化工原理-1112

流体是气体与液体的总称。流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。第一章流体流动流体的特征具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。1.1流体的重要性质一、连续介质假定假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。u定义：单位体积流体的质量，称为流体的密度。Vmkg/m3单组分密度),(Tpf二、密度但是气体、液体随压力的变化情况不同气体随P变化很大，通常不可以忽略，视为可压缩流体，密度随压力、温度变化，此时表示密度一定要注明温度和压力即可，其值也可从手册中查得。液体随P变化很小，通常可以忽略，视为不可压缩流体，密度仅随温度变化（极高压力除外），此时表示密度只需注明温度即可，其值可从手册中查得。)(Tf),(Tpf气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：RTpMRTMmnRTpV实际气体，只要压力不太高，温度不太低，均可以使用。另外，手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。PPTT混合物的密度气体混合物各组分在混合前后质量不变，1体积nnm......2211——气体混合物中各组分的体积分率。n......,21液体混合物各组分在混合前后体积不变，1kgnnm......12211n......,21——液体混合物中各组分的质量分率。单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。1mVvm3/kg比容（比体积）1.对黏性的初步认识三、流体的黏性倒油倒水粥稀饭dyudAF.剪切力dyud.Fuu＋dudy剪应力（内摩擦力）黏性——阻碍抵抗流体发生相对运动的性质，是流体的固有性质——牛顿黏性定律dydu——牛顿黏性定律式中：：dydu速度梯度，速度沿法线上的变化率。比例系数，黏性系数或动力黏度，简称黏度：牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体；（水、空气）非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。（泥浆，悬浮液）剪应力只有在运动时才显现出来2、流体的黏度1)物理意义dydu),(Tpf液体:)(TfT↑→↓气体:一般)(TfT↑→↑超高压),(Tpfp↑→↑黏度与温度、压强的关系在SI制中：dydu/msmmN)/(/22.mSNSPa.在物理单位制中，dydu/cmscmcmdyn2/2.cmsdynscmg.泊）(PPCPsPa10100013）黏度的单位4）运动黏度v单位：SI制：m2/s；SPa10005.1cP005.13水SPa5.1cP1500甘油1.2流体静力学1.2.1流体的受力表面力体积力流体所受的力切向力法向力如重力、离心力、惯性力等。1.2.2压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。一、压力的特性流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；SI制：N/m2或Pa；AFp标准大气压的换算关系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.0332kgf/cm2二、压力的表示方法绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度以大气压为基准测得的压力。表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力绝对压力绝对压力绝对真空表压真空度1p2p大气压1.2.3流体静力学方程一、静力学基本方程研究内容：流体静止时，其内部压力变化规律。研究工具：受力平衡，重力场中涉及重力和压力。假定条件：单一、连续、静止的不可压缩流体。取微元立方流体边长:dx、dy、dz，密度:ρz方向上的力（向上为正）仅为重力和静压力对流体微元受力分析：上表面压力：dxdydzzpp)(下表面压力：pdxdy重力：gdxdydz则z方向上力的平衡式为0)(gdxdydzdxdydzzpppdxdy化简得gzp同理，在x，y方向上：x轴：0xpy轴：0yp整理得：静止流体的欧拉(Euler)方程gdzdzzpdyypdxxpgdzdp常数gzpgzpgzp2211当流体为不可压缩流体，不定积分得：gdzdpp0p2p1z1z2G在静止液体内部不同高度处，2121,ppzz)(2112zzhghpp当Z1取液面处，液面上方压力为p0，z2处压力为p时：p=p0+ρgh讨论：（1）适用于重力场中单一、连续、静止的不可压缩性流体；（2）物理意义：zg——单位质量流体所具有的位能，J/kg；p——单位质量流体所具有的静压能，J/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。gzpgzp2211（3）在静止的、连续的单一流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。1.2.4流体静力学方程的应用1.压力及压力差的测量（1）U形压差计设指示液的密度为，被测流体的密度为。0A与A′面为等压面，即'AApp)(1RmgppAgRgmppA02'而p1p2mRAA’所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体，，则有0gRpp021讨论：（1）（2）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压；p1pa（3）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。（2）双液体U管压差计扩大室内径与U管内径之比应大于10。)(CA密度接近但不互溶的两种指示液A和C；适用于压差较小的场合。gRppCA)(21例1-1如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R＝250mm，m＝900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。例1-2如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。2.液位测量（1）近距离液位测量装置压差计读数R反映出容器内的液面高度。Rh0液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。（2）远距离液位测量装置BApp管道中充满氮气，其密度较小，近似认为ghppaAgRppaB0Rh0而所以3.液封高度的计算液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止外界气体进入气柜。gpph0-液封高度：