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。Vmkg/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:RTpMRTMmnRTpV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。1mVvm3/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:)(TfT↑→↓气体:一般)(TfT↑→↑超高压),(Tpfp↑→↑黏度与温度、压强的关系在SI制中:dydu/msmmN)/(/22.mSNSPa.在物理单位制中,dydu/cmscmcmdyn2/2.cmsdynscmg.泊)(PPCPsPa10100013)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:0xpy轴:0yp整理得:静止流体的欧拉(Euler)方程gdzdzzpdyypdxxpgdzdp常数gzpgzpgzp2211当流体为不可压缩流体,不定积分得:gdzdpp0p2p1z1z2G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。0A与A′面为等压面,即'AApp)(1RmgppAgRgmppA02'而p1p2mRAA’所以gRgmpRmgp021)(整理得gRpp)(021若被测流体是气体,,则有0gRpp021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。Rh0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ghppaAgRppaB0Rh0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。gpph0-液封高度: