化工原理 第一章 流体流动 课件

1.3 流体流动中的守恒原理
1.3.1 质量守恒
1）流量、流速 流量——质量流量qm， 体积流量qv， 流速——质量流速G， 体积流速u， 2）点速度u 圆管：粘性，速度分布 工程处理方法：平均值 kg/s （ρ · qv） m3/s kg/m2s（ qm /A） m/s （ qv /A）
3）U型压差计（图1-9） p1=pA+ρg h1 p2=pB+ρg（h2-R）+ρi g R （pA+ρg h1 ）–（pB+ρg h2）= R g（ρi-ρ） （pA+ρg zA ）–（pB+ρg zB）= R g（ρi-ρ） 即 P A–P B= R g（ρi-ρ） U型压差计测出的R是：Δ P 如压差计水平放置：Δ P =Δp 问改变管道安装的倾斜度，R是否变化？ 例1－1 为复式U形 水银测压计 见P11图
1.2.2 压强能与位能 总势能
p

gz const
P

gz
p

称P/ρ 为总势能 ，即静止流体各点的总势能相同。
P gz+p
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=1.0133×105 Pa=1.0133bar 1at=1㎏（f）/cm2=735.6mmHg=10mH2O =9.81×104 Pa
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），是用欧拉法考察 流体。 本门课程通常用欧拉法。
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）＝0.001 Pa∙s（水的黏度1cP，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。
du dy
牛顿黏性定律：（适用层流）
F
du dy
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
dudt dθ d θ
dudt d du dy dt dy
dy
这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）
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，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
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
1.2 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：
p Xdx Ydy Zdz
在重力场中
p gz const
p2 p1 gh
静止流体中不同高度压强间的关系（静力学基本方程）
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 当时当地大气压 真空度 绝对压 绝对压 绝对真空
1.2.4 压强的静力学测量方法 1）简单测压管（图1-7） pA=pa+ρg R 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+ρg h1 p2=pa+ρi g R 通过等压面 pA –pa=ρi g R—ρg h1 如被测流体为气体，即ρ<<ρI，则 pA –pa=ρi g R
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：
讨论： p2=p1+ρg h 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，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+ρg h 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。