化工基础学习要点

1化工基础学习指导（1）1.流体流动与输送学习要点1．1流体静力学基本方程式1．1．1流体的密度与静压强1．1．1．1流体的密度单位体积的流体所具有的流体质量称为密度，以ρ表示，单位为kg/m3。（1）流体的密度基本上不随压强变化，随温度略有改变，可视为不可压缩流体。纯液体密度值可查教材附录或手册。混合液的密度，以1kg为基准，可按下式估算：nnm22111（2）气体的密度随温度和压强而变，可视为可压缩流体。当可当作理想气体处理时，用下式估算：RTPM或TPPT000对于混合气体，可采用平均摩尔质量Mm代替上式中的M，即nnmyMyMyMM22111．1．1．2流体的静压强垂直作用于流体单位面积上的表面力称为流体的静压强，简称压强，俗称压力，以p表示，单位为Pa。压强可有不同的表示方法：（1）根据压强基准选择的不同，可用绝压、表压、真空度（负表压）表示。表压和真空度分别用压强表和真空表度量。表压强=绝对压强-大气压强；真空度=大气压强-绝对压强（2）工程上常采用液柱高度h表示压强，其关系式为p=ρghakPmmHgOmH33.10176033.1021．1．2流体静力学基本方程式1．1．2．1基本方程的表达式对于不可压缩流体，有：2211gZpgZp或ghppZZgpp02112)(1．1．2．2流体静力学基本方程的应用条件及意义流体静力学基本方程式只适用于静止的连通着的同一连续的流体。该类式子说明在重力场作用下，静止液体内部的压强变化规律。平衡方程的物理意义为：（1）总势能守恒流体静力学基本方程式表明，在同一静止流体中不同高度的流体微2元，其静压能和位能各不相同，但其两项和（称为总势能）却保持定值。（2）等压面的概念当液面上方压强p0一定时，p的大小是液体密度ρ和深度h的函数。在静止的连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。（3）传递定律当p0变化时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的变化。（4）液柱高度表示压强或压强差改写流体静力学基本方程式可得：hgpp0上式说明压强差（或压强）可用一定高度的液体柱表示，但一定注明是何种液体。1．1．3流体静力学基本方程式的应用以流体静力学基本方程式为依据可设计出各种液柱压差计、液位计，可进行液封高度计算，根据gZp的大小判断流向。但需特别注意，U形管压差计读数反映的是两测量点位能和静压能两项和的差值。应用静力学基本方程式进行计算时，关键一环是等压面的准确选取。1．2流体流动的基本原理1．2．1定态流动系统的连续性方程式在定态流动系统中，对直径不同的管段作物料衡算，以1s为基准，则得到uAAuAuqm222111常数当流体可视为不可压缩时，密度可视为常数，则有uAAuAuqV2211常数应用连续性方程时，应注意如下两点：（1）在衡算范围内，流体充满管道，并连续不断地从上游截面流入，从下游截面流出。（2）连续性方程式反映了定态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律。此规律与管路的安排和管路上是否装有管件、阀门及输送机械无关。这里的流速指单位管道横截面上的体积流量，即AquV对于不可压缩流体，流速和管径的关系为222112dduu当流量一定且选定适宜流速时，利用连续性方程可求算输送管路的管径，即uqdV4用上式计算出管径后，要根据管子系列规格选用标准管径。1．2．2机械能衡算方程式——柏努利方程式1．2．2．1具有外功加入、不可压缩粘性流体定态流动的柏努利方程为fehpugZWpugZ2222121122式中的eW为输送机械对1kg流体所作的有效功，或1kg流体从输送机械获得的有效能3量。式中各项单位均为J/kg。1．2．2．2理想流体的柏努利方程式理想流体作定态流动时不产生流动阻力，即0fh，若又无外功加入，即eW=0，则得理想流体定态流动的机械能衡算方程式（理想流体的柏努利方程式）：2222121122pugZpugZ此式表明，理想流体作定态流动时，任一截面上1kg流体所具有的位能、静压能与动能之和为定值，但各种形式的机械能可以互相转换。1．2．2．3柏努利方程式的讨论（1）柏努利方程式的适用条件由推导过程可知，柏努利方程式适用于不可压缩流体定态连续流动。（2）理想流体的机械能守恒和转化1kg理想流体流动时的总机械能是守恒的，但不同形式的机械能可互相转化。（3）注意区别式fehpugZWpugZ2222121122中各项能量所表示的意义式中的gZ、u2/2、p/ρ指某截面上1kg流体所具有的能量；fh为两截面间沿程的能量消耗，它不能再转化为其他机械能；eW是1kg流体在两截面间获得的能量，是输送机械重要参数之一。由eW可选择输送机械并计算其有效功率，即meeqWP若已知输送机械的效率η，则可计算轴功率，即：ePP（4）柏努利方程式的基准1N流体（工程制柏努利方程式）：feHgpguZHgpguZ2222121122式中各项单位均为J/N或m。He为输送机械的有效压头，Hf为压头损失，Z、u2/2g、p/ρg分别称为位压头、动压头和静压头。1m3流体：fThpugZHpugZ2222121122式中各项单位均为J/m3或Pa。HT称为风机的全风压，是选择风机的重要参数之一。（5）柏努利方程式的推广①可压缩流体的流动：若索取系统中两截面间气体压强变化小于原来绝对压强的20%时，则用两截面间流体的平均密度代替。②非定态流动：对于非定态流动的任一瞬间，柏努利方程式仍成立。1．3流体在管内的流动规律及流动阻力1．3．1两种流型1．3．1．1雷诺实验和雷诺准数雷诺于1883年设计了雷诺实验。实验中发现三种因素影响流型，即流体的性质（主要4为ρ、μ）、设备情况（主要为d）及操作参数（主要为u）。对一定的流体和设备，可调参数为u。雷诺综合如上因素整理出一个无因次数群——雷诺准数：duReRe是一个无因次数群，可作为流动类型的判据，当Re≤2000时为滞流，当Re4000时为湍流。1．3．1．2牛顿粘性定律及流体的粘性当流体在管内滞流流动时，内摩擦应力可用牛顿粘性定律表示，即：dydu。遵循牛顿粘性定律得流体为牛顿型流体，所有的气体和大多数液体属于这一类型。不服从牛顿粘性定律的流体则为非牛顿型流体。由上式可得流体动力粘度（简称粘度）的表达式：dydu/使流体产生单位速度梯度的剪应力即为流体的粘度，它是流体的物理性质之一。单位换算：sPPcPa310101.011．3．2．3滞流与湍流的比较流型滞（层）流湍（紊）流判据Re≤2000Re2000质点的运动情况沿轴向作直线运动，不存在横向混合和质点碰撞不规则杂乱运动，质点碰撞和剧烈混合。脉动是湍流的基本特点管内速度分布max21uumax82.0uu（n=7）边界层滞流层厚度等于管子的半径层流底层—缓冲层—湍流主体直管阻力粘性内摩擦力，即牛顿粘性定律drdu粘性应力+湍流应力，即drdue)(（e为涡流粘度，不是物性，与流动状况有关）1．3．2流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力由直管阻力和局部足联两部分构成，即fffhhh阻力产生的根源是流体具有粘性，流动时产生内摩擦；固体表面促使流体流动时其内部发生相对运动，提供了流动阻力产生的条件。流动阻力大小与流体性质（ρ、μ）、壁面情况（ε或ε∕d）及流动状况（u或Re）有关。流动阻力消耗了机械能，表现为静压能的降低，称为压强降，用fp表示。注意区别压强降fp与两个截面的压强差p的概念。（1）直管阻力22max1RruunRruu1max15①直管阻力的通式（范宁公式）：22udlhf②层流时的摩擦系数λ（解析法）层流时的摩擦系数λ仅是Re的函数而与相对粗糙度ε∕d无关，可用解析法找出λ与Re的关系，同时对滞流流动取得内部结构作一分析。层流时的摩擦系数：164eR③湍流时的摩擦系数λ对于水力光滑管，当510~3000eR时，实验测得：25.03164.0eR(柏拉修斯公式)又如考莱布鲁克公式：Re7.182lg274.11d，此式适用于湍流区的光滑管与粗糙管直至完全湍流区。在完全湍流区Re对λ的影响小，式中含Re项可忽略。对于粗糙管，为使工程计算方便，在双对数坐标中，以ε∕d为参数，标绘λ与Re的关系，得到教材上所示的关系图。在完全湍流区，压强降或能量损失与速度的平方成正比。dRe的关系曲线适用于牛顿流体。④圆形管内实验结果的推广——非圆形管的当量直径流体在非圆形管内作定态流动时，其阻力损失仍可用22udlhf计算，但应将式中及Re中的圆管直径d以当量直径ed来代替。Herd4，Hr流通截面积A/润湿周边Π。（2）局部阻力为克服局部阻力所引起的能量损失有两种计算方法，即局部阻力系数法和当量长度法，其计算公式为：22uhf及22udlhef。常用管件、阀门、突然扩大或缩小的局部阻力系数ζ值和当量长度el值可查有关教材。在工程计算中，一般取入口的局部阻力系数ζ为0.5，而出口的局部阻力系数ζ为1.0。计算局部阻力时应注意两点：①若流动系统的下游截面取在管道出口，则柏努利方程式中的动能项和出口阻力系数ζ值即为1.0。②用公式22uhf或22udlhef计算突然扩大或缩小的局部阻力时，式中的u均应取细管中的流速值。（3）管路系统的总能量损失22udllhef1．4柏努利方程的工程应用①确定管路中流体的流速或流量。②确定容器间的相对位置。6③确定输送机械的有效轴功率。④确定管路中流体的压强。⑤进行管路计算。⑥根据流通力学原理设计各种流量计。应用柏努利方程解题步骤：①根据题意绘出流程示意图，标明流体流动方向。②确定衡算范围，选取上、下游截面，选取截面的原则是：两截面均与流体流动方向相垂直；其次，两截面之间流体必须是连续的；第三，待求的物理量应该在某截面上或两截面间出现；第四，截面上的已知条件最充分，且两截面上的u、p、Z两截面间的fh都应相对应一致。③选取基准水平面，基准面必须与地面平行；为简化计算，常使所选的基准面通过某一衡算截面。④各物理量必须采用一致的单位制，同时，两截面上压强的表示方法要一致。1．4．1管路计算（1）简单管路计算简单管路是由等径或异径管段串联而成的管路。流通经过各管段的流量相等，总阻力损失等于各管段损失之和。（2）并联管路计算流体流经如图所示的并联管路系统时，遵循如下原则：主管总流量等于各并联分管段之和，即321VVVVqqqq各并联管段的压强降相等，即321fffppp各并联管路中流量分配按等压强降原则计算，即335322521151321)(:)(:)(::eeeVVVlldlldlldqqq（3）分支管路计算流体流经如图所示的分支管路系统时，遵循如下原则：主管总流量等于各支管流量之和，即21VVVqqq各单位质量流体在各支管流动终了时的机械能与能量损失之和相等，即20,222210,121122ffhpugZhpugZ1．4．2流量的测量根据流体流动时各种机械能相互转换关系而设计的流量计或流速计有如下两种类型。（1）变压差（定截面）流量计测速管（皮托管）、孔板流量计、喷嘴和文丘里流量计等均属变压差流量计。其中，除测速管测量点速度以外，其余三种测得的均是管截面上的平均速度。对于这类流量计，若采用U形管压差计读数R表示压强差，则流量通式可写作gRCApCAqV)(220007式中C为流量系数，测速管、喷嘴和文丘里流量计的C都接近1；而孔板流量计的C在0.6~0.7之间为宜，对于角接取压法的C0可