qiáng)。

例：如圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg/m3，水層高度h2=0.6m、密度ρ2=1000kg/m3。(1)判斷下列兩關(guān)系是否成立，即：pA=pA’，pB=pB’。(2)計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度h。1.2.4流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用1.壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測定1)簡單測壓管：特點(diǎn)：適用于高于大氣壓的液體壓強(qiáng)的測定，不適用于氣體，當(dāng)pA過大，R很大，就不方便；而pA過于接近pa，R讀數(shù)很小，測量誤差增大。pA=pa+gR2)U形壓差管：指示液密度為

I

。指示液必須與被測液體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且不互溶，必須大于流體的密度ρ。一般對(duì)液體，指示液為Hg，對(duì)于氣體，指示液為水。p1=p1’p1=pA+ρghp1’

=pa+

I

gRpA=pa+

I

gR-ρgh3)U形壓差計(jì)：(p1-p2)與U形壓差計(jì)讀數(shù)R的關(guān)系式？設(shè)：壓差計(jì)指示劑的密度為ρA；

流體B的密度為ρB。pa=pa’pa=p1+ρBg(m+R)pa’=p2+ρBg(m+Z)+ρAgRp1–p2=(ρA–ρB)gR+ρBgZ如被測管水平放置，Z=0，上式變?yōu)椋?/p>