轻化工程课件：1-1—流体流动

《化工原理》轻化工程绪 论u化工生产过程与单元操作举例：聚氯乙烯塑料的生产（乙炔法） 化学方程式：常见化工单元操作：ü动量传递过程：流体输送、机械分离、搅拌等ü热量传递过程：加热、冷却、蒸发等ü质量传递过程：蒸馏、吸收、萃取、干燥、吸附等 ü热、质同时传递过程：干燥、结晶等u化工原理课程的内容、性质和任务Ö性质：重要的专业技术基础课Ö内容：传递理论Ö任务：研究基本原理、典型设备，掌握分析和解决工程问题的基本方法，培养解决实际问题的能力。

本课程与传统理论的联系和区别u单元操作中常用的基本概念和观点Ö质量守恒定律Ö能量守恒定律Ö物系的平衡Ö传递速率（=推动力/阻力）Ö经济核算的观点u单位制、单位换算üCGS制（物理单位制）：厘米­克­秒制 üMKS制（绝对单位制）：米­千克­秒制 ü工程单位制 :米­公斤（力）­秒üSI制（国际单位制）u学习本课程的一般环节和方法： Ö课堂教学Ö自主学习Ö作业反馈u相关参考资料：1. 《化工原理》，王志魁等，化学工业出版社2. 《化工原理》（上、下），谭天恩等，化学工业出版社3. 《化工原理》（上、下），姚玉英等，天津大学出版社4. 《化工原理》（上、下），陈敏恒等，化学工业出版社第一章 流体流动与输送机械第一节 流体基本性质Ø流体的概念：由无数流体微团组成的连续介质 Ø连续性假设Ø流体的可压缩性Ø作用在流体上的力质量力：重力、离心力等法向力（压力） 表面力切向力（剪切力）Ø密度混合气体 混合液体RTPM mm= r nn 2 1 1 1 m f r f r f r r + + + = LØ压力绝对压力： 以绝对零压为起点计 数的压强。

表压： 压力表指示的压力。

表压强=绝对压强­大气压强 真空度：真空表指示的数值。

真空度=大气压强­绝对压强Ø剪切力与黏度黏度：流体流动时产生内摩擦力的性质。

流体黏性越大，其流动性就越小。

•实验证明牛顿黏性定律• 黏度的物理意义： μ=τ/(du/dy)• 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

• 只有在运动时才显现出来。

• 分析静止流体规律时不用考虑粘度。

•黏度随压强、温度的变化黏度是流体的物理性质之一，由实验测定。

流体的粘度μ=f(P,T)• 黏度的单位CP(厘泊)：1CP=0.01P=1mPa.S=10 ­3 Pa.S运动黏度：•牛顿型流体•剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，即n=1。

•如水、所有气体都属于牛顿流体。

n=1, 牛顿流体 n ¹1，非牛顿流体 n=1, 牛顿流体 n ¹1，非牛顿流体ü牛顿流体和非牛顿流体•非牛顿型流体•剪应力与速度梯度的关系不服从牛顿粘性定律，即n ≠1。

•如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。

n dy du AF )( m t = = ü理想流体和实际流体流体GZ 1Z 2P 1 A P 2 AP 0图 1－ 1静力学基本方程的推导条件:重力场中的静止的、连 续的和不可压缩的流体Ø流体静力学基本方程第二节 流体静力学从静止流体内部任意取一底面积为A，厚度为dz薄层，对其受力情况 进行分析：向上的力：PA向下的力：(P+dP)A+ρAgdz(P+dP)A+ρgAdz­PA=0对于同一流体，ρ为常数，对上式 进行不定积分得：P ＋Z ρg ＝常数g Z P g Z P r r 11 2 2 + = + gP P Hr 02 - =静力学基本方程的意义：在静止的流体内部，任一 点的位压能和静压能之和为常数，两者互相转换。

GZ 1Z 2P 1 A P 2 AP 0图 1－ 1静力学基本方程的推导Ø流体静力学方程应用 ü液柱压差计ü安全液封ü液位测量•简单测压管•U型压差计gRgz p p R z g p p A B b B a r r r + + = + + = 2 1 ) ( ba p p = gR p p B A ) (2 1 r r - = -•倒U型压差计•倾斜U管压差计适用于压差较小的情况asin 'R R=•微差压差计（双液体U管压差计）gzgR p p R z g p p C A b C a r r r + + = + + = 2 1 ) ( ba p p = gR p p CA ) ( 2 1 r r - = -例：某气体（密度ρ＝1kg/m 3 ，粘度很小，可视为理想流体）从变径管流过，大管为φ18×3.5mm ，小管为φ18×2.5mm 。

在A 、B 两点间接一复式压差计，内放等量的水作指示剂（密度ρ＝1000kg/m 3 ），两指示剂之间充满煤油（密度ρ＝810kg/m 3 ）。

已知大管中气速为10m/s ，试求复式压差计读数R 1 和R 2的大小。

•液面的测量Rh rr r - = 0 液面越高，h 越 小，压差计读数 R 越小； 当液面达到最高 时，h 为零，R 亦 为零。

•安全液封Ø 确保设备安全 Ø 防止气柜内气体泄漏gp h r =体积流量q v质量流量q m 流速 （平均流速）u质量流速G第三节 流体动力学AG Au q q vm = = = r r Ø流量和流速： 一般液体 （1～3m/s ） 一般气体（10～30m/s ）Ø定态流动和非定态流动Ø化工生产中，流体流动大多为定态流动，故非特别指出，一般所讨论的均为定态流动。

对稳定流动系统做物料衡算，q m1 = q m2u 1 A 1 ρ 1 = u 2 A 2 ρ 2 = … =uAρ=const.不可压缩流体： ρ=const. u 1 ∙A 1 = u 2 ∙A 2Ø连续性方程：ρ 1 A 1 u 1 =ρ 2 A 2u2常数= Au r 21 2 1 22 1 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = = dd A A u u 圆管内不可压缩流体Ø伯努利方程（机械能衡算式）衡算范围：内壁面、1—1与2—2截面间连续的流体衡算基准：1kg流体衡算基准面：0－0水平面根据能量守恒定律，在连续稳定流动条件下， 1kg 流体在截面1－1与2－2间的总能量衡算式为：式中的能量可分为两类：一类称为机械能，包括位能、动 能、静压能与外部机械输入的能量；另一类为内能与热。

222 22 2 1 1 21 1 12 2 r r P u gZ U We Q P u gZ U e + + + = ++ + + + We Q P u Z g U e += D + D + D + D ) ( 2 2rò - = D 21v v pd Q U u系统内能量的变化ff e h Q Q h Q Q å å - = + = e 或 Q ：1Kg 流体所获得的总能量 J/Kg Q = Qe+∑hf ∑hf ：1Kg 流体所损失的机械能 J/Kg We Q Pu Z g U e += D + D + D + D ) ( 2 2r根据热力学第一定律，流体内能的变化等 于流体所获得的能量减去它所作的功，即 能量衡算对不可压缩流体，其比容υ或密度ρ为常数，均与压力无关，f W P u gz We P u gz S + + += + + + rr 22 22 1 2 1 1 2 2 实际流体的伯努利方程ò ò S + - D + D + D = + S - = D + D + D + - 21 21 ) ( 2) ( 222u u u u u u uu uu ff h pd P zg We Weh Q P Z g pd Q 得：em e W q N = 单位时间输送机械做功（有效功率）输送机械实际消耗功率（轴功率）he N N =ü伯努利方程式的讨论（1）当流体为理想流体时，即ΣW f＝0 rr 2 2 11 P gz P gz += + 静力学基本方程常数= + + = + + + rr 2 2 22 12 11 2 2 P u gz We P u gz 理想流体的伯努利方程（2）当流体静止时，即u 1 ＝u 2 ＝0时，W e ＝0，ΣW f＝0fP P u gz gH P u gz å D + + + = + + + 2 2 22 1 2 1 1 22 r r r r 单位体积的流体——Paf e h gP g u z H g P g u z S + + + = + + + r r 22 22 1 21 12 2 单位重量的流体——m 液柱fe WP u gz W P u gz å + + + = + + + rr 22 2 2 1 2 1 1 2 2 单位质量的流体——J/kg（3）不同衡算基准：zg ——单位质量流体所具有的位能，J/kg ；rp——单位质量流体所具有的静压能，J/kg ； 2 21 u ——单位质量流体所具有的动能，J/kg 。

各项意义：fe W P u gz W P u gz å + + + = + + + rr 22 22 1 2 11 2 2——位压头，mg u2 2——动压头, m g pr——静压头, m 总压头, mf e h gP g u z H g P g u z S + + + = + + +r r 22 22 1 2 1 1 2 2 z22 2gu 2 1gu 2 2gp r 1 g p r2 Hz 21。