第一章流体力学.

第一章流体力学.第一章流体力学一、流体：可以流动的物体——物体的变形与时间有关的——液体与气体liquid &gas。

二、流体输送在化工生产中的应用在化工生产过程中，物料从一个设备到另一个设备、在设备中进行物理或化学加工过程等，一般都是在流动的过程中进行的。

适宜的流动条件能使过程进行的更加完善。

因此，我们有必要在此首先讨论流体输送，以解决化工生产中的最基本的问题：1、管径的选择与管路布置；2、估算输送流体所需要的能量，选用输送机械；3、流速、流量、压强等的测定；4、提供适宜的流体流动条件，作为强化设备操作及设计高效能设备的依据。

第一节流体的基本物理量一、密度与比容density & specific volume（一）密度ρ与比重d1、密度：概念；表达式；单位；液体密度及其查取方法2、比重——相对密度（二）气体的密度一般可根据理想气体状态方程求得。

例题：求常压下、25℃时氧气的密度？（三）混合物的密度1、混合液体混合前后总体积不变的原则例题：求25℃时40%（质量百分数）的苯、甲苯溶液的密度？2、混合气体用平均分子量例题：求常压下、25℃时空气的密度？（四）比容ν比容的概念；表达式；单位；与密度的关系。

二、压强p（压力）pression or pressure1、定义，表达式，单位与其它常用压力单位，单位换算因子；2、压强与压力3、用液柱高度表示压强单位的意义：该液柱作用于底部单位面积上的重力。

4、表压、绝压、真空度。

（1）概念（2）相互关系：①表达式；②关系图（3）说明：上报工艺文件时注意要注明是表压还是绝压，如不注明，则表明是绝压。

小结：一、密度二、压力作业：气体密度计算1题，混合液体密度计算1题，表压、绝压、真空度换算1-2题。

三、流量与流速1、体积流量v q 与质量流量m q（1）体积流量符号；概念；表达式；单位。

（2）质量流量符号；概念；表达式；单位。

（3）体积流量与质量流量之间的关系 2、流速u 与质量流速G（1）流速：符号；概念；平均流速；表达式；单位。

（2）质量流速：符号；概念；表达式；单位。

（3）流速与质量流速之间的关系四、粘度μ degree of viscosity1、概念：粘度是表示流体流动性能的物理量。

我们知道有的流体容易流动，有的流体不易流动。

例如，水比油易流；油比蜂蜜易流。

这就是由于它们的粘度不同，粘度小易流，粘度大难流。

粘度越大的流体，在相同的流速下流动时，流体的阻力损失越大。

粘度是流体流动过程中不同流速的流体之间产生的相对摩擦的体现。

所以粘度是流体的动力学参数。

2、粘度的单位（1）Pa.s 泊（P ）厘泊（CP ）（mpa.s ）（2）换算3、粘度与温度的关系4、粘度数值的查取(教材252，253页附录十一、十二)5、混合物的粘度（教材16页经验公式）（1）混合液体（2）混合气体第二节流体静力学 hydrostatics一、静力学基本方程式及其讨论1、静力学基本方程式常数=+=+ρρ2211p g z p g z或：常数=+=+gpz g p z ρρ2211 或：常数=+=+2211p g z p g z ρρ或()g h p g z z p p ρρ+=-+=012122、讨论（1）各项的物理意义（2）修正压强：g z p ρ+ （3）压强的传递性（4）等压面的概念（5）适用范围小结：一、流量与流速二、粘度三、静力学方程与等压面作业：管路中流量、流速计算2题二、静力学方程的应用（一）测压 1、U 形管压差计（1）结构：U 形玻璃管，标尺，指示液及其要求（2）测压原理：等压面，压差计算公式。

（3）讨论：① 当压差一定时，读数R 与U 形管的粗细、长短无关；② 为了得到比较适中的读数R ，应根据压差选用指示液，常用的指示液；③ 压差计可用于测量某一点的压力；④ 测量具有位差的两点间的压差时，U 形管压差计上的读数是修正压强差。

即：()()g R g z p g z p s ρρρρ-=+-+2211)(2、杯形斜管压差计——U 形管压差计的变形——创新结构；测压原理；优点；使用注意事项（二）测量液位1、用U 形管压差计来测量液位（1）特殊情况下（一侧指示液液位刚好与贮槽底部平齐）的液位计算：ρρsRh = （2）通过改进（设置“杯”）使特殊情况也适用于一般情况2、远距离测量教材22页图1-13装置测量原理分析：（1）观察室的作用（2）氮气压力与H 点压力的关系从而与液位关联（3）氮气压力计算（三）、计算液封的液位高度 1、液封的类型与作用（1）安全液封：维持正常生产用气压。

如需控制乙炔发生炉内压力P 采用上图装置。

（2）切断液封：在气体贮罐前后安装切断液封——安全作用，而且防漏，还可节省投资。

（3）溢流液封：在洗气塔液体溢流排放口为防气体带出设置的液封。

2、液封高度计算g h p ??=ρ gph ρ=（p 为表压）例：（教材24页例1-9，1-10）小结： U 形管压差计作业：静力学方程的应用2题第三节柏努利方程及应用一、稳定流动与不稳定流动连续流动的概念：液体质点连续；管路中满流。

二、连续性方程1、连续性方程式图示系统中，输入物料=输出物料即：1G =2G因为ρ??=ρ?=A u Q G ，故上式可写为：11A u ?2221A u ρ??=ρ?对于不可压缩流体：21ρ=ρ 则上式为：2211A u A u ?=? 对于圆形管路：2d 4A π=则上式又为：222211d u d u ?=?即：212221d d u u = 2、讨论：（1）适用范围：连续稳定流动系统（2）系统截面一定要具有连续性，而内部连不连续、发生什么过程可以不管（3）分支管路的连续性方程式 321G G G += 出进∑∑=G G3、连续性方程式的应用——选用管径（1）初估管径① 计算公式 uq d v=π4 ② 流速u 的确定（2）根据管子规格园整① 管子规格：表示管子规格的方法主要有两种：n m ?φ 及公称直径g D ② 选管例：冷冻盐水（25%的CaCl 2水溶液）由冷却系统回循环槽，温度为293K ，流量为5000kg/h 。

试确定所用水煤气管的规格？三、能量类型1、流体自身的能量类型：内能、位能、动能、静压能2、与环境交换的能量类型：外加能量、热能、损失能量四、柏努利方程1、机械能衡算式——柏努利方程式在图示系统中：输入机械能=输出机械能即：f e h u p g z W u p g z ∑+++=+++2222222111ρρ或：f 2222e 2111h g2u g p z H g 2u g p z ++ρ+=++ρ+2、讨论柏努利方程式（1）适用范围：a 稳定流动系统；b 不可压缩流体；c 重力场中。

（2）守衡与变化（3）各项的物理意义z ——设备plant 高低相对位置参数； p ——状态state 参数，由操作条件决定；u ——动力学dynamics 参数，这是最活跃的参数，一般可根据经验确定。

（4）对于理想流体，流动无阻力，流动过程中也无需外加能量，则柏氏式为：E f (h f )g2u g p z g 2u g p z 22222111+ρ+=+ρ+（5）对于静止流体，流速u =0 则柏氏式又为：gpz g p z 2211ρ+=ρ+或g )z z (p p 2112?ρ?-+=g h p 1?ρ?+= 此式就是静力学基本方程式。

所以说静力学基本方程式包括在柏努利方程式中（6）气体一般不可以使用柏氏式，但当压力变化不是很大（%20%100p p p 22121ρ+ρ=ρ （7）分支管路的柏氏式： g2u g p z g 2u g p z g 2u g p z 233322222111+ρ+=+ρ+=+ρ+小结：一、流体在不同的管径中流动时，流速比与管径的平方成反比；二、管径的选用三、柏努利方程作业：静力学方程1题，选管1题五、柏努利方程式的应用解题要求：①作图并在图上标出有关物理量；②取截面并确定基准水平面；③列柏氏式；④列已知条件；⑤代入方程求解；⑥结果讨论。

例1 在图示管路系统中，水槽液面维持不变，水可视为理想流体。

求（1）管路出口流速；（2）图中A 、B 、C 点的压强；（3）讨论流动系统中的能量转化关系。

解：（1）取截面1-1和2-2，以2-2截面为基准水平面（说明取截面的要点）列柏氏式： g2u gp z g2u gp z 22222111+ρ+=+ρ+列已知条件： z 1=5m z 2=0 p 1=0 p 2=0 (基准一致) u 1=0 u 2=? 代入求解得u 2=g 10 m/s（2）O mH m N g p A 22414)(/109.34=?=??-=表ρ)(1/981022表O mH m N g p B ==?=ρ)(3/109.23224表O mH m N g p c -=?-=??-=ρ（3）讨论能量转化关系结果讨论：① A 点的压强与槽底的压强是否相等？A 点的气蚀现象。

② C 点是否会发生气蚀现象？③ u 2与哪些因表有关？能否用无限向下增加管长来提高出口流速成？C 点能否无限增高？例2：如图所示的水冷却装置中，处理量为60 m 3/h ，输入管路的内径为100mm 的钢管，喷头入口处的压强不低于0.5at （表压），管路阻力损失为88.3j/kg 。

求泵的功率？（3/992m kg =热水ρ）解：取截面1-1和2-2，以2-2截面为基准水平面列柏氏式：f 22222111h g2u g p z H g 2u g p z ++ρ+=++ρ+列已知条件：m 3z 1= 0z 2=0p 1= Pa 109.4at 5.0p 42?==0u 1= =?π=221.04360060uH = m 981.93.88h f ==代入求解：H=m 27.11 （N /m N ?）KW W G g H N s 83.1183036009926081.927.11==??=??== 以上我们通过两个例题说明了柏努利方程式的应用（求管路出口流速和确定输送机械的功率）。

由于柏氏式中涉及的参数较多，所以其应用较活、较广。

小结：柏努利方程可用于：计算管路中流体流速；确定输送流体用压力；确定设备间相对位置高度；确定输送机械的功率。

教材30页-32页还列举了几个例题，同学们课后自己看书。

作业：柏努利方程的应用2题第四节管流过程一、管流过程的流体阻力flow of stream resistance1、观察流体阻力的实验2、流体阻力的表现形式（用柏努利方程分析流体在流动过程中损失的能量）3、流体阻力的来源（1）内因：流体本身的粘性（2）外因：流动状况及管路状况二、雷诺Reynold实验与流体的流动型态flow pattern1、雷诺实验与流体的流动型态（1）雷诺实验装置（2）雷诺实验操作、现象及其分析、流体的流动型态2、雷诺数Reynold’s number与流动型态的判定（1）雷诺数及其讨论（2）流动型态的判定（3）非圆形管路的当量直径3、层流边界层boundary layer与管内流速分布（1）层流边界层概念（2）管内流速分布①层流时②湍流时（3）湍流的特点第五节化工管路基础一、管子与管件1、化工生产中常用的管子类型钢管（有缝和无缝）、铸铁管、有色金属管、非金属管。