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1、第一章流体的流动过程与输送机械化学工艺学§1概述1.1化工生产中流体的流动与输送流体是具有流动性的物质。流体的特征在于其质点几乎可以无限地流动,而且可以任意分割或改变其形状。物质三态中,液态与气态无一定形状,能够自由流动,因此,统称为流体。1.2理想流体与实际流体在流体力学中,为了便于研究某些复杂的实际问题,而提出了理想流体这一概念。理想流体没有粘性,在流动过程中没有摩擦阻力产生,是不可压缩的。实际流体都具有粘性,在流动过程中产生摩擦阻力。实际液体的压缩性很小,可以认为是不可压缩的;实际气体当温度、压强变化时,其体积变化较大,是可以压缩的。§2流体静力学及其应用静止
2、流体不表现出内摩擦阻力,分子间受力平衡。流体在静止状态时,所受各种力的大小,与流体的密度、压强等性质有关。2.1流体静力学中的重要物理量流体的密度：压强：关于压强的说明：1.压强的单位国际单位制(SI)中,压强的单位用Pa表示,1Pa=1N·m-2。2.压强的表示方法工业上用来测量系统内压强的仪表称为压强计(或称压力计),压强计上的读数是系统内的绝对压强与当地大气压强的差值。在实际生产系统(设备或管路)内,其绝对压强可能大于或者小于当地大气压强,工程上常把大于大气压的压强用表压强表示;而把小于大气压的压强用真空度表示。系统内的绝对压强、表压强和真空度三者之间的关系可
3、表示如下:表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强它们三者之间的关系,可以用下图表示：2.2流体静力学基本方程该正立方体所受向下的力有：自身重力：G=ρ·g·(z0-z)·A上面液体对顶面的压力：F0=p0·A液柱底面上的压力：F=p·A处于平衡状态的静止液体,其所受向上的力与向下的力大小相等,方向相反(液柱的前后、左右所受力,也是大小相等,方向相反)。可得p·A=p0·A+ρ·g(z0-z)·A化简上式,可得流体静力学方程式:静力学基本方程式(1-3)说明流体静压强仅与流体的密度和该点的几何位置有关。如所取正立方体液柱的顶面为液面(液面受当地大气压强为
4、pa),液柱高(z0-z)即为所取液柱底面的深度H,则式(1-3)变为：2.3流体静力学基本方程式的应用压强计按功用分为三类:(1)表压强计用以测量高于大气压的压强;(2)真空压强计用以测量低于大气压的压强;(3)压差计用来测量系统内两点间压强的差。按压强计的工作原理又可分为液柱压强计、弹簧管压强计和薄膜压强计等。2.3.1U形管压强计U形管压强计如图1-4所示,一般用透明玻璃管制成,管中盛有密度为ρi的指示液。使用时,若U形管一端与大气连通,另一端与所测系统连通,则可测量系统的表压强或真空度(当所测系统压强低于大气压时);若U形管两端与所测系统内不同两处相连通,则
5、可测量系统内该两处的压强差。根据静力学基本方程式，可推导出：上式为U形管压强计测量压强差的计算式。由式中可以看出,压强差与U形管两侧指示液液面差有关,与指示液和被测流体的密度有关,与U形管的粗细无关。U形管压强计中所用的指示液密度应比所测系统流体的密度大。工业上常用水、硫酸、四氯化碳和水银作为U形管压差计的指示液。§3流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算3.1稳态流动与非稳态流动在一个正常的连续生产过程中,管路及设备内任何与流动方向垂直的截面上,流体的温度、压强、组成及流量等都有确定的数值,且仅是位置的函数，并不随时间而变化,这种流动方式称为稳态流动。3.2流体稳态流
6、动时的流量与流速流体充满管路截面稳态流动时,流体质点在单位时间内所流过的距离称为流速。工程上所谓的流速是指该截面的平均流速。流体稳态流动时,单位时间内,流体流经垂直于流动方向的任一截面的流体体积量,称为体积流量。若单位时间内流经管路任一截面的流体量以质量表示,则称之谓质量流量。平均流速与流量的关系为:平均流速:体积流量:质量流量:3.3流体稳态流动时的物料衡算—连续性方程当流体充满导管作稳态流动时,根据质量守恒定律,在管路系统流体没有增加和漏失情况下,单位时间通过管路各截面的流体质量应相等。qm1=qm2=qm33.4流体稳态流动时的能量衡算-伯努利方程(重点)不论
7、是相对静止的流体,还是流动状态的流体,都具有一定的能量,服从能量守恒定律。3.4.1流体流动过程的能量形式(1)位能流体在重力作用下，因其所处位置距离某基准面有一定距离而具有的能量称为位能。位能表示流体在其自身重力下落至基准面所作的功。能量和功的单位在国际单位制中都是用焦耳(J)表示,用国际单位制中基本单位表示则为kg·m2·s-2(即N·m)。假设质量为m[kg]的流体距某一基准面高度为z[m],则所具有的位能为m·g·z[J]。(2)动能流体在管路中流动时,由于流动而具有的能量称为动能。由物理学知道,当质量为m[kg]的流体以v[m·s-1]的速度流动时,所
