第一章---流体流动--教案(共8页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第一章 流体流动（Fluid flow)概 述一、为什么要学习这章？1 流体：气体和液体统称为流体。在化工生产中，所处理的物料有很多是流体。根据生产要求，往往需要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备。除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流动下进行的。流体流动的状态对这些单元操作有着很大影响。为了深入理解这些单元操作的原理，就必须掌握流体流动的基本原理。可以说流体流动的基本原理是本课程的重要基础。 二、流体流动的性质1流体流动是连续的。因为它作为一个整体运动的同时，内部有相对运动。2实质：并非指其内部分子的运动（静止流体的分子是运动的），而是由内部质点的运动来体现。流体内部无数质点运动的总和，就为流体流动。3质点及流体流动连续性：指大量分子构成的集团，但其大小与管路线容器的尺寸相比仍微不足道。因此，可用统计平均方法来思考问题。这样可摆脱复杂的分子运动从宏观的角度来研究流体的流动规律。4不可压缩流体：流体的体积（密度）如果不随压力及温度变化，5可压缩流体：流体的体积（密度）如果随压力及温度变化， 第一节 流体静力学的基本方程11 密度、比重、重度一、密度1单位体积流体的质量，称为密度。Kg/m3（SI）；=m/v2对任何一种流体，其密度随其所具有的压力和温度而变化, =f(P.T)3理想气体的密度：标准状态下 ( 1atm，oc )，22.4 m3/kmol理想气体定律PV = m/M·RT; = m/v = PM/RT, =o·ToP/TPo（同一气体在不同状态下的密度计算式）混合物平均分子量Mm = M1y1+M2y2+M1、M2：气体混合物各组分的分子量y1、y2 气体混合物各组分的摩尔分率。若用 表示混合气体的体积分率，则气体平均密度为：m=11+22+ 4液体混合物的平均密度若混合前后体积变化不大或不变，则1Kg 混合液的体积=各组分单独存在的体积之和，此时混合液的平均密度m1/m = a1/1+a2/2+a1 、a2 液体混合物中各组分的质量分率1、2 液体混合物中各组分的密度，kg/m3 5比容,=1/二、比重（d）物质的密度对水的密度之比。d=d物/d水三、重度（）单位体积的重量，工程单位为 Kgf/ m3四、重度与密度关系 =g, 以 Kgfs2/ m4 为单位。 12 压力（压强）1定义：流体垂直作于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强，习惯上称为压力。2压力的单位：SI：N/M2，Pa，工程单位：Kgf/m2，常见的单位还有atm(标准大气压），某流体柱高度m, Bar,或 Kgf/cm2等，互相关系为：1atm = N/m2 = 101.3KN/m2 = Kgf/m2 = 1.033 Kgf/cm2 = 10.33 = 760mmHgKgf/cm2称为工程大气压（at）3压力的计量基准1）绝对压力和表压压力可以有不同的计量基准，如以绝对真空（零大气压）为基准，则称为绝对压力（absolute pressure）；如以当地大气压为基准，则称为表压（gauge pressure）,相互关系为：表压 = 绝对压力 - 大气压力（压力表读数并非表内压力的实际值，而是表内压力比表外大气压高出的值，即为表压。）2）真空度（Vacuum）被测流体的绝对压力少于大气压时，其低于大气压的数值称为真空度。即：真空度 = 大气压力 - 绝对压力注意：真空表上的读数为真空度，记录时要注出当时当地的大气压。3）绝对压力、表压、和真空度的关系（P9） 测定压力 表压 真空度 大气压 测定压力绝对压力 绝对压力 大气压 绝对压力为零 （测定压力 > 大气压） （测定压力 < 大气压） 例：某台离心泵进、出口压力表读数为220mmHg（真空度）及1.7kgf/cm2（表压），若当地大气压力为760 mmHg，试求它们的绝对压力各为若干（以法定单位表示）?（Pa）解：泵进口绝对压力P1= 大气压力 - 真空度 = 760 220 = 540mmHg = 7.2 * 104Pa 泵出口绝对压力P2= 表压 + 大气压力= 1.7 + 1.033 = 2.7331 kgf/cm2 = 2.68×105 Pa 13 流体的静力平衡一、流体静压力1定义：静止流体内部任一点的压力，称为流体静压力。2特点：（1）流体静压力的方向与作用面相垂直。（2）从各方向作用于某一点上的流体静压力相等。（3）同一水平面上各点的流体静压力都相等。（4）流体静压力随位置高低而变。 P1二、流体静止的基本方程1基本方程式的推导如右图示，考虑一垂直流体柱，其底面积为A。, 在底面 P+ dp以上高度为Z1的水平面上，流体柱所受的压力为P1，此 dz Z1处流体密度为；在底面以上高度为Z2的水平面上, 流体 Z柱所受的压力为P2。在垂直方向上流体柱所受的力。 P 分析：作用于此薄层上的力有三个： g Adz Z2（1） （1）向上作用于薄层下底的总压力 PA P2（2） （2）向下作用于薄层上底的总压力（P+dp）A A（3）向下作用的重力 gA·dz设向上作用力为正，向下为负，则静止时三力之和为0，故 PA - (P + dp) A - gAdz = 0 dp + gdz = 0不定积分 P+gz =常数，为常数，故P/+gz =常数若积分上、下限取高度等于Z1、Z2的两个平面，作用于这两平面上的压力分别为P1与P2，则 （P1-P2）/g = Z1 - Z2 ， P2 = P1+g( Z1 - Z2) 或 P1/g+ Z1 = P2/g + Z2 则 P2 = P0 + gh P0 P1  Z1 h = Z1 Z2此为流体静力学基本方程式 Z22公式的物理意义（1）静止流体内部某一水平面上的压力与其位置及流体的密度有关，所在位置越低则压力越大。（2）压力P2随P1而变，即液面上所受的压力能以同样大小传递到液体内部。（巴斯噶定理）（3）压力或压力差可以用一定高度的流体柱表示。注意：公式应用范围：一定，流体只有一种且是不间断的。3方程式中各项的意义：Z1+P1/g= Z2+P2/g（P：kgf/m2, :kgf·s2/m4，g : m/s2，故P/g = m） Z：流体距基准面的高度，称为位压头（Potential head），P/g：称为静压头（Static head），或单位重量流体的静压能（Pressure energy）（把重量流体从基准面移到高度后，该流体具有的位能为mgz，单位重量流体的位能，则为mgz/mg=z举例 （P12） 14 流体静力学基本方程式的应用一、压力测量（1）U管压差计（Utube manometer）要求：指示液A与流体B不互溶，P1>P2时，指示液在U 管的两侧臂上便显示出高差R。 P1 P2 a、b两点的静压力相等，Pa = P b B Z 根据方程式 Pa = P1+Bg (z+R) c P b= P2+Bg z+A g R BPa = P b P1+Bg (z+R) = P2+Bg z+A g R R整理得 P1 - P2=（A - B）g R a b对气体B很小，故P1- P2=A g R注：读数R所反映的是被测流体的表压力。 P1 P2 A ·A P1 P2 B（2）双液体U管压差计所测压力差很小，则用此压差计 P1 P2构造：A、C两种密度匀背有不同的指示液 C推导：Pa = P b R Pa = P1+ P1+ P1+C g R Pa A A Pb Pb = P2+ P2+ P2+A g R 又因为P1= P2，P1= P2P1 +C g R= P2 +A g R即 P1 - P2 =（A-C）g R举例P12-P13第三节 管内流体流动现象 19 粘度一、牛顿粘性定律流体沿固体面流过，中心速度最大，边上为零 ，层与层之间形成磨擦。实验证明：对于一定的液体，上下两板的速度变化率u /y愈大，作用的剪应力也愈大，即： = · u /y（1） （1）       ：粘度单位：(cgs) 达因·秒/厘米 = 克/厘米·秒 = 泊（P）= 100厘泊（CP） SI：kg/ms , Pa·S 工程单位：kgf·S/m2（2）：剪应力，u /y：速度梯度（3）流体的粘度性质粘度随温度而变，温度升高，液体的粘度减小，气体的粘度增大，压力变化时，液体粘度基本上不发生变化，一般来说，全体粘度亦可视为不随压力而变，只有压力P > 40 atm 时才考虑。（4）牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型：符合牛顿粘性定律的流体（气体及大部分液体）。非牛顿型流体：稠厚或悬浮液，不符合牛顿粘性定律 =/ 运动粘度 cm2 / s 斯（s） SI：m2 / s 110 流动型态流体内部分层流动情况，只有在流速较小时才明显。 Reynolds：用实验观察内部情况及各种因素对流动情况的影响。一、雷诺实验二、雷诺准数1影响流体流动状况的因素：流速u，管径d，流体粘度及密度2雷诺准数 Re = du/= m (m / s)(kg / m3) / (kg/m·s) = m°kg°s°没有单位无因次群或准数，但数群中的物理量必须用同一种单位制度。1 1  流动形态的判断（1）层流 (滞流) Re<2000（2）湍流 Re>4000（3）过度流 2000<Re<40004雷诺准数所反映的是流体流动中惯性力与粘性力的对比关系。解释：因为u kg / m3 * m / s kg / m2 · s 过单位截面积时质量流量 ms u2 =u · u = mu (表示：单位时间通过单位管截面积的动量。质量越大，动量越大，故此值可看成与单位截面积的惯性力成比例。) u / d 反映流体内部速度梯度 z = M · u / d 剪应力或粘性力 而：u2/ ·（u / d） = du/= Re = 惯性力 / 粘性力则若流体速度大，粘度小，Re愈大，则惯性力占主导。 若流体速度小或粘度大，Re小，表示粘性力占主导。 可见：惯性力加剧湍动、粘性力抑制湍动。例110 （P31）  111 管内层流与湍流的比较1速度分布：流体在圆管内流动时，管截面上各点的速度U随该点与管中心的距离而变，此种变化关系称为速度分布。2层流时，管内流体严格地分成无数同心圆筒 流体层向前运动。实验：速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零，平均速度为最大速度的一半。可用牛顿粘性定律。 3湍流：靠近管壁处，位于层流层，沿半径方向的速度梯度较大。附在管壁上的一层流体的流速为零。管中心部分产生旋涡，但管内流体是在稳定情况下流动的。对整个管道截面来说，流体的平均速度是不变的。  专心-专注-专业