化工原理--流体流动介绍

第一章第一章 流体流动流体流动 研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性 流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一；流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。重要基础。2022-6-2412022-6-2422022-6-243 连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观角度工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观角度 研究流体。研究流体。2022-6-244 流体的可压缩性流体的可压缩性 不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变 化，如液体；化，如液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。2022-6-245一、一、压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的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。静压强，习惯上又称为压力。 1.压力的单位压力的单位 SI制：制：N/m2或或Pa；标准大气压：标准大气压：1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O第一节第一节 流体静力学流体静力学2022-6-2462. 压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。 表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。2022-6-247表表 压压 = 绝对压力绝对压力 大气压力大气压力真空度真空度 = 大气压力大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 2022-6-248 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。3.静压力的特性静压力的特性2022-6-249二、流体的密度与比体积二、流体的密度与比体积（一）密度（一）密度 单位体积流体的质量。单位体积流体的质量。Vm kg/m3 1.单组分密度单组分密度),(Tpf 液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。2022-6-2410 气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：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。下之值，若条件不同，则需进行换算。2022-6-24112.混合物的密度混合物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有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。气体混合物中各组分的体积分数。 n21, 或或RTpMmm mM混合气体的平均摩尔质量；混合气体的平均摩尔质量； nn2211myMyMyMMn21,yyy气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分数。分数。 2022-6-2412 混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有假设各组分在混合前后体积不变，则有 nmn12121www n12,w ww液体混合物中各组分的质量分数。液体混合物中各组分的质量分数。 （二）比体积（二）比体积单位质量流体的体积。单位质量流体的体积。1Vvm m3/kg2022-6-2413重力场中对液柱进行受力分析：重力场中对液柱进行受力分析：ApP11 （1）上端面所受总压力）上端面所受总压力 ApP22 （2）下端面所受总压力）下端面所受总压力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力)(21zzgAG 设流体不可压缩，设流体不可压缩，.Const p0p2p1z1z2G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下三、三、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 2022-6-2414液柱处于静止时，上述三力的合力为零液柱处于静止时，上述三力的合力为零: :0)(2112zzgAApAp )(2112zzgpp gzpgzp2211 压力形式压力形式能量形式能量形式静力学基本方程静力学基本方程 式式p0p2p1z1z2G2022-6-2415讨论：讨论：（1）适用于）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体流体；（2）物理意义：）物理意义：zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kgJ/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的在同一静止流体中，处在不同位置流体的位位能和静压能能和静压能各不相同，但二者可以转换，其各不相同，但二者可以转换，其总和总和保持不变保持不变 。2022-6-2416（3）在在静止静止的、的、连续连续的的同种流体同种流体内，处于内，处于同一水平同一水平面面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压等压面面。（4 4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。 2022-6-2417四、静力学基本方程的应用四、静力学基本方程的应用 （一）（一） 压力测量压力测量 1. U形管液柱压差计形管液柱压差计 设指示液的密度为设指示液的密度为 ，被测流体的密度为被测流体的密度为 。 0A与与A面面 为等压面，即为等压面，即AApp)(1ARmgpp gRgmpp02A 而而p1p2mRAA2022-6-2418所以所以gRgmpRmgp021)( 整理得整理得gRpp)(021 若被测流体是气体，若被测流体是气体， ，有，有0 gRpp021 p1p2mRAA2022-6-2419讨论：讨论： U形管压差计可测系统内两点的压力差，当将形管压差计可测系统内两点的压力差，当将U形形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测也可测得流体的表压或真空度；得流体的表压或真空度； 指示液的选取：指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 2022-6-24202. 倒倒U形管压差计形管压差计 RgRgpp)(021 指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，如如空气作为指示剂空气作为指示剂 2022-6-24213. 斜管斜管压差计压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。 sinRR 值越小，读数放大倍数越大。值越小，读数放大倍数越大。 2022-6-2422 密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示 液液A和和C ；)(CA 4. 微差压差计微差压差计 扩大室内径与扩大室内径与U管内径之比应管内径之比应大于大于10 。)(CA21 Rgpp2022-6-2423（二）（二） 液位测量液位测量 1.1.近距离液位测量装置近距离液位测量装置 压差计读数压差计读数R反映出容器反映出容器内的液面高度。内的液面高度。 Rh 0 液面越高，液面越高，h越小，压差计读数越小，压差计读数R越小；当液越小；当液面达到最高时，面达到最高时，h为零，为零，R亦为零。亦为零。2022-6-24242.2.远距离液位测量装置远距离液位测量装置 BApp 管道中充满氮气，管道中充满氮气，其密度较小，近似其密度较小，近似认为认为 ghpp aAgRpp0aB Rh 0而而所以所以 AB2022-6-2425（三）（三） 液封高度的计算液封高度的计算 液封作用：液封作用： 确保设备安全：当设备确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气内压力超过规定值时，气体从液封管排出；体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。gph 表压表压 液封高度：液封高度：2022-6-2426第二节第二节 管内流体流动的基本方程管内流体流动的基本方程 1. 体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 qVm3/s或或m3/h 2. 2.质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 qmkg/s或或kg/h。 Vmqq 二者关系：二者关系：（一）流量（一）流量一、一、流量与流速流量与流速2022-6-2427（二）流速（二）流速2.2.质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。1.1. 流速流速 （平均平均流速）流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 AquV kg/（m2s）流量与流速的关系：流量与流速的关系： m/smVqqwuAA mVqquAwA2022-6-24284Vqdu 对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量qV一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：3. 管径的估算管径的估算 d 设备费用设备费用 u 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费2022-6-2429 二、二、稳态流动与非稳态流动与非稳稳态流动态流动稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置变化，而不随时间变化； 非非稳稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。),(,zyxfupT ),(, zyxfupT 2022-6-2430三、三、连续性方程式连续性方程式 对于稳态流动系统，在对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失管路中流体没有增加和漏失的情况下：的情况下： 21mmqq 222111AuAu 推广至任意截面推广至任意截面 常数常数 uAAuAuqm 22211111 2 2连续性方程式连续性方程式2022-6-2431