粘流理论与基本原理

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1、第一章流体流动　　　1-1　概述流体即在一定的外力作用下能够流动的物体，包括液体和气体。化工生产中所处理的物料包括原料、半成品和成品大多数为流体。为了制得产品，常需将流体物料按照生产工艺的要求，依次输送到各种设备中（如反应设备、换热设备、塔设备等），进行化学反应或其它处理，因而流体输送成为化工过程中最普遍的单元操作之一。流体输送是利用流体输送设备（泵、风机、压缩机等）通过管道进行的。现代化大型化工厂中，一般都有大量的流体输送管道纵横交错，流体输送设备随处可见。化工生产中，无论是传热、传质、混合物的分离、化学反应等哪一种过程，大都是在流体流动状态下进行的，流体流动

2、的状态，直接影响着这些操作过程。此外，还有许多化工单元操作如沉降、搅拌等也和流体流动直接相关。因此，讨论和掌握流体流动的基本原理是很重要的。本章将结合化工单元操作的需要讨论流体流动中一些最基本的问题。流体是由不断运动着的分子所构成的，流体除了内部分子运动外，还存在由于外部原因如重力、离心力、压力差等的作用而引起的流体流动。在工程实际中，着重研究流体的宏观运动规律，即研究由于外部原因引起的流体流动，而不研究流体分子的运动。因此，在研究流体流动时，将流体视为由无数质点（流体徽团）构成的连续介质，流体所占的空间全部为这种连续介质所充满。1-2　流体的密度流体密度定义如

3、下　　　ρ＝[kg/m3](1-2-1)对于任何一种流体，其密度与温度和压力有关，即　　　ρ＝f(T,P)(1-2-2)对于液体，压力对密度的影响很小，可忽略不计，故常称液体为不可压缩流体。温度对液体密度有一定影响，从有关手册查取各种液体的密度数据时，要注意其温度条件。对于气体，因其具有可压缩性和膨胀性，其密度随着压力和温度的变化较大，当查不到气体的密度数据时，在温度不太低、压力不太高的情况下，将气体视为理想气体，则可按下式计算密度　　　ρ＝(1-2-3)注意式中各参数单位的正确使用。对于理想气体，在标准状况下，密度计算式为　　　ρ0＝(1-2-4)46当温度为

4、T、压力为p时，可由下式计算密度　　　ρ＝(1-2-5)上式中下标“0”表示标准状况下的条件参数。气体混合物密度由下式计算　　　ρ＝y1ρ1+y2ρ2+…+ynρn(1-2-6)式中yi为i组分的摩尔分数；ρi为i组分的密度。液体混合物密度由下式计算(1-2-7)式中ai为i组分的质量分数。第一节　流体静力学基本方程及其应用1-3流体的压力流体的压力是指垂直作用于流体单位面积上的力。严格说来应称压强（压力强度）。压力为习惯称呼。SI制中，压力的单位为N/m2，记为Pa，工程单位为kgf/m2。此外，压力还有其它单位，它们的关系如下　　　1atm=760mmHg=

5、101300Pa=10330kgf/m2=10.33mH2O真空度绝压绝压表压0压大气压一般测定压力的压力表所显示的压力读数并非所测定压力的实际值，而是压力实际值（称为绝对压力，简称绝压）与当地大气压的差值，称为表压，即　　　表压＝绝压-大气压当绝压比大气压小时，表压为负值，称为负压，负压的绝对值称为真空度，即　真空度＝大气压－绝压真空度越大，即绝压小于大气压的程度越大。换句话说，真空度越大，越接近于真空状态。表压、绝压、大气压、真空度之间的关系如右图所式。为避免混淆，当压力数值用表压或真空度表示时，应分别注明。如200kPa（表压）、400mmHg(真空)。若

6、不加注明，则视为绝对压力。图1-1　压力关系示图461-4流体静力学基本方程静止流体内部任一点的压力，称为该点的流体静压力，其特点为1）从各方向作用于某一点的流体静压力的合力为0；　　　　z2z1p2p1p0图1-2　流体静力平衡2）若通过该点指定一作用平面，则流体静压力的方向垂直于此平面；3）在重力场中，同一水平面各点的流体静压力相等，但其值随着点的高低位置变化。流体静压力随着高低位置变化的关系式可通过分析流体内部有静力平衡得到，如图1-2所示。容器中盛有静止液体，设从中任取一垂直液柱，液柱的底面积为A[m2]，液体的密度为ρ[kg/m3]。以容器底面为基准面

7、，分析液柱的受力情况，在垂直方向上液柱受到三个力的作用（注意液柱侧表面受到水平方向的静压力，但这些力在整个侧表面上的合力为0），分别为作用于液柱上方的总压力：p1A作用于液柱下方的总压力：p2A液柱自身的重力：A(z1-z2)ρg因液柱处于平衡状态，意味着在垂直方向上液柱受到的合力为0，即p1A+A(z1-z2)ρg-p2A＝0移项并整理得　p2＝p1+(z1-z2)ρg　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1-4-1）上式称为流体静力学基本方程。若液柱上底面取在液面上，并令h=z1-z2，则得　p2＝p0+ρgh　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

8、　　　　（1-4-2）由