化工原理第一章流体流动1

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1、第一章流体流动了解流体运动规律的重要性：化工过程的物料形式注意是流体形式，如气体、液体、气固混合物、液固混合物等。1）流体阻力与流量计量涉及到管路设计，流体输送机械选择等。2）流动对传热、传质、反应的影响涉及到这些过程的设计和操作。3）流体的混合设计到混合效果对过程的影响。1.1概述1.1.1流体流动的考察方法（对传递过程导论的复习）连续性假定——把流体可看成由质点组成的连续介质，可用连续函数来处理流体流动规律（高度真空气体例外）。a.流体质点连续，充满整个空间；b.参数连续。质点（微团）——有一定的体积和质量

2、，比分子自由程大得多，比设备小得多。拉格朗日法——选定一流体质点，跟踪其运动，考察流体质点随时间变化的规律。——轨线欧拉法——在固定的空间点上，考察流体通过每一空间点时，运动参数随时间的变化规律——流线定态流动——流动参数仅随空间变化，而与时间无关。流线与轨线——轨线是质点运动的轨迹，是拉格朗日法考察的结果；流线是线上各点的切线为同一时刻各点的速度方向，是欧拉法考察的结果。定态流体两线重合。系统和控制体——系统（封闭系统）为众多流体质点的集合，是用拉格朗日法考察流体；控制体为某固定空间（化工设备），是用欧拉法考

3、察流体。本门课程通常用欧拉法。1.1.2流体流动中的作用力体积力——与流体的质量成正比。重力和离心力是典型的体积力。表面力——与表面积成正比。又分两种：压力－垂直于表面的力，压强单位面积的压力；剪力－平行于表面的力，剪应力单位面积的剪力。压强的单位——N/m2，又称Pa。常用MPa。但压强还有其他单位的形式：如大气压，mmHg，kg（f）/cm2等。剪应力——对大部分流体剪应力服从牛顿黏性定律：牛顿黏性定律：（适用层流）τ—剪应力N/m2（Pa）μ—粘度N∙s/m2（Pa∙s）du/dy—法向速度梯度，s-1这

4、里速度梯度实际是角变形速率黏度是流体的物性，是分子运动的一种宏观表现。黏度是温度和压强的函数（压强不高，可以忽略）对液体，温度升高，黏度下降（内聚力为主）对气体，温度升高，黏度上升（热运动为主）Fdydudtdθdθ说明：（1）流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正压力无关；（不同于固体表面的摩擦力）（2）当流体静止时du/dy=0,τ=0；（3）相邻流体层的流速，只能是连续变化的，紧靠静止固体壁面处的流体流速为0。黏度的单位较早的手册常用泊（达因∙秒/厘米2）或厘泊1cP（厘泊）＝0.001Pa∙s（水的黏度1

5、cP，20度）有时也用ν＝μ/ρ，称运动黏度，单位m2/s。黏度μ又称动力黏度。1.1.3流体流动中的机械能固体运动的机械能有：位能、动能。流体运动的机械能有：位能、动能、静压能（压强能）流体黏性造成的剪力要消耗机械能。1.2流体静力学1.2.1静压强在空间的分布静压强－在静止流体中，某点各方向的压强相等。其分布可表达为：P＝f（x,y,z）对流体微元的力平衡分析得：在重力场中静止流体中不同高度压强间的关系（静力学基本方程）讨论：p2=p1+ρgh适用条件：静止流体，重力场，不可压缩流体如上底面取在容器的液面上

6、，其压力为p0下底面取在容器的任意面上，其压力为p则p=p0+ρgh当p1有变化时，p2也发生同样大小的变化。p还与ρ，h有关ρ↑p↑h↑p↑等压面——在静止的、连续的、同一流体内，处于同一水平面上各点的压强相等。1.2.2压强能与位能总势能称P/ρ为总势能，即静止流体各点的总势能相同。又称P为虚拟压强，对不可压缩流体，虚拟压强处处相等1.2.3压强的其他表示方法各种压强单位：1atm=1.033㎏（f）/cm2(at)=760mmHg=10.33mH2O=1.0133×105Pa=1.0133bar1at=1

7、㎏（f）/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×104Pa压强的基准绝对压——以绝对零压为基准，是流体的真实压强；表压、真空度——以当时当地的大气压为基准。表压=绝对压—大气压真空度=大气压—表压数值上：表压=-真空度p1表压绝对压绝对压真空度绝对真空当时当地大气压1.2.4压强的静力学测量方法1）简单测压管（图1-7）pA=pa+ρgR适用于（1）高于大气压的压强的测定（2）只适用于液体，不适用于气体（3）如pA过大，则R将很大；如pA过小，则R将很小，测量误差增大。2）U型测压管（图1-8）U

8、型管中放有某种液体——指示液（与被测流体不发生化学反应，且不互溶）p1=pA+ρgh1p2=pa+ρigR通过等压面pA–pa=ρigR—ρgh1如被测流体为气体，即ρ<<ρI，则pA–pa=ρigR3）U型压差计（图1-9）p1=pA+ρgh1p2=pB+ρg（h2-R）+ρigR（pA+ρgh1）–（pB+ρgh2）=Rg（ρi-ρ）（pA+ρgzA）–（pB+ρgzB）=Rg（ρ