第一章流體流動(dòng)01講義課件

1.1流體的物理性質(zhì)第一章流體流動(dòng)1回顧：3、物理量的單位和換算1、化學(xué)工程的進(jìn)展各種生產(chǎn)工藝－－單元操作－－三傳一反--傳遞現(xiàn)象2、單元操作和三傳動(dòng)量傳遞：流體輸送、沉降、過(guò)濾等。熱量傳遞：加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。質(zhì)量傳遞：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等換算因子24、物料衡算和能量衡算總的物料守恒組分物料守恒元素物料守恒進(jìn)行熱量衡算時(shí)還要指明基準(zhǔn)溫度(簡(jiǎn)稱(chēng)基溫)。習(xí)慣上選0℃為基溫，并規(guī)定0℃時(shí)液態(tài)的焓為零。在設(shè)備的各個(gè)不同位置上，物料的流速、濃度、溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)可各自不同．但在同一位置上，這些參數(shù)都不隨時(shí)間而變。5、穩(wěn)態(tài)過(guò)程6、非穩(wěn)態(tài)過(guò)程3衡算解題過(guò)程的步驟為：①畫(huà)一簡(jiǎn)圖表示進(jìn)行的過(guò)程，可用方塊圖表示，用箭頭表示物流的進(jìn)出方向，注明物流的參數(shù)，如流量、溫度、壓力等。

②確定衡算范圍，用虛線劃出，使其邊界與待計(jì)算的物流相交，這樣使列出的衡算式中包含所需求的計(jì)算量。

③確定衡算基準(zhǔn)，它是衡算式所確定已知量數(shù)值的依據(jù)，解出的待求量也應(yīng)符合此基準(zhǔn)。

④列出衡算式求解。注意：4第一章流體流動(dòng)1.1流體的物理性質(zhì)5678問(wèn)題：1、如何確定管道內(nèi)流體的流速和壓力？2、如何確定管道的直徑和壁厚？3、為了使流體達(dá)到工藝要求需要使用怎樣的泵？

提供多少動(dòng)力？9本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容3、流體的流動(dòng)現(xiàn)象1、流體靜力學(xué)基本方程式2、流體流動(dòng)的基本方程4、流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力5、管路計(jì)算方法6、流量的測(cè)量10

流動(dòng)性：流體的抗剪力和抗張力很小，在外力作用下，流體內(nèi)部會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使流體變形，這種連續(xù)不斷的變形就形成流動(dòng)，即流體具有流動(dòng)性。1.0.1流體的特點(diǎn)：剪切力A、流體的流動(dòng)性：1.0概論：11B、流體的壓縮性

流體體積隨壓力變化而改變的性質(zhì)稱(chēng)為壓縮性。實(shí)際流體都是可壓縮的。液體的壓縮性很小，在大多數(shù)場(chǎng)合下都視為不可壓縮。氣體壓縮性比液體大得多，一般應(yīng)視為可壓縮，但如果壓力變化很小，溫度變化也很小，則可近似認(rèn)為氣體也是不可壓縮的。C、連續(xù)介質(zhì)模型

把流體視為由無(wú)數(shù)個(gè)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒(méi)有間隙。這就是連續(xù)介質(zhì)模型12注意：高度真空下的氣體不能再視為連續(xù)介質(zhì)流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）：

宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒(méi)有維度的點(diǎn)；同時(shí)微觀上足夠大，它里面包含著許許多多的分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)。13流體輸送：確定適宜的u,d參數(shù)測(cè)量：壓強(qiáng)、流速、流量等強(qiáng)化過(guò)程：提供適宜的流動(dòng)條件研究流體流動(dòng)規(guī)律的重要性本章主要討論:

流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理及流動(dòng)規(guī)律，并用之分析和計(jì)算流體的輸送問(wèn)題。141.1流體的物理性質(zhì)

1.1.1流體的密度注意：各種單位制下，密度的單位和數(shù)值不同，注意一般都要換算成操作條件下的單位和數(shù)值。用表示，流體點(diǎn)密度影響因素：氣體---------種類(lèi)、壓力、溫度、組成濃度液體---------種類(lèi)、溫度、組成濃度獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊(cè)（2）公式計(jì)算：?jiǎn)挝惑w積的流體所具有的質(zhì)量15

液體的密度基本上不隨壓強(qiáng)變化（極高壓強(qiáng)除外），但隨溫度略有改變。對(duì)于氣體來(lái)說(shuō)，是可壓縮的的流體，其密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。一般當(dāng)壓強(qiáng)不太高，溫度不太低時(shí)，可按理想氣體來(lái)處理。液體：——不可壓縮性流體氣體：——可壓縮性流體161.1.2

理想氣體密度的計(jì)算：理想氣體在標(biāo)況下的密度為：操作條件（T,P）下的密度：

1）2）17將指定條件設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的1mol氣體：式中：M－氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

R－氣體常數(shù)，8.315×103J/(kmol·K)Vmol=22.4m33）181.1.3

混合物的密度：液體混合物濃度是以質(zhì)量分率表示，如果使用其他的形式表示濃度，需要對(duì)其進(jìn)行單位換算。體積假設(shè)不變，如果混合后液體的體積發(fā)生改變，需要校正。取1kg液體，令液體混合物中各組分的質(zhì)量分率分別為:假設(shè)混合后總體積不變，可得到：——液體混合物密度計(jì)算式1）液體混合物的密度ρm192）氣體混合物的密度：取1m3

的氣體為基準(zhǔn),令各組分的體積分率:xvA,xvB,…,xVn,其中:i=1,2,….,n混合物中各組分的質(zhì)量為：若混合前后,氣體的質(zhì)量不變，

當(dāng)V總=1m3時(shí),

204）與密度相關(guān)的幾個(gè)物理量

1）比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的流體所具有的體積，用υ表示，單位為m3/kg。2）比重(相對(duì)密度)：某物質(zhì)的密度與4℃下的水的密度的比值，用d表示。在數(shù)值上:3）理想氣體混合物:Mi——?dú)怏w混合物中各組分的分子量

yi——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾分率211.1.4流體的黏度

流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，任意相鄰兩層流體之間存在抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，流體所具有的這種減弱兩層流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)稱(chēng)為流體的粘性。粘性是流體的固有屬性之一，不論流體處于靜止還是流動(dòng)，都具有粘性。思考：流體的粘性和流動(dòng)性的是由什么引起的？1)粘性——牛頓粘性定律22

對(duì)于一定的流體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差Δu及接觸面積s成正比，與兩層之間的垂直距離Δy成反比，2）牛頓粘性定律導(dǎo)出23適用于速度梯度y與流動(dòng)方向u成直線關(guān)系引入修正相黏度系數(shù)μ，其值隨流體不同而不同其中單位面積上的內(nèi)摩擦力稱(chēng)為內(nèi)摩擦應(yīng)力，或剪切力，以τ表示，上式變?yōu)?4當(dāng)u與y不成直線關(guān)系時(shí)，而是如圖的曲線關(guān)系則應(yīng)當(dāng)寫(xiě)成du/dy：速度梯度，即在與流動(dòng)方向相垂直的

y方向上流體速度的變化率μ：黏滯系數(shù)或動(dòng)力黏度，簡(jiǎn)稱(chēng)黏度流體的黏性越大，其值越大25P(泊)---達(dá)因.秒/厘米2cP(厘泊)物理意義：黏度的意義在于促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力2).流體的黏度：?jiǎn)挝唬?63)運(yùn)動(dòng)粘度

物理單位制中運(yùn)動(dòng)黏度的單位是cm2/s稱(chēng)為斯托克斯，簡(jiǎn)稱(chēng)沲以St表示：1St=100cSt（厘沲）=10-4m2/s4)理想流體黏度為零的流體稱(chēng)為理想流體，真實(shí)的流體都會(huì)表現(xiàn)出黏性。影響因素：主要有體系、溫度、濃度

獲取方法：屬物性之一，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定、查有關(guān)手冊(cè)或資料、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。27

1.1.5非牛頓型流體簡(jiǎn)介該方程的圖像為過(guò)原點(diǎn)的直線28凡是服從牛頓粘性定律的流體，稱(chēng)為牛頓型流體，包括所有氣體和大多數(shù)液體；凡不服從牛頓粘性定律的流體稱(chēng)為非牛頓型流體，如某些高分子溶液、膠體溶液、油漆及泥漿狀液體等。本章討論的均為牛頓型流體。291.2流體靜力學(xué)基本方程式1.2.1靜止流體的壓力

流體的單位表面積上所受的壓力，稱(chēng)為流體的靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱(chēng)壓強(qiáng)，習(xí)慣上稱(chēng)之為靜壓力，用符號(hào)p表示。30特點(diǎn)：靜壓強(qiáng)各向同性31（1）壓強(qiáng)單位SI制中，N/m2=Pa，稱(chēng)為帕斯卡常用單位有：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm

）、工程大氣壓（kgf/cm2）、英制壓強(qiáng)（bar）；流體柱高度（mH2O，mmHg等）

32（2）壓力大小的兩種表征方法1）絕對(duì)壓強(qiáng)（絕壓）：

流體體系的真實(shí)壓強(qiáng)稱(chēng)為絕對(duì)壓強(qiáng)。

2）表壓強(qiáng)（表壓）：壓力表上讀取的壓強(qiáng)值稱(chēng)為表壓。

3）真空度：真空表的讀數(shù)以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)33絕壓/表壓/真空度的定義及關(guān)系表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對(duì)壓強(qiáng)PA,絕pA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕

注意：

1、當(dāng)用表壓或真空度來(lái)表示壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)分別注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。

2、可以使用負(fù)表壓表示真空度：

4×103Pa（真空度）＝－4×103Pa

（表壓）。

34若已知某地的大氣壓力為750mmHg，而設(shè)備A內(nèi)壓力為1000mmHg，則PA表=_____

mmHg。若設(shè)備B的真空度為300mmHg，則PB（絕）=______mmHg。PA,絕pA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕35在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為80×103Pa。在天津操作時(shí)，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對(duì)壓強(qiáng)，真空表的讀數(shù)應(yīng)為若干?蘭州地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為85.3×103Pa，天津地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為l01.3×103Pa。

例：1-1在天津操作時(shí)，要求塔內(nèi)維持相同的絕對(duì)壓強(qiáng)，由于大氣壓強(qiáng)與蘭州的不同，則塔頂?shù)恼婵斩纫膊幌嗤?，其值為：真空度＝大氣壓?qiáng)—絕對(duì)壓強(qiáng)＝101330—5300＝96030Pa解：根據(jù)蘭州地區(qū)的大氣壓強(qiáng)條件，可求得操作時(shí)塔頂?shù)慕^對(duì)壓強(qiáng)為：絕對(duì)壓強(qiáng)＝大氣壓強(qiáng)一真空度；

85300－80000＝5300Pa36全微分的概念設(shè)p是自變量x,y,z的函數(shù)，則p可表示為那么函數(shù)p的全微分可以表示為：假設(shè)：p作為壓力，x,y,z作為空間的三維方向，則：方程A表示，壓力p的全微分為p在三個(gè)方向上的偏微分之和。1.2.2流體靜力學(xué)基本方程式A37對(duì)z方向做受力分析，立方體受到上表面壓力下表面壓力重力38對(duì)x方向做受力分析，立方體受到右表面壓力左表面壓力對(duì)y方向做受力分析39壓力p的全微分dp就可以表示為：對(duì)連續(xù)、均質(zhì)且不可壓縮流體，ρ為常數(shù)方程兩側(cè)進(jìn)行積分：靜壓能位能廣義壓力兩側(cè)同除密度ρ40能量守恒定律在靜止流體理論中的體現(xiàn)：總勢(shì)能守恒（靜壓能，位能）在靜止液體中取任意兩點(diǎn)，1，2，根據(jù)上式可以得到：A）方程的分析41整理：如1點(diǎn)在液體上表面處，則2點(diǎn)的壓強(qiáng)可以表示為式（1）表明：靜止流體內(nèi)部靜壓能和位能可以相互轉(zhuǎn)化。式（2）表明：靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小關(guān)系。式（3）表明：靜止流體內(nèi)部任一點(diǎn)處的壓強(qiáng)。式（1）～（3）為流體靜力學(xué)基本方程421）適用場(chǎng)合：

絕對(duì)靜止、連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮

2）總勢(shì)能守恒：在同一種靜止流體中不同高度的流體微元，其靜壓能和位能各不相同，但總和保持定值

3）等壓面的概念：在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等。等壓面為水平面

靜力學(xué)方程的討論：434）傳遞定律：當(dāng)外界壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各處的壓力都發(fā)生同樣大小的變化。（巴斯噶定理）5）液柱高度可以表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差：注意：必須注明是什么液體44[例1—2]

本題附圖所示的開(kāi)口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg／m3，水層高度h2=0.6m、密度ρ=1000kg