【正文】 化工原理 Principles of Chemical Engineering 流體流動 第一章 流體流動 Fluid Flow 內(nèi)容提要 流體的基本概念 靜力學(xué)方程及其應(yīng)用 機械能衡算式及柏努 利方程 流體流動的現(xiàn)象 流動阻力的計算、管路計算 第一章 流體流動 .學(xué)習(xí)要求 1. 本章學(xué)習(xí)目的 通過本章學(xué)習(xí) ， 重點掌握流體流動的 基本原理 、 管內(nèi)流動的規(guī)律 ， 并運用這些原理和規(guī)律去分析和解決流體流動過程的有關(guān)問題 ， 諸如： （ 1） 流體輸送： 流速的選擇 、 管徑的計算 、 流體輸送機械選型 。 （ 2） 流動參數(shù)的測量 ： 如壓強 、 流速的測量等 。 （ 3） 建立最佳條件： 選擇適宜的流體流動參數(shù) ，以建立傳熱 、 傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的最佳條件 。 2 本章應(yīng)掌握的內(nèi)容 （ 1） 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用； （ 2） 連續(xù)性方程 、 柏努利方程的物理意義 、 適用條件 、 解題要點； （ 3） 兩種流型的比較和工程處理方法； （ 4） 流動阻力的計算； （ 5） 管路計算 。 3. 本章學(xué)時安排 授課 1012學(xué)時 . 概述 流體動力學(xué)問題： 流體靜力學(xué)問題： 圖 11 煤氣洗滌裝置 確定流體輸送管路的直徑，計算流動過程產(chǎn)生的阻力和輸送流體所需的動力。 根 據(jù)阻力與流量等參數(shù)選擇輸送設(shè)備的類型和型號，以及測定流體的流量和壓強等。 流體流動將影響過程系統(tǒng)中的傳熱、傳質(zhì)過程等，是其他單元操作的主要基礎(chǔ)。 圖 11 煤氣洗滌裝置 概述 流體的分類和特性 氣體和流體統(tǒng)稱流體。流體有多種分類方法： （ 1） 按狀態(tài)分為氣體 、 液體和 超臨界流體等； （ 2） 按可壓縮性分為不可壓流體和可壓縮流體； （ 3） 按是否可忽略分子之間作用力分為理想流體與粘 性流 體 （ 或?qū)嶋H流體 ） ； （ 4） 按 流變特性可分為牛頓型和非牛傾型流體； 流體區(qū)別于固體的主要特征是具有流動性 ， 其形狀隨容器形狀而變化；受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運動 。流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦從而構(gòu)成了流體力學(xué)原理研究的復(fù)雜內(nèi)容之一 流體流動的考察方法 在物理化學(xué) （ 氣體分子運動論 ） 重要考察單個分子的微觀運動 ， 分子的運動是隨機的 、 不規(guī)則的混亂運動 。 連續(xù)性假設(shè) (Continuum hypotheses) 在化工原理中 研究流體在靜止和流動狀態(tài)下的規(guī)律性時 ， 常將流體視為由無數(shù)質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì) 。 連續(xù)性假設(shè) :假定流體是有大量質(zhì)點組成 、 彼此間沒有間隙 、 完全充滿所占空間連續(xù)介質(zhì) ， 流體的物性及運動參數(shù)在空間作連續(xù)分布 ， 從而可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述 。 流體流動的考察方法 ① 拉格朗日法 選定一個流體質(zhì)點 ， 對其跟蹤觀察 ， 描述其運動參數(shù) （ 位移 、 數(shù)度等 ） 與時間的關(guān)系 。 可見 ， 拉格朗日法描述的是同一質(zhì)點在不同時刻的狀態(tài) 。 ② 歐拉法 在固定的空間位置上觀察 流體質(zhì)點的運動情況 ， 直接描述各有關(guān)參數(shù)在空間各點的分布情況合隨時間的變化 ， 例如對速度 u， 可作如下描述 ： x x y z( , , , ) , ( , , , ) , ( , , , )yzu f x y z t u f x y z t u f x y z t? ? ? 流體流動的考察方法 任取一微元體積流體作為研究對象，進行受力 分析，它受到的力有 質(zhì)量力（體積力） 和表面力兩類。 （ 1）質(zhì)量力（體積力） 與流體的質(zhì)量成正比， 質(zhì)量力對于均質(zhì)流體也稱為體積力 。 如 流體在重力場中所 受到的重力和在離心力場所受到的離心力 ， 都是質(zhì)量力。 （ 2）表面力 表面力與作用的表面積成正比。單 位面積上的表面力稱之為應(yīng)力。 ① 垂直于表面的力 p，稱為壓力（ 法向力） 。 單位面積上所受的壓力稱為壓強 p。 ② 平行于表面的力 F， 稱為剪力 （ 切力 ） 。 單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力 τ。 流體流動中的作用力 ( Basic equations of fluid statics ) ? * 本節(jié)主要內(nèi)容 ? 流體的密度和壓強的概念、單位及換算等；在重力場中的靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律及其工程應(yīng)用。 ? * 本節(jié)的重點 ? 重點掌握流體靜力學(xué)基本方程式的適用條件及工程應(yīng)用實例。 流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)主要研究流體流體靜止時其內(nèi)部壓強變 化的規(guī)律。 用描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式，稱為流體靜 力學(xué)基本方程式。先介紹有關(guān)概念： 流體的密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度。以 ρ表示，單位為 kg/m3。 （ 11) 式中 ρ流體的密度， kg/m3 ； m流體的質(zhì)量， kg； V流體的體積， m3。 當(dāng) ΔV→ 0時， Δm/ΔV 的極限值稱為流體內(nèi)部的某點密度。 液體的密度 液體的密度幾乎不隨壓強而變化， 隨溫度略有改變，可視為不可壓縮流體。 純 液體的密度可由實驗測定或用查找手冊計算的方法獲取。 混合液體的密度，在忽略混合體積變化條件下， 可用下式估算（以 1kg混合液為基準(zhǔn)，混合前后體積不變），即 （ 12） 式中 ρi 液體混合物中各純組分的密度， kg/m3； αi 液體混合物中各純組分的質(zhì)量分率。 流體的密度 氣體的密度 氣體是可壓縮的流體，其密度隨壓強和溫度而變化。 氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。 純氣體的密度一般可從手冊中查取或計算得到。當(dāng)壓 強不太高、溫度不太低時，可按理想氣體來換算： （ 13） 式中 p ── 氣體的絕對壓強 , Pa(或采用其它單位 ) M ── 氣體的摩爾質(zhì)量 , kg/kmol； R ──氣體常數(shù) ,其值為 ； T ──氣體的絕對溫度， K。 流體的密度 ? 對于混合氣體，可用平均摩爾質(zhì)量 Mm代替 M。 ? （ 14） ? 式中 yi 各組分的摩爾分率（體積分率或壓強分率）。 ? 單位質(zhì)量的流體所具有的體積 v=V/m=1/ρ ( 0 表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) ) (13a) 氣體的密度 或 流體的壓強及其特性 垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強 ,簡稱壓強 。 流體的壓強具有點特性。 工程上習(xí)慣上將壓強稱之為壓力。 在 SI中，壓強的單位是帕斯卡，以 Pa表示。但習(xí)慣上還采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為： （ 2） 壓強的基準(zhǔn) 壓強有不同的計量基準(zhǔn)：絕對壓強、表壓強、真空度。 流體的壓強 （ 1） 定義和單位 . 1atm= kgf/cm2 =760mmHg= = bar = 105Pa 流體的壓強 絕對壓強 以絕對零壓作起點計算的壓強，是流體的真實壓強。 表壓強 壓強表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強比大氣壓強高出的數(shù)值，即 : 表壓強＝絕對壓強－大氣壓強 真空度 真空表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強低于大氣壓強的數(shù)值，即 : 真空度＝大氣壓強－絕對壓強 舉例 流體壓強的特性 流體壓 強 具有以下兩個 重要特性 ： ① 流體壓力處處與它的作用面垂直，并且總是指向流體的作用面； ② 流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。 熟悉壓力的各種計量單位與基準(zhǔn)及換算關(guān)系，對于以后的學(xué)習(xí)和實際工程計算是十分重要的。 z o 流體靜力學(xué)基本方程 ( Basic equations of fluid statics ) ?推導(dǎo)過程 使用條件 物理意義 工程應(yīng)用 推導(dǎo) 圖 13所示的容器中盛有密度為 ρ的 均質(zhì) 、 連續(xù)不可壓縮靜止液體 。 如 流體所受的體積力僅為重力 ， 并取 z 軸方向與重力方向相反 。 若以容器 底為基準(zhǔn)水平面 ， 則液柱的上 、 下底 面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為 Z Z2 。 現(xiàn)于液體內(nèi)部任意劃出一底面積 為 A的垂直液柱 。 圖 13流體靜力學(xué)基本方程推導(dǎo) ? ? （ 1） 向上作用于薄層下底的總壓力 ， PA （ 2） 向下作用于薄層上底的總壓力 ， （ P+dp） A （ 3） 向下作用的重力 ， 由于流體處于靜止 ， 其 垂直方向所受到的各力代數(shù) 和應(yīng)等于零 ， 簡化可得 ： ? ? 注：靜壓力：維持液體保持 某一狀態(tài)的法向力 ? z o gAdz?zgp dd ??? 推導(dǎo) 圖 13 流體靜力學(xué)基本方程推導(dǎo) 流體靜力學(xué)基本方程式 推導(dǎo) ? 在 圖 14中的 兩個垂直位置 2 和 1 之間對上式作定積分 ? 由于 ? 和 g 是常數(shù)，故 ????? zzpp zgp 1212dd? （ 15） （ 15a） 若將圖 14中的點 1移至液面上（壓強為 p0），則式 15a變?yōu)?: 上三式統(tǒng)稱為流體靜力學(xué)基本方程式。 圖 14 靜止液體內(nèi)壓力的分布 （ 15b） Pa J/kg (1) 適用條件 重力場中靜止的，連續(xù)的同一種不可壓縮流體 (或 壓力 變化不大的可壓縮流體 ,密度可近似地取其平均值 ） 。 （ 2）衡算基準(zhǔn) 衡算基準(zhǔn)不同， 方程形式不同。 若將 （ 15） 式各項均除以密度，可得 將式 (15b)可改寫為： 壓強或壓強差的大小可用某種液體的液柱高度表示， 但必須注 明是何種液體 。 m m （ 15c） （ 15d） (3) 物理意義 (i) 總機械能守恒 重力場中 在同一種靜止流體中不同高度上的微元其靜壓能和位能各不