化工原理11

第一章流体流动1.1流体静力学1.2流体动力学1.3管内流体流动现象1.4流体流动阻力1.5管路计算1.6流速与流量的测量了解流体流动的基本规律，要求熟练掌握流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用，并在此基础上解决流体输送的管路计算问题。基本要求:1、掌握的内容1）流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取；2）压强的定义、表示法及单位换算；3）流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用；4）流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；5）流动阻力产生的原因，流体在管内流动时流动阻力（直管阻力和局部阻力）的计算；6）简单管路的设计计算及输送能力的核算；7）管路中流体的压力、流速及流量的测量：液柱压差计、测速管（毕托管）、孔板流量计、转子流量计的工作原理、基本结构及计算；8）因次分析法的原理、依据、结果及应用。2、熟悉的内容1）流体的连续性和压缩性、定态流动与非定态流动；2）层流与湍流的特征；3）管内流体速度分布公式及应用；4）哈根-泊谡叶方程式的推导；5）复杂管路计算要点；7）边界层的概念。6）正确使用各种数据图表；3、了解的内容1）牛顿型流体与非牛顿型流体；2）层流内层与边界层，边界层的分离。一、研究流体流动问题的重要性流体是气体与液体的总称。研究流体流动问题也是研究化工单元操作的重要基础流体流动是最普遍的化工单元操作之一；二、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。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。三、流体的特征：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。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。1.1流体静力学1.1.1密度1.1.2压力1.1.3流体静力学平衡方程本节重点：静力学基本方程式及其应用。本节难点：U形压差计的测量。1.1流体静力学单位体积流体的质量，称为流体的密度。Vm1.1.1密度一、定义（1-1）V——流体的体积，m3。式中：ρ——流体的密度，k/mg3；m——流体的质量，kg；二、单组分密度),(Tpf1、液体密度：仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。2、气体密度：气体是可压缩的流体，其密度随压强和温度而变化。因此，气体的密度必须标明其状态。一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的，若条件不同，则密度需进行换算。TPTP式中：p——气体的绝对压力，Pa；T——绝对温度，K上标“′”表示手册中所指定的条件（1-2）实际上，当压力不太高、温度不太低时，气体密度可按理想气体状态方程计算：R——气体常数，其值为8.314J/（mol·K）。（1-3）式中：p——气体的绝对压力，Pa；M——气体的摩尔质量，kg/mol；T——绝对温度，KRTpM004.22TPPMT式中：M——气体的摩尔质量，kg/mol；下标“0”表示标准状态（1-4）或：22.4为标准状态下的摩尔体积，m3/kmol；三、混合物的密度nnm221112,n——气体混合物中各组分的体积分率。（1-5）对于气体混合物，其组成通常用体积分率表示。1、气体混合物的密度：各组分在混合前后质量不变，则有气体混合物的平均密度ρm也可利用式（1-3）计算，但式中的摩尔质量M应用混合气体的平均摩尔质量Mm代替，即RTpMmm（1-6）Mm——混合气体的平均摩尔质量，kg/mol；1122mnnMMyMyMy——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。12,nyyynMMM21,——各纯组分的摩尔质量，kg/mol；（1-7）而对于理想气体，其摩尔分率y与体积分率φ相同。假设各组分在混合前后体积不变，则有2、液体混合物的密度：对于液体混合物，其组成通常用质量分率表示。nnmaaa22111（1-8）naaa21,——液体混合物中各组分的质量分率。n21,——各纯组分的密度，kg/m3。四、比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数，单位为m3/kg。1mVv（1-9）1.1.2压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上又称为压力。一、压力的特性：流体压力与作用面垂直，并指向该作用面任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。二、压力的单位SI制：N/m2称为帕斯卡，以Pa表示。或以流体柱高度表示：ghp用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类如600mmHg，10mH2O等。1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O（1-10）注意：标准大气压的换算关系：三、压力的表示方法1、绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力，是流体的真实压力。真空度=大气压力－绝对压力=－表压2、表压或真空度：大气压为基准测得的压力。表压=绝对压力－大气压力压力的大小常以两种不同的基准来表示：绝对压力绝对压力绝对真空表压真空度1p2p大气压绝对压力与表压、真空度的关系图图1-1绝对压力、表压与真空度的关系一般为避免混淆，通常对表压、真空度等加以标注，如2000Pa（表压），10mmHg（真空度）等，还应指明当地大气压力。1.1.3流体静力学平衡方程一、静力学基本方程设流体不可压缩，.Const重力场中对液柱进行受力分析：（1）上端面所受总压力ApP11方向向下（2）下端面所受总压力ApP22方向向上液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:0)(2112zzgAApAp)(2112zzgppgzpgzp2211压力形式能量形式（3）液柱的重力)(21zzgAG方向向下（1-11）（1-11a）若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为Pa，液柱高度为h，则式（1-11）可改写为：（1-11b）ghppa2式（1-11）、式（1-11a）及式（1-11b）均称为静力学基本方程。对于气体来说，密度随压力变化，但若气体的压力变化不大，密度近似地取其平均值而视为常数时，式（1-11）、式（1-11a）及式（1-11b）也适用。静力学基本方程适用于在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体，如液体。讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）等压面：在静止的、连续的同种流体内，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。（3）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。（4）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，但总和恒为常量。静力学基本方程也反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。（5）式1-11b可改写成hgppa2压力或压力差可用液柱高度表示，此为前面介绍压力的单位可用液柱高度表示的依据。但需注明液体的种类。二、静力学基本方程的应用1.压力及压力差的测量（1）U形压差计设指示液的密度为ρ0，被测流体的密度为ρ。A与A′面为等压面，即：'AApp而)(1RmgppA所以gRgmpRmgp021)(若被测流体是气体，，则有0021RgppgRgmppA02'120()ppgR整理得（1-12）（1-12a）幻灯片58讨论：（1）当用U形压差计测量设备内两点的压差时可将U形管两端与被测两点直接相连，利用R的数值就可以计算出两点间的压力差。（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或真空度；图1-4表压图1-5真空度p1pap1pa（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和测量范围合理选择指示液。常用的指示液有水银、四氯化碳、水和液体石蜡等。思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？gzzgRpp)()(12021p1p2z2RAA’z1已知当地大气压为101.3kPa，水的密度ρ=1000kg/m3，水银的密度ρ0=13600kg/m3。试计算该截面处的压力。例：如图所示，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。图中A-A′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即：'AApp解：而aApp'gRgmppA0gRgmppa0于是或直接计算该处的真空度：Pa4218325.081.9136009.081.910000gRgmppaPa5911725.081.9136009.081.910001013000gRgmppa则截面处绝对压力：幻灯片59U形压差计在使用时为防止水银蒸汽向空气中扩散，通常在与大气相通的一侧水银液面上充入少量水，计算时其高度可忽略不计。由此可见，当U形管一端与大气相通时，U形压差计实际反映的就是该处的表压或真空度。例：如图所示，水在管道中流动。为测得A-A′、B-B′截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R＝150mm，水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。试计算A-A′、B-B′截面的压力差。解：图中，1-1′面与2-2′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即：'11pp'22pp又1'AppgmgRRmgpgRpgRppB002021)('gRRmgpgmpBA0)(所以整理得gRppBA)(0此结果与式（1-12）相同，由此可见，U形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数R有关，而与U形压差计放置的位置无关。代入数据：Pa1854015.081.9)100013600(BApp（2）双液体U管压差计又称为微压计，用于测量压力较小的场合。在U管上增设两个扩大室，内装密度接近但不互溶的两种指示液A和CCA图1--6双液体U管压差计扩大室内径与U管内径之比应大于10。这样扩大室的截面积比U管截面积大得多，即可认为即使U管内指示液A的液面差R较大，但两扩大室内指示液C的液面变化微小，可近似认为维持在同一水平面。于是有：)(21CARgpp(1-13)由上式可知，只要选择两种合适的指示液，使)(CA较小，就可以保证较大的读数R。幻灯片60（3）斜管压差计sin'RR式中α为倾斜角，其值越小，则读数放大倍数越大。当所测量的流体压力差较小时，可将压差计倾斜放置，即为斜管压差计，用以放大读数，提高测量精度。此时，R与R’的关系为：（1-14）7（4）倒U形压差计RgRgpp)(021（1-15）若被测流体为液体，也可选用比其密度小的流体（液体或气体）作为指示剂，采用倒U形压差计形式。图1--8倒U形压差计最常用的倒U形压差计是以空气作为指示剂（5）复式压差计适用于压差较大的情况。例：如图所示，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。教材P222.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(1-16)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。9（2）远距离液位测量装置管道中充满氮气，其密度较小，近似认为：BA