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化工第二章第1页，此课件共56页哦简介气体和液体统称为气体和液体统称为流体流体。流体的主要特征流体的主要特征 具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；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。受外力作用时内部产生相对运动。本章的研究对象本章的研究对象 流体流动规律，即流体在生产装置内的整体机流体流动规律，即流体在生产装置内的整体机械运动。械运动。流体的连续性假定流体的连续性假定 流体是由许多质点组成的，彼此间没有间隙，完流体是由许多质点组成的，彼此间没有间隙，完全充满所占有空间的连续性介质。全充满所占有空间的连续性介质。理想流体理想流体：无粘性，在流动中不产生摩擦阻力的流体。：无粘性，在流动中不产生摩擦阻力的流体。第2页，此课件共56页哦1 1 流体静力学流体静力学流体静力学：研究流体在静止状态下平衡的规律。1-1 1-1 密度和相对密度密度和相对密度密度密度：单位体积流体所具有的质量，用表示，单位是km-3。相对密度相对密度：物质密度与4时纯水密度之比，用d表示。硫酸的相对密度d=1.84，即硫酸的密度为1840km-3。第3页，此课件共56页哦化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于对于1kg1kg液体混合物液体混合物(忽略体忽略体积的影的影响响)：对于对于1m1m3 3气体混合物气体混合物:w wi i为各组分液体的质量分数；为各组分液体的质量分数；ji i为气体混合物中各组分的体积分数；为气体混合物中各组分的体积分数；第4页，此课件共56页哦1-2 压强压力压力：流体作用于容器壁上的力压强压强：流体垂直作用于单位面积上的力，即：P=F/A压强SI单位：Nm-2，即Pa（帕斯卡）其他单位：atm,kgf-2，bar,流体柱高度(mH2O,mmHg)，换算关系如下：1atm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033kgf-2=1.01325bar1工程大气压=735.6mmHg=9.807104Pa=10mH2O=1kgf-2=0.9807bar第5页，此课件共56页哦1、以绝对零压为起点而计量的压强绝对压强绝对压强2、以大气压力为基准而计量的压强当被测容器的压强高于大气压时所测压强称为表压表压（用压力表测（用压力表测定）定），当测容器的压强低于大气压时所测压强称为真空度真空度（用真空（用真空表测定）表测定）。换算关系：换算关系：表压绝对压强表压绝对压强-大气压强大气压强真空度大气压强真空度大气压强-绝对压强绝对压强压强的表达方式*为避免混淆绝对压强、表压、真空度，为避免混淆绝对压强、表压、真空度，在表示时应分别注明！在表示时应分别注明！第6页，此课件共56页哦例：天津和兰州的大气压强分别为101.33kPa，和85.3kPa，苯乙烯真空精馏塔的塔顶要求维持5.3kPa的绝对压强，试计算两地真空表的读数（即真空度）。解：真空度=大气压强-绝对压强天津真空度=101.33-5.3=96.03kPa兰州真空度=85.3-5.3=80kPa第7页，此课件共56页哦例：有一密闭反应器，在反应前，旧式压力表上显示压强为0.40kgfcm-2，反应终了并经冷却后，U形水银压强计示数为250mm（真空度），问该反应器内，反应前后的绝对压强各为多大？解：(1)反应前压力表指示为正压绝压 p=p0+p(表)=1.01105Pa+0.409.81104Pa =1.40105Pa(2)反应后压力表指示为真空度，即为负压绝压 p=p0-p(真)=1.01105Pa-250133Pa=6.78104Pa第8页，此课件共56页哦例：求空气在真空度为400mmHg、温度为-40时的密度。当地大气压为750mmHg。解：空气（以79的氮和21的氧计算）的摩尔质量为：Mm=(280.79+320.21)10-3 kgmol-1 =2.88410-2 kgmol-1绝对压强p=p0-p(真)=(750-400)mmHg=350mmHg=46.7kPa由理想气体状态方程算出的空气密度为第9页，此课件共56页哦1-3 流体静力学方程（一）流体静力学基本方程推导：（一）流体静力学基本方程推导：1、重力：F=A(Z1-Z2)g 方向向下2、作用在上表面的压力：F1=P1A 方向向下3、作用在下表面的压力：F2=P2A 方向向上 F+F1+F2=0 P2=P1+(Z1-Z2)g 或 p1/+Z1g=p2/+Z2g若将液体柱向上移至液面，而液面上方压强为p0，液体柱高度差Z1-Z2=h，h下表面距液面的深度，则可将上式改写为：P2=P0+hg流体静力学基本方程流体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，若气体密度变化不大亦适用第10页，此课件共56页哦(二二)静力学基本方程的物理意义静力学基本方程的物理意义1等压面等压面 在静止的、连续的同一种液体静止的、连续的同一种液体内，处于同一水平面同一水平面上各点的静压强相等（静压强仅与垂直高度有关，与水平位置无关）。2传递定律传递定律 流体上方压强变化时，液体内部各点的压强也以同样大小变化(帕斯卡原理）。3.压强压强p p与其流体的密度有关与其流体的密度有关4液柱高度表示压强（或压强差）大小液柱高度表示压强（或压强差）大小 h=(p-p0)/g 5总势能守恒总势能守恒 p/和zg分别表示单位质量流体所具有的静压能和位能。在同一种静止流体中不同高度上的微元其静压能和位能各不相同，但其总势能保持不变。第11页，此课件共56页哦例：本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m、密度2=1000kg/m3。（1）判断下列两关系是否成立，即 pA=pA pB=pB（2）计算水在玻璃管内的高度h。第12页，此课件共56页哦解：（1）判断题给两关系式是否成立pA=pA的关系成立。因A与A两点在静止的连通着的同一流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。pB=pB的关系不能成立。因B及B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截面B-B不是等压面。第13页，此课件共56页哦（2）计算玻璃管内水的高度h由上面讨论知，pA=pA，而pA=pA都可以用流体静力学基本方程式计算，即 pA=pa+1gh1+2gh2 pA=pa+2gh于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh简化上式并将已知值代入，得 8000.7+10000.6=1000h解得 h=1.16m第14页，此课件共56页哦1-4 流体静力学方程应用举例1.流体压力的测量（1）U U形管压强计（压差计）形管压强计（压差计）管中盛有与测量液体不互溶、密度为0的指示剂。U形管的两个侧管分别连接到被测系统的两点,得：p p=p p1 1 p p2 2=(=(0 0 )gRgR p p=p p1 1 p p2 2=0 0 g g R R若被测量的流体是气体，则：Z0AA第15页，此课件共56页哦设指示液的密度为i，被测流体的密度为，A和A点在同一水平面上，且处于连通的同种静止流体内，因此，A和A点的压力相等：而 所以 整理得 若被测流体是气体，由于气体的密度远小于指示剂的密度，即：i，上式可以简化为：第16页，此课件共56页哦例 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R150mm，试计算A-A、B-B截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600 kg/m3。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:又 第17页，此课件共56页哦U 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、读数差值有关。数差值有关。所以 整理得 代入数据 与U形压差计的式子一样第18页，此课件共56页哦它以被测液体作为指示剂，采用如图所示的倒U形压差计形式。最常用的倒U形压差计是以空气作为指示剂，此时，（2）倒置倒置U U形管压强计（压差计）形管压强计（压差计）第19页，此课件共56页哦（3）微差压强计（双液体微差压强计（双液体U U管压差计）管压差计）为测量微小压力差，常采用微差压强计，可用于气体系统的测量。结构如图：若两种指示液的密度分别为A和C，两测压点之间的压力差为：第20页，此课件共56页哦（4）斜管压差计斜管压差计 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，如图 此时，R与R的关系为式中为倾斜角，其值越小，则读数放大倍数越大。第21页，此课件共56页哦例 用U形压差计测量某气体流经水平管道两截面的压力差，指示液为水，密度为1000kg/m3，读数R为12mm。为了提高测量精度，改为微差压力计，指示液A为含40乙醇的水溶液，密度为920 kg/m3，指示液C为煤油，密度为850 kg/m3。问读数可以放大多少倍？此时读数为多少？解：用U形压差计测量时，被测流体为气体，压强差为：用微压差计压差计测量时，压强差为：因为所测压力差相同，联立以上二式，可得放大倍数 此时双液体U管的读数为第22页，此课件共56页哦液位计液位计液位计液位计化工生产中指示生产设备内物料贮存量的仪表。证明：pA=pBpA=p1+gh1pB=p2+gh2p1+gh1=p2+gh2因玻璃管上部与容器相通，故p1=p2 因此 h1=h2，即玻璃管内的液位与容器内液位等高。思考：如何证明玻璃管内的液位与容器内液位等高？第23页，此课件共56页哦液封液封 液封，用液体的静压来封闭气体通道的装置，用以防止贮气柜或气体洗涤塔等生产设备内气体外溢。也可用于设备超压时泄压和防止气体倒流等。为安全起见，一般h值应略大于(p-pa)/(水g)第24页，此课件共56页哦2 流体流动2-1 2-1 流体的流量和流速流体的流量和流速流量流量单位时间内通过导管任一截面的流体量称为单位时间内通过导管任一截面的流体量称为流量流量(或或流率流率)。用体积来计量，为用体积来计量，为体积流量体积流量，以符号，以符号q qv v表示，单位表示，单位m m3 3s s-1-1；用质量来计量，为用质量来计量，为质量流量质量流量，以符号，以符号q qm m表示，单位表示，单位kgskgs-1-1；用物质的量表示，为用物质的量表示，为摩尔流量摩尔流量，以符号，以符号q qn n表示，单位表示，单位molsmols-1-1。质量流量与摩尔流量的关系为质量流量与摩尔流量的关系为：体积流量和质量流量的关系为：体积流量和质量流量的关系为：第25页，此课件共56页哦流速流速单位时间内流体在导管内沿流动方向所流过的距离称为流速，以u表示，单位为 ms-1。u=qV/S S与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2实际流体在管道内同一截面上各点的流速不相同，存在着流速分布。通常说的流速是指平均流速。平均流速以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：第26页，此课件共56页哦管径与流速的关系一般化工管道为圆形，则：流量是由生产任务决定，流速的大小与管路建设投资和运行操作费用密切相关。因此，应选择最佳的经济流速。流体的种类及状况流速范围/ms-1流体的种类及状况流速范围/ms-1水及低粘度液体13压力较高的气体1525粘度较大的液体0.518大气压以下的饱和水蒸气4060低压气体8153大气压以下的饱和水蒸气2040易燃易爆低压气体（如乙炔等）4000查表20的纯水，密度=998 kg/m3，粘度=10-3Pas;同心套管的当量直径de=D-d=(27-21.3)mm=5.7mm体积流量达到1.5210-4m3s-1时才能达到稳定湍流。第37页，此课件共56页哦2-4 牛顿粘性定律粘性粘性是流体流动时产生的阻碍流体流动的内摩擦力。粘度粘度是衡量流体粘性大小的物理量。对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层间的速度差u呈正比，与两层间的接触面积A呈正比，而与两层间的垂直距离y呈反比，即：F F(u u/y y)A A 引入比例系数，则：F F(u u/y y)A A 只适用于u u与与y y呈呈直线关系直线关系第38页，此课件共56页哦du/dy速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率比例系数，称为动力粘度或粘度。流体在管内流动时，速度分布呈抛物线形内摩擦应力或剪应力，Nm-2；牛顿粘性定律牛顿粘性定律第39页，此课件共56页哦流体的粘度流体的粘度 物理意义物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。影响因素影响因素液体的粘度，随温度的升高而降低，压力对其影响可忽略不计；气体的粘度，随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。第40页，此课件共56页哦单位SI单位制：物理单位制：换算关系：1P100cP(厘泊)10-1 Pas 第41页，此课件共56页哦（1）气体在一定直径的圆管中流动，如果qm不变，温度升高，Re是否有变化?思考：思考：（2）在相同的温度和压力下，如果空气和水分别在相同的圆管中以相同的qv流动，它们的Re数是否相同?第42页，此课件共56页哦2-5 流动边界层流体在平板上流动时的边界层：主流区主流区边界层区边界层区边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。（u=0 99%u0）主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。（u 98%u0）第43页，此课件共56页哦边界层流型边界层流型第44页，此课件共56页哦流体在圆管内流动时的边界层流体在圆管内流动时的边界层 稳定段长度(L0)：流体流动从管道入口开始形成边界层起直到发展到边界层在管道中心汇合为止的长度。层流：层流：湍流：湍流：第45页，此课件共56页哦边界层的分离边界层的分离 A B：流速逐渐增加，压力逐渐减小；B点流速最大；B C：流速逐渐减小，压力逐渐增加；CC以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，边界层分离。A AD DB BC CCC分离点倒流驻点第46页，此课件共56页哦（1）流体沿壁面流动可简化为边界层区和主流区。边界层内由于 du/dy值较大，粘性应力不可忽视。在主流区内，du/dy0，可忽略粘性应力，此区流体可视为理想流体。（2）流体在圆管内流动时，测量仪表应安装在进口段以后。（3）边界层概念的提出对传热与传质的研究具有重要意义。讨论边界层的意义讨论边界层的意义第47页，此课件共56页哦2-6 动量传递概念动量梯度运动粘度沿动量传递的方向速度减小剪应力的量纲：层流流动时的动量传递速率方程：湍流时总体动量传递速率：高度湍流时，层流内层和过渡层的动量传递速率可忽略。第48页，此课件共56页哦粘度与密度的比值表示，称为运动粘度，以符号表示 SI单位制：m2s-1 物理单位制：cm2s-1(沲，st）1st=100 cst(厘沲)=10-4m2s-1运动粘度运动粘度第49页，此课件共56页哦例 在168mm5mm的无缝隙钢管中输送原料油，已知油的运动粘度为 90cst，密度为 910 kgm-3，试求燃料油在管中作层流时的临界速度。解：层流时Re的临界值为2000，其中 d=168-25=158mm=0.158m =/=90cst=9010-210-4m2s-1=910-5m2s-1整理得：燃料油在管中作层流时的临界速度为1.14ms-1。第50页，此课件共56页哦2-7 2-7 流速分布流速分布层流层流如上图所示，流体在圆形直管内作定态层流流动。在圆管内，以管轴为中心，取半径为r、长度为l的流体柱作为研究对象。由压力差产生的推力由压力差产生的推力 流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力 第51页，此课件共56页哦流体在管内作定态流动，根据牛顿第二定律，在流动流体在管内作定态流动，根据牛顿第二定律，在流动方向上所受合力必定为零。即有方向上所受合力必定为零。即有整理得 利用管壁处的边界条件，r=R时，点速度u为0，积分可得速度分布方程：管中心流速为最大，即r0时，u=umax 整理得 因此，圆管内流体作定态层流流动时的流速呈抛物线分布。第52页，此课件共56页哦Rrdr根据管截面的速度分布，可求得通过管道整个截面的流量，如图所示：因为在整个截面积上积分，可得：根据流量相等的原则，确定出管截面上的平均速度为 若用p代替(p1-p2)，用直径d代替半径R，则：哈根泊谡叶哈根泊谡叶(Hagen-Poiseuille)(Hagen-Poiseuille)方程方程第53页，此课件共56页哦层流时，管内流速具有以下特点：层流时流速沿管径呈抛物线分布管中心处流速最大管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的0.5倍；第54页，此课件共56页哦湍流时的速度分布目前尚不能利用理论推导获得，而是通过实验测定，其分布方程通常表示成以下形式：n与Re有关，取值如下：当n=1/7时，推导可得流体的平均速度约为管中心最大速度的0.82倍，即u0.82umax。湍流湍流第55页，此课件共56页哦湍流时管内流速分布特点：湍流时管内流速分布特点：管截面靠中心部分速度分布较平坦，靠管壁处质点的速度骤然下降湍流的流速分布曲线与雷诺数大小有关，湍流的平均速度约为最大速度的0.8倍。湍流时的速度分布第56页，此课件共56页哦