化工原理课件_天大版

第一章流体流动•学习指导•一、基本要求:•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。•二、掌握的内容•流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取；•压强的定义、表示法及单位换算；•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；•流动型态及其判断，雷诺准数的物理意义及计算；•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；•简单管路的设计计算及输送能力的核算；•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；•因次分析法的原理、依据、结果及应用。•3、了解的内容•牛顿型流体与非牛顿型流体；•层流内层与边界层，边界层的分离。第一节流体的重要性质•1.1.1连续介质假定把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。流体微团（或流体质点）：宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。u液体气体流体密度——单位体积流体的质量。Vmkg/m31.单组分密度),(Tpf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。1.1.2流体的密度气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：RTpM注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度下之值，若条件不同，则需进行换算。2.混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变，则有nn2111m——气体混合物中各组分的体积分数。n21,或RTpMmmmM——混合气体的平均摩尔质量；nn2211myMyMyMMn21,yyy——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有nn2211m1n21,——液体混合物中各组分的质量分数。比容——单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。1mVvm3/kg比重(相对密度)：某物质的密度与4℃下的水的密度的比值，用d表示。,4水Cd34/1000mkgC水1.1.3流体的可压缩性与不可压缩流体•一、液体的可压缩性——在一定温度下，外力每增加一个单位时，流体体积的相对缩小量。dpddpd11二、不可压缩流体密度为常数的流体。三、流体的流动性——流体不能承受拉力1.1.4流体的黏性•一、牛顿黏性定律流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。——流体阻力产生的依据AyuFxAyuFx对许多种流体，当流动是层状流（如流动较慢）时，力F与△u、面积A成正比，与△y成反比，如加一比例系数μ，则可表示为：dydu——牛顿粘性定律式中：速度梯度：比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。剪应力：单位面积上的内摩擦力，以τ表示。AF适用于u与y成直线关系yux当取极限，即△y→0时，有：二、流体的黏度•1)物理意义dydu：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来2)粘度与温度、压强的关系a)液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。b)气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。3）粘度的单位在SI制中：dydu/msmmN)/(/22.mSNSPa.在物理单位制中，dydu/cmscmcmdyn2/2.cmsdynscmg.泊）(PPCPsPa1010001SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为：4)混合物的粘度对常压气体混合物：2121iiiiimMyMuy对于分子不缔合的液体混合物：iimuxlglg5）运动粘度v单位：SI制：m2/s；物理单位制：cm2/s，用St表示。smcStSt/10100124三、理想流体与黏性流体•黏性流体（实际流体）：具有粘性的流体；•理想流体：完全没有黏性（μ=0）的流体。（是假设存在的）1.2流体静力学••本节重点：静力学基本方程式及其应用。•难点：U形压差计的测量。1.2.1流体的受力dAdFt1VgFg表面力体积力流体所受的力切向力法向力如重力、离心力等，属于非接触性的力。体积力（质量力）：与流体的质量成正比；表面力（机械力）：与力作用的面积成正比。如重力：切向应力：切向应力：dAdFnn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。1.压力的单位SI制：N/m2或Pa；或以流体柱高度表示：ghp其它常用单位有：atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。1.2.2静止流体的压力特性2.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－绝对压力表压=－真空度PabarOmHmmHgcmkgfatm522100133.10133.133.10760/033.11换算关系为：PabarOmHmmHgcmkgf42210807.99807.0106.735/11工程大气压3）真空度：真空表的读数真空度=大气压强-绝对压强=-表压绝对压强、真空度、表压强的关系为绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。zp+(yxpp+(p/x)dxpp+(p/y)dypp+(p/z)dz作x方向力的平衡，有:dxdydzgxpdydz0)(dydzdxxpp0xpgx同理，有：0ypgy0zpgz0pBMF哈密顿算子zyxkji1.2.3流体静力学基本方程------流体静力学微分方程式(或称为欧拉方程)•欧拉方程推论：•由方程知p不是x，y（水平方向）的函数，仅与垂直坐标z有关。因此，当流体不可压缩（ρ=常数）时，欧拉方程积分可得：常数gzp(1-11)通常液体视为ρ=0，在静止液体内部的不同高度处任取两平面z1和z2，设两平面的压力分别为p1和p2。+p1Z0Z2Z1dZpp+dpGAP1P2对dZ段，由于流体静止，有：0F0)d(gAdZApppAρ0ddZgpρ对不可压缩流体，ρ=const常数ρgZp流体静力学方程2211gZpgZpρρ)(2112ZZgppρ对平面1-1和2-2处，则有假设z1取在液面上，并设对应压力为p0，则有p=p0+ρgh表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。2、方程的讨论•1）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：hPfP,02）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关，即：hP处于同一水平面上各点的压强相等。3）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。4）从流体静力学的推导可以看出,它们只能用于静止的连通着的同一种流体的内部，对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系。5）ghPP0可以改写成hgPP0压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。6)方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况。例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密度31/800mkg，水层高度h2=0.6m，密度为32/1000mkg1）判断下列两关系是否成立PA＝PA’，PB＝P’B。2）计算玻璃管内水的高度h。解：（1）判断题给两关系是否成立∵A，A’在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上'AAPP因B，B’虽在同一水平面上，但不是连通着的同一种液体，即截面B-B’不是等压面，故不成立。'BBPP（2）计算水在玻璃管内的高度h'AAPPPA和PA’又分别可用流体静力学方程表示设大气压为Pa21ghghPPaA水油aAPghP水''AAPPghPghghPaa水水油21h10006.010007.0800mh16.11.2.4流体静力学方程的应用一、压力与压力差的测量1.U型管压差计baPP根据流体静力学方程RmgPPBa1gRmzgPPABb)(2)(21gRmzgPRmgPABBgz21ABAgRPP当被测的流体为气体时，可忽略,则BBA，——两点间压差计算公式gRPPA21若U型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差，也就是被测流体的表压。当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措施：两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U型管压差计、采用微差压差计。当管子平放时：gRPPBA212.倾斜U型管压差计假设垂直方向上的高度为Rm，读数为R1，与水平倾斜角度αmRRsin1sin1mRR2)微差压差计U型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室,其内径与U型管的内径之比＞10，装入两种密度接近且互不相溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶,ρA＞ρC。根据流体静力学方程可以导出：gRPPCA21——微差压差计两点间压差计算公式例：用3种压差计测量气体的微小压差PaP100试问：1）用普通压差计，以苯为指示液，其读数R为多少？2）用倾斜U型管压差计，θ=30°，指示液为苯，其读数R’为多少？3）若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大室截面积远远大于U型管截面积，此时读数R〃为多少？R〃为R的多少倍？已知：苯的密度3/879mkgc水的密度3/998mkgA计算时可忽略气体密度的影响。解：1）普通管U型管压差计gPRC807.9879100m0116.02）倾斜U型管压差计30sin'gPRC3）微差压差计gPRCA0116.00857.0RR故：5.0807.9879100m0232.0807.9879998100m0857.039.7二、液位的测量液位计的原理——遵循静止液体内部压强变化的规律,是静力学基本方程的一种应用。液柱压差计测量液位的方法：•由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度。•当R＝0时，容器内的液面高度将达到允许的最大高度，容器内液面愈低，压差计读数R越大。远距离控制液位的方法：压缩氮气自管口经调节阀通入，调节气体的流量使气流速度极小，只要在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出即可。压差计读数R的大小，反映出贮罐内液面的高度。例：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两相界面位置，已知两吹气管出口的间距为H＝1m，压差计中指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为800kg/m3、1000kg/m3、13600kg/m3。求当压差计指示R＝67mm时，界面距离上吹气管出口端距离h。解：忽略吹气管出口端到U型管两侧的气体流动阻力造成的压强差，则：21,ppppbahHghHgPa水油1（表）1gHPb油(表）gRppHg21gR