1、化工第二章第1頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二簡介氣體和液體統(tǒng)稱為流體。流體的主要特征 具有流動性；無固定形狀，隨容器形狀而變化；受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運動。本章的研究對象 流體流動規(guī)律，即流體在生產(chǎn)裝置內(nèi)的整體機械運動。流體的連續(xù)性假定 流體是由許多質(zhì)點組成的，彼此間沒有間隙，完全充滿所占有空間的連續(xù)性介質(zhì)。理想流體：無粘性，在流動中不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。第2頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二1 流體靜力學流體靜力學：研究流體在靜止狀態(tài)下平衡的規(guī)律。1-1 密度和相對密度密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量，用表示，單位是km-3。相對密度：物質(zhì)密度

2、與4時純水密度之比，用d表示。硫酸的相對密度d=1.84，即硫酸的密度為1840km-3。第3頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組分的混合物。對于1kg液體混合物(忽略體積的影響) ：對于1m3氣體混合物:wi為各組分液體的質(zhì)量分數(shù)；ji為氣體混合物中各組分的體積分數(shù)；第4頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二1-2 壓強壓力：流體作用于容器壁上的力壓強：流體垂直作用于單位面積上的力，即：P=F/A壓強SI單位：Nm-2，即Pa（帕斯卡）其他單位： atm, kgf-2，bar, 流體柱高度(mH2O, mmHg)，

3、換算關(guān)系如下：1atm=760mmHg=1.01325105Pa=10.33mH2O=1.033kgf-2 =1.01325bar1工程大氣壓=735.6mmHg=9.807104Pa=10mH2O=1kgf-2 =0.9807bar第5頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二1、以絕對零壓為起點而計量的壓強絕對壓強2、以大氣壓力為基準而計量的壓強當被測容器的壓強高于大氣壓時所測壓強稱為表壓（用壓力表測定），當測容器的壓強低于大氣壓時所測壓強稱為真空度（用真空表測定）。 換算關(guān)系：表壓絕對壓強-大氣壓強真空度大氣壓強-絕對壓強壓強的表達方式*為避免混淆絕對壓強、表壓、真空度，在

4、表示時應分別注明！第6頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二例： 天津和蘭州的大氣壓強分別為101.33kPa，和85.3kPa，苯乙烯真空精餾塔的塔頂要求維持5.3kPa的絕對壓強，試計算兩地真空表的讀數(shù)（即真空度）。解：真空度=大氣壓強-絕對壓強天津真空度=101.33-5.3=96.03kPa蘭州真空度=85.3-5.3=80kPa第7頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二例：有一密閉反應器，在反應前，舊式壓力表上顯示壓強為0.40kgfcm-2，反應終了并經(jīng)冷卻后，U形水銀壓強計示數(shù)為250mm（真空度），問該反應器內(nèi)，反應前后的絕對壓強各為多大？解

5、：(1)反應前壓力表指示為正壓絕壓 p=p0+p(表)=1.01105Pa+0.409.81104Pa =1.40105Pa(2)反應后壓力表指示為真空度，即為負壓絕壓 p=p0-p(真)=1.01105Pa-250133Pa=6.78104Pa第8頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二例：求空氣在真空度為400mmHg、溫度為-40時的密度。當?shù)卮髿鈮簽?50mmHg。解：空氣（以79的氮和21的氧計算）的摩爾質(zhì)量為：Mm=(280.79+320.21) 10-3 kgmol-1 =2.88410-2 kgmol-1絕對壓強p=p0-p(真)=(750-400)mmHg=3

6、50mmHg=46.7kPa由理想氣體狀態(tài)方程算出的空氣密度為第9頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二1-3 流體靜力學方程（一）流體靜力學基本方程推導：1、重力：F = A (Z1- Z2)g 方向向下2、作用在上表面的壓力：F1 = P1A 方向向下3、作用在下表面的壓力：F2 = P2A 方向向上 F+ F1+ F2 = 0 P2 = P1 +(Z1- Z2)g 或 p1/+Z1g=p2/+Z2g若將液體柱向上移至液面，而液面上方壓強為p0，液體柱高度差Z1- Z2 =h，h下表面距液面的深度，則可將上式改寫為： P2= P0 +hg流體靜力學基本方程適用于在重力場中

7、靜止、連續(xù)的同種不可壓縮流體，若氣體密度變化不大亦適用 第10頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二(二)靜力學基本方程的物理意義1等壓面 在靜止的、連續(xù)的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上各點的靜壓強相等（靜壓強僅與垂直高度有關(guān)，與水平位置無關(guān)）。2傳遞定律 流體上方壓強變化時，液體內(nèi)部各點的壓強也以同樣大小變化(帕斯卡原理）。3. 壓強p與其流體的密度有關(guān)4液柱高度表示壓強（或壓強差）大小 h=(p-p0)/g 5總勢能守恒 p/和zg分別表示單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能和位能。在同一種靜止流體中不同高度上的微元其靜壓能和位能各不相同，但其總勢能保持不變。第11頁，共56頁，2

8、022年，5月20日，1點10分，星期二例：本題附圖所示的開口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水層高度h2=0.6m、密度2=1000kg/m3。（1）判斷下列兩關(guān)系是否成立，即 pA=pA pB=pB（2）計算水在玻璃管內(nèi)的高度h。 第12頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二解：（1）判斷題給兩關(guān)系式是否成立pA=pA的關(guān)系成立。因A與A兩點在靜止的連通著的同一流體內(nèi)，并在同一水平面上。所以截面A-A稱為等壓面。pB=pB的關(guān)系不能成立。因B及B兩點雖在靜止流體的同一水平面上，但不是連通著的同一種流體，即截面B-B不是等壓面。 第13頁

9、，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二（2）計算玻璃管內(nèi)水的高度h由上面討論知，pA=pA，而pA=pA都可以用流體靜力學基本方程式計算，即 pA=pa+1gh1+2gh2 pA=pa+2gh于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh簡化上式并將已知值代入，得 8000.7+10000.6=1000h解得 h=1.16m第14頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二1-4 流體靜力學方程應用舉例1.流體壓力的測量（1）U形管壓強計（壓差計） 管中盛有與測量液體不互溶、密度為0的指示劑。U形管的兩個側(cè)管分別連接到被測系統(tǒng)的兩點, 得：p = p1 p2=(0 )

10、gRp = p1 p2=0 g R若被測量的流體是氣體，則：Z0AA第15頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二設指示液的密度為i，被測流體的密度為，A和A點在同一水平面上，且處于連通的同種靜止流體內(nèi)，因此，A和A點的壓力相等：而 所以 整理得 若被測流體是氣體，由于氣體的密度遠小于指示劑的密度，即： i ，上式可以簡化為： 第16頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二例 如圖所示，水在管道中流動。為測得A-A、B-B截面的壓力差，在管路上方安裝一U形壓差計，指示液為水銀。已知壓差計的讀數(shù)R150mm，試計算A-A、B-B截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別

11、為1000kg/m3和13600 kg/m3。 解：圖中，1-1面與2-2面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即:又 第17頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二U形壓差計所測壓差的大小只與被測流體及指示劑的密度、讀數(shù)差值有關(guān)。所以 整理得 代入數(shù)據(jù) 與U形壓差計的式子一樣第18頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二它以被測液體作為指示劑，采用如圖所示的倒U形壓差計形式。最常用的倒U形壓差計是以空氣作為指示劑，此時， （2）倒置U形管壓強計（壓差計）第19頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二（3）微差壓強計（雙液體

12、U管壓差計）為測量微小壓力差，常采用微差壓強計，可用于氣體系統(tǒng)的測量。結(jié)構(gòu)如圖：若兩種指示液的密度分別為A和C，兩測壓點之間的壓力差為：第20頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二（4）斜管壓差計 當所測量的流體壓力差較小時，可將壓差計傾斜放置，即為斜管壓差計，用以放大讀數(shù)，提高測量精度，如圖 此時，R與R的關(guān)系為式中為傾斜角，其值越小，則讀數(shù)放大倍數(shù)越大。 第21頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二例 用U形壓差計測量某氣體流經(jīng)水平管道兩截面的壓力差，指示液為水，密度為1000kg/m3，讀數(shù)R為12mm。為了提高測量精度，改為微差壓力計，指示液A為含4

13、0乙醇的水溶液，密度為920 kg/m3，指示液C為煤油，密度為850 kg/m3。問讀數(shù)可以放大多少倍？此時讀數(shù)為多少？ 解：用U形壓差計測量時，被測流體為氣體，壓強差為：用微壓差計壓差計測量時，壓強差為： 因為所測壓力差相同，聯(lián)立以上二式，可得放大倍數(shù) 此時雙液體U管的讀數(shù)為第22頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二液位計液位計化工生產(chǎn)中指示生產(chǎn)設備內(nèi)物料貯存量的儀表。證明：pA=pBpA=p1+gh1pB=p2+gh2p1+gh1=p2+gh2因玻璃管上部與容器相通，故p1=p2 因此 h1=h2 ， 即玻璃管內(nèi)的液位與容器內(nèi)液位等高。思考：如何證明玻璃管內(nèi)的液位與容

14、器內(nèi)液位等高？第23頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二液封 液封，用液體的靜壓來封閉氣體通道的裝置，用以防止貯氣柜或氣體洗滌塔等生產(chǎn)設備內(nèi)氣體外溢。也可用于設備超壓時泄壓和防止氣體倒流等。為安全起見，一般h值應略大于(p-pa)/(水g)第24頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二2 流體流動2-1 流體的流量和流速流量單位時間內(nèi)通過導管任一截面的流體量稱為流量(或流率)。用體積來計量，為體積流量，以符號qv表示，單位m3s-1；用質(zhì)量來計量，為質(zhì)量流量，以符號qm表示，單位kgs-1；用物質(zhì)的量表示，為摩爾流量，以符號qn表示，單位mols-1。質(zhì)量流

15、量與摩爾流量的關(guān)系為：體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為： 第25頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二流速單位時間內(nèi)流體在導管內(nèi)沿流動方向所流過的距離稱為流速，以u表示，單位為 ms-1。u=qV/S S與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2實際流體在管道內(nèi)同一截面上各點的流速不相同，存在著流速分布。通常說的流速是指平均流速。平均流速以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示：第26頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二管徑與流速的關(guān)系一般化工管道為圓形，則：流量是由生產(chǎn)任務決定，流速的大小與管路建設投資和運行操作費用密切相關(guān)。因此，應選擇最佳的經(jīng)濟流速。 流

16、體的種類及狀況流速范圍/ms-1流體的種類及狀況流速范圍/ms-1水及低粘度液體13壓力較高的氣體1525粘度較大的液體0.518大氣壓以下的飽和水蒸氣4060低壓氣體8153大氣壓以下的飽和水蒸氣2040易燃易爆低壓氣體（如乙炔等）4000查表20的純水，密度=998 kg/m3，粘度=10-3Pas;同心套管的當量直徑de = D-d= (27-21.3) mm=5.7mm體積流量達到1.5210-4m3s-1時才能達到穩(wěn)定湍流。第37頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二2-4 牛頓粘性定律粘性是流體流動時產(chǎn)生的阻礙流體流動的內(nèi)摩擦力。粘度是衡量流體粘性大小的物理量。對

17、于一定的液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的速度差u呈正比，與兩層間的接觸面積A呈正比，而與兩層間的垂直距離y呈反比，即： F(u/y) A 引入比例系數(shù) ，則： F(u/y) A 只適用于u與y呈直線關(guān)系第38頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二du/dy速度梯度，即在與流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率比例系數(shù)，稱為動力粘度或粘度。 流體在管內(nèi)流動時，速度分布呈拋物線形內(nèi)摩擦應力或剪應力，Nm-2；牛頓粘性定律第39頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二流體的粘度 物理意義 流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應力。影響因素液體的

18、粘度，隨溫度的升高而降低，壓力對其影響可忽略不計；氣體的粘度，隨溫度的升高而增大，一般情況下也可忽略壓力的影響，但在極高或極低的壓力條件下需考慮其影響。 第40頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二單位SI單位制：物理單位制：換算關(guān)系：1P100cP(厘泊)10-1 Pas 第41頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二（1）氣體在一定直徑的圓管中流動，如果qm不變，溫度升高，Re是否有變化?思考：（2）在相同的溫度和壓力下，如果空氣和水分別在相同的圓管中以相同的qv流動，它們的Re數(shù)是否相同?第42頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二2-

19、5 流動邊界層流體在平板上流動時的邊界層：主流區(qū)邊界層區(qū)邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應力不可忽略。 （u=0 99% u0） 主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應力可以忽略，可視為理想流體。（u 98% u0） 第43頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二邊界層流型第44頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層 穩(wěn)定段長度(L0)：流體流動從管道入口開始形成邊界層起直到發(fā)展到邊界層在管道中心匯合為止的長度。 層流：湍流：第45頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二邊界層的分離

20、 A B：流速逐漸增加，壓力逐漸減??；B點流速最大；B C：流速逐漸減小，壓力逐漸增加；CC以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，邊界層分離。 ADBCC分離點倒流駐點第46頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二（1）流體沿壁面流動可簡化為邊界層區(qū)和主流區(qū)。 邊界層內(nèi)由于 du/dy值較大，粘性應力不可忽視。在主流區(qū)內(nèi)，du/dy0 ，可忽略粘性應力，此區(qū)流體可視為理想流體。（2）流體在圓管內(nèi)流動時，測量儀表應安裝在進口段以后。 （3）邊界層概念的提出對傳熱與傳質(zhì)的研究具有重要意義。 討論邊界層的意義第47頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二2

21、-6 動量傳遞概念動量梯度運動粘度沿動量傳遞的方向速度減小剪應力的量綱：層流流動時的動量傳遞速率方程：湍流時總體動量傳遞速率：高度湍流時，層流內(nèi)層和過渡層的動量傳遞速率可忽略。第48頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二粘度與密度的比值表示，稱為運動粘度，以符號表示 SI單位制：m2s-1 物理單位制： cm2s-1 (沲，st）1st=100 cst(厘沲)=10-4m2s-1運動粘度第49頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二例 在168mm5mm的無縫隙鋼管中輸送原料油，已知油的運動粘度為 90cst，密度為 910 kgm-3，試求燃料油在管中作層流時的臨界速度。解：層流時Re的臨界值為2000，其中 d =168-25 = 158mm = 0.158m =/= 90cst =9010-210-4m2s-1= 910-5m2s-1整理得：燃料油在管中作層流時的臨界速度為1.14ms-1。第50頁，共56頁，2022年，5月20日，1點10分，星期二2-7 流速分布層流如上圖所示，流體在圓形直管內(nèi)作定態(tài)層流流動。在圓管內(nèi)，以管軸為中心，取半徑為r、長度為l的流