-流體流動教案

流體流淌--教案1第一章 流體流淌〔Fluidflow)概述一、為什么要學(xué)習(xí)這章？1流體：氣體和液體統(tǒng)稱為流體。生產(chǎn)程序從一個設(shè)備輸送到另一個設(shè)備。除了流體輸送外，化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過程以及化學(xué)反響大都是在流淌下進(jìn)展的。流體流淌的狀態(tài)對這些單元操作有著很大影響。為了深入理解這些單元操作的原理，就必需把握流體流淌的根本原理。可以說流體流淌的根本原理是本課程的重要根底。二、流體流淌的性質(zhì)實質(zhì)：并非指其內(nèi)局部子的運動〔靜止流體的分子是運動的動來表達(dá)。流體內(nèi)部很多質(zhì)點運動的總和，就為流體流淌。質(zhì)點及流體流淌連續(xù)性：指大量分子構(gòu)成的集團(tuán)，但其大小與管路線容器的尺寸相比仍微缺乏道。因此，可用統(tǒng)計平均方法來思考問題。這樣可擺脫簡單的分子運動從宏觀的角度來爭論流體的流淌規(guī)律。不行壓縮流體：流體的體積〔密度〕假設(shè)不隨壓力及溫度變化，……可壓縮流體：流體的體積〔密度〕假設(shè)隨壓力及溫度變化，……第一節(jié) 1—1 密度、比重、重度一、密度單位體積流體的質(zhì)量，稱為密度Kg/m3〔SI；ρ=m/vρ=f抱負(fù)氣體的密度：1atm，ocm3/kmolPV=m/M·RT;ρ=m/v=PM/RT,ρ=ρ·TP/TPo o o〔同一氣體在不同狀態(tài)下的密度計算式〕Mm=My+My11 22MM：氣體混合物各組分的分子量1 yy1

…氣體混合物各組分的摩爾分率。④假設(shè)用ф表示混合氣體的體積分率，則氣體平均密度為：ρρφρφm 1 1 2 2液體混合物的平均密度假設(shè)混合前后體積變化不大或不變，則1Kg混合液的體積=各組分單獨存在的體積之和，此時混合液的平均密度ρm1/ρ=a/ρ+a/ρ+…m 1 1 2 2a、a1

…——液體混合物中各組分的質(zhì)量分率ρρ1

——液體混合物中各組分的密度，kg/m3比容υ,υ=1/ρ二、比重〔d〕物質(zhì)的密度對水的密度之比。d=d/d物 水三、重度〔γ〕單位體積的重量，工程單位為Kgf/m3γ=ρg,ρKgfs2/m4為單位。1—2壓力〔壓強〕定義：流體垂直作于單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱壓強，習(xí)慣上稱為壓力。壓力的單位：SI：N/M2，Pa，工程單位：Kgf/m2，常見的單位還有atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓m,Bar,或Kgf/cm2等，相互關(guān)系為：1atm101300N/m2m2103330Kgf/m2=Kgf/cm2==760mmHgKgf/cm2稱為工程大氣壓〔at〕壓力的計量基準(zhǔn)1〕確定壓力和表壓壓力可以有不同的計量基準(zhǔn)，如以確定真空〔零大氣壓〕確定壓力〔absolutepressure；如以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，則稱為表壓gaugepressure〕,相互關(guān)系為：=確定壓力-大氣壓力〔壓力表表壓〕2〕真空度〔Vacuum〕真空度。即：真空度=大氣壓力-確定壓力3〕確定壓力、表壓、和真空度的關(guān)系〔P9〕大氣壓測定壓力大氣壓表壓 真空度測定壓力確定壓力 確定壓力大氣壓確定壓力為零〔測定壓力>大氣壓〕 〔測定壓力<大氣壓〕220mmHg〔真空度〕cm〔表壓760mmHg，試求它們確實定壓力各為假設(shè)干〔以法定單位表示〕〔Pa〕解：P大氣壓力-真空度=760–220=540mmHg=*104Pa1P表壓+大氣壓力=+=kgf/cm2=×105Pa21—3流體的靜力平衡一、流體靜壓力定義：靜止流體內(nèi)部任一點的壓力，稱為流體靜壓力。特點：流體靜壓力的方向與作用面相垂直。從各方向作用于某一點上的流體靜壓力相等。同一水平面上各點的流體靜壓力都相等。流體靜壓力隨位置凹凸而變。P11．根本方程式的推導(dǎo)如右圖示，考慮一垂直流體柱，其底面積為A。,在底面 P+ dp以上高度為Z1

的水平面上，流體柱所受的壓力為P，此 dzZ1 1處流體密度為ρ；在底面以上高度為Z2

的水平面上,流體 Z柱所受的壓力為P。在垂直方向上流體柱所受的力。 P2分析：作用于此薄層上的力有三個： ρgAdz Z2〔1〕向上作用于薄層下底的總壓力PA P2〔2〕向下作用于薄層上底的總壓力〔P+dp〕A AρgA·dz0，故PA(Pdp)A-ρgAdz0dp+ρgdz=0不定積分P+ρgz=常數(shù)，ρP/ρ+gz=常數(shù)假設(shè)積分上、下限取高度等于Z、Z的兩個平面，作用于這兩平面上的壓力分別為P與1 2 1P，則〔P-P〕/ρg=Z-Z，P=P+ρg(Z-Z)或 P/ρg+Z=P/ρg+Z2 1 2

1 2 2 1 1 2

1 1 2 2則P=P2 0

+ρgh P P0 1流體靜力學(xué)根本方程式公式的物理意義

Z h=Z–Z1 1 2Z2則壓力越大。壓力PP2 1

而變，即液面上所受的壓力能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部〔巴斯噶定理〕壓力或壓力差可以用肯定高度的流體柱表示。留意：公式應(yīng)用范圍：ρ肯定，流體只有一種且是不連續(xù)的。3．方程式中各項的意義：Z+P/ρg=Z+P/ρg1 1 2 2〔P：kgf/m2,ρ:kgf·s2/m4，g:m/s2，故P/ρg=m〕Z位壓頭〔PotentialdP/ρg：稱靜壓Statichead，或單位重量流體靜壓Pressureenergy〔重量流體從基準(zhǔn)面移到高度后，該流體具有的位能為 mgz，單位重量流體的位能，則為mgz/mg=z舉例〔P12〕1—4流體靜力學(xué)根本方程式的應(yīng)用一、壓力測量〔1〕U管壓差計〔U—tubemanometer〕AB不互溶，PP

時，指示液在U管的兩側(cè)臂上便顯示出高差1 2R。 P P1 2Bρ②a、b兩點的靜壓力相等，P=P ZBρa b③依據(jù)方程式P=P+ρg(z+R) ca 1 BP=P+ρgz+ρgRb 2 B A B∵P=P

∴P+ρg(z+R)=P

+ρgz+ρ

gR Raa b 1 B 2 B Aa整理得 P1

P=〔ρ2

ρ〕gR bB對氣體∵ρPPρgRB 1 2 A注：讀數(shù)R所反映的是被測流體的表壓力。 PP′P′2P′1

P A·ρ2 ABU管壓差計所測壓力差很小，則用此壓差計P″P″12構(gòu)造：A、C兩種密度勻背有不同的指示液C推導(dǎo)：∵PPa bRP=P+P′+P″+ρgRPAρPaa 1 1 1 C A baP=PPPρgR PPPPb 2 2 2 A 1 2 1 2∴P+ρ1 C

gR=P+ρgR2 A即 P-P=〔ρ-ρ〕gR1 2 A C舉例P12---P13第三節(jié) 管內(nèi)流體流淌現(xiàn)象1－9粘度一、牛頓粘性定律流體沿固風(fēng)光流過，中心速度最大，邊上為零 層之間形成磨擦。試驗證明：對于肯定的液體，上下兩板的速度變化率Δu/Δy愈大，作用的剪應(yīng)力τ也愈大，即：τ=μ·Δu/Δy〔1〕〔1〕 μ：粘度單位：(cgs)達(dá)因·秒/厘米=克/厘米·秒=泊〔P〕=100〔CP〕SI：kg/ms,Pa·S工程單位：kgf·S/m2τ：剪應(yīng)力，Δu/Δy：速度梯度流體的粘度性質(zhì)體粘度根本上不發(fā)生變化，一般來說，全體粘度亦可視為不隨壓力而變，只有壓力P40atm時才考慮。牛頓型流體與非牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體〔氣體及大局部液體。非牛頓型流體：稠厚或懸浮液，不符合牛頓粘性定律υ=μ/ρ 運動粘度cm2/s 斯〔s〕SI：m2/s1－10流淌型態(tài)流體內(nèi)局部層流淌狀況，只有在流速較小時才明顯。影響流體流淌狀況的因素：流速u，管徑d，流體粘度μ及密度ρ2．雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=duρ/μ=[m(m/s)(kg/m3)]/(kg/m·s)=m°kg°s°流淌形態(tài)的推斷〔1〕層流(滯流) Re<2023〔2〕湍流 Re>4000〔3〕過度流 2023<Re<4000雷諾準(zhǔn)數(shù)所反映的是流體流淌中慣性力與粘性力的比照關(guān)系。解釋：由于ρu kg/m3*m/s→kg/m2·s過單位截面積時質(zhì)量流量msρu2=ρu·u=mu(表示：單位時間通過單位管截面積的動量。質(zhì)量越大，動量越大，故此值可看成與單位截面積的慣性力成比例。)u/d反映流體內(nèi)部速度梯度zM·u/d＆剪應(yīng)力或粘性力而：ρu2/μ·〔u/d〕duρ/μRe=慣性力/粘性力則假設(shè)流體速度大，粘度小，Re愈大，則慣性力占主導(dǎo)。假設(shè)流體速度小或粘度大，Re小，表示粘性力占主導(dǎo)?？梢姡簯T性力加劇湍動、粘性力抑制湍動。1－10〔P31〕1－11管內(nèi)層