绪论 流体流动与输送922

1、化学工程基础化学工程基础Elementary Chemical EngineeringDr.Dr.潘传艺潘传艺 绪论绪论l1. 化工技术学科的发展化工技术学科的发展l1893年 ，Chicagol1957年，化学反应工程学，化学工程学l2. 化学基础课的内容和学习目的化学基础课的内容和学习目的l化学工程学的基础知识l3.化工过程开发 (一）化工过程开发的含义和步骤l开发基础研究 basic researchl过程研究process researchl工程研究 engineering researchl概念设计Conceptual design; 基础设计l化工技术经济分析Economical

2、Efficiency Analysis for Chemical Technology（二）过程研究的步骤和内容l“小试” 小型工业模拟试验lLaboratory scale testsl模型试验lModel testsl“中试” 中间工厂试验lPilot scale tests概念设计的内容和方法l方案概述Process synthesisl工艺过程优化optimizationl物料衡算和能量衡算material&energy balancel主要工艺条件 time,press,ratio,l工艺流程图和设备规格表process flow第一章第一章 流体流动与输送流体流动与输送In

3、 physics, a fluid is a substance that continually deforms (flows) under an applied shear stress, no matter how small. Fluids are a subset of the phases of matter and include liquids, gases, plasmas and, to some extent, plastic solids.1.11.1流体概述流体概述什么是流体，流体具有什么特性？什么是流体，流体具有什么特性？流体就是在承受剪应力时将会发生连续变形的物体

4、.流体是液体和气体的总称，是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。在分子层面上，质量在空间分布是不连续的，运动在空间和时间是都是不连续的。定态流动与不定态流动定态流动与不定态流动 按照流体流动时的流速以及其他和流动有关的物理量按照流体流动时的流速以及其他和流动有关的物理量（如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分（如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成：成： 定态流动定态流动( (Steady flow ) )：流速以及其他和流动：流速以及其他和流动有关的物理量不随时间而变的流动。有关的物理量不随时间而变的流动。

5、不定态流动不定态流动( (Unsteady flow ) )：流速以及其他和：流速以及其他和流动有关的物理量随时间而变的流动流动有关的物理量随时间而变的流动。稳定流动稳定流动不稳定流动不稳定流动1.2 1.2 流体静力学流体静力学 理想气体的密度：理想气体的密度：标准状态（标准状态（1atm，0 ）下每）下每kmol气体的体积为气体的体积为22.4 m3，则其密度为，则其密度为4 .220M 气体的千摩尔质量气体的千摩尔质量kg/kmol理想气体标准状态下理想气体标准状态下的密度，的密度，kg/ m3TMpTTpp1203. 0000 理想气体理想气体T，p下的密下的密度，度，kg/ m3RT

6、pMVnMVm 或或注：注：以上以上3式只适用于理想气体。式只适用于理想气体。1.2.2 1.2.2 压强的单位和定义压强的单位和定义 流体的压强（流体的压强（p）是作用于单位面积上的力。称作用于整是作用于单位面积上的力。称作用于整个面上的力为总压个面上的力为总压强强。 APp 压力（小写）压力（小写）力（大写）力（大写）面积面积PamN2 p1.2.2 压强压强(Pressure)1.2 流体静力学（流体静力学（Fluid Statics）1.2.1 1.2.1 密度密度 Vm kg/m3 ),(tpf 不可压缩流体：不可压缩流体：压力改变时其密度随压力改变很小的流体。压力改变时其密度随压力

7、改变很小的流体。可压缩流体：可压缩流体：压力改变时其密度随压力改变有显著变化的压力改变时其密度随压力改变有显著变化的 流体。流体。液体：液体：= = f ( T ) 不可压缩流体不可压缩流体(Incompressible Fluid)气体：气体： = = f ( T ，p) 可压缩流体（可压缩流体（Compressible Fluid） 注：注：若在输送过程中压力改变不大，气体也可按不可压若在输送过程中压力改变不大，气体也可按不可压缩流体来处理。缩流体来处理。1at1at（工程大气压）（工程大气压）= 1kgf/cm= 1kgf/cm2 2 =9.807 =9.80710104 4 N/N/m

8、 m2 2(Pa)(Pa) =10 mH =10 mH2 2O O =735.6 mmHg =735.6 mmHg常见的压力单位及它们之间的换算关系常见的压力单位及它们之间的换算关系 1atm =101300Pa=101.3kPa=0.1013MPa1atm =101300Pa=101.3kPa=0.1013MPa =10330kgf/m =10330kgf/m2 2=1.033kgf/cm=1.033kgf/cm2 2 =10.33mH =10.33mH2 2O O =760mmHg =760mmHg1.2.2 流体的静压强流体的静压强真空度真空度压强压强表压表压大气压大气压绝对真空绝对真空

9、绝压绝压绝压绝压图图1-8 压强的基准和度量压强的基准和度量1.2.2 1.2.2 压压强强的表示方法（压强的基准）的表示方法（压强的基准） 压强的大小常以压强的大小常以两种不同的基准两种不同的基准来表示：一是来表示：一是绝对真空绝对真空，所测得的压强称为所测得的压强称为绝对压强绝对压强；二是大气压强，所测得的压强称；二是大气压强，所测得的压强称为为表压表压或或真空度真空度。一般的测压表均是以大气压强为测量基准。一般的测压表均是以大气压强为测量基准。（1 1）被测流体的压力）被测流体的压力 大气压大气压表压表压 = 绝压大气压绝压大气压pm = pabpa即即（2 2）被测流体的压力）被测流体

10、的压力 流体真正得到的功率流体真正得到的功率即即 轴功率轴功率P 有效功率有效功率Pe效率效率1ePPePP emew qP柏努利方程柏努利方程(Bernouli)衡算基准不同时的柏努利方程衡算基准不同时的柏努利方程) 以单位重量流体为衡算基准以单位重量流体为衡算基准 fewugzpwugzp222221112121 J/kggwguzgpgwguzgpfe 2222222111 mNJm/skgJ2 令令gwhgwhff ,ee流体输送机械对每牛顿流体所做的功流体输送机械对每牛顿流体所做的功 fehguzgphguzgp2222222111 位头位头（位压头）（位压头）压力头压力头（静压头）

11、（静压头）速度头速度头（动压头）（动压头）泵的扬程泵的扬程压头损失压头损失总压头总压头柏努利方程柏努利方程(Bernouli)以单位体积流体为衡算基准以单位体积流体为衡算基准 ftpugzppugzp2222222111 33mJmkgkgJ 全风压全风压压力降（阻力损失）压力降（阻力损失） 注注：柏努利方程是针对理想流体而又无外功加入时的以柏努利方程是针对理想流体而又无外功加入时的以单位质量为衡算基准的机械能衡算式，实际流体的以单位质单位质量为衡算基准的机械能衡算式，实际流体的以单位质量为衡算基准的机械能衡算式我们称为量为衡算基准的机械能衡算式我们称为实际流体的柏努利方实际流体的柏努利方程程

12、。 fewugzpwugzp222221112121 J/kg柏努利方程柏努利方程(Bernouli)不稳定流动不稳定流动 在工程实际中有时会遇到不稳定流动的状态，如开工在工程实际中有时会遇到不稳定流动的状态，如开工阶段，此时可根据某个流动的瞬间列出物料衡算式（微分阶段，此时可根据某个流动的瞬间列出物料衡算式（微分方程），然后进行积分。方程），然后进行积分。对可压缩流体（如气体）对可压缩流体（如气体） 对可压缩流体，其对可压缩流体，其是随压力的变化而变化的，在流体是随压力的变化而变化的，在流体输送过程中，输送过程中，p是变化的，因此是变化的，因此也是变化的，但是对于也是变化的，但是对于短距短距

13、离输送离输送，可把，可把看作常数，或者当看作常数，或者当2%2021m121 时时ppp1.4 1.4 动能衡算方程动能衡算方程2%2021m121 时时ppp1.4 1.4 流体的流动现象流体的流动现象牛顿粘性定律牛顿粘性定律 影响流体流动时内摩擦大小的因素很多，其中属于物理性质方面的是流体影响流体流动时内摩擦大小的因素很多，其中属于物理性质方面的是流体的粘性。流体具有流动性，同时又具有抵抗两层流体相对滑动速度的性质粘性的粘性。流体具有流动性，同时又具有抵抗两层流体相对滑动速度的性质粘性称为称为粘度粘度。剪力与剪应力。剪力与剪应力A u=0B u=0动力粘度简称粘度，动力粘度简称粘度，Pas

14、 速度梯度速度梯度1.4 1.4 流体的流动现象流体的流动现象 牛顿粘性定律适用于牛顿粘性定律适用于牛顿型流体牛顿型流体（Newtonian fluids），），即速度梯度与剪应力成线性关系；不符合牛顿粘性定律的流即速度梯度与剪应力成线性关系；不符合牛顿粘性定律的流体称为体称为非牛顿型流体非牛顿型流体（Non-newtonian fluids）。）。 sPamsNmm/sN/mdd22 yu 动力粘度动力粘度(Viscosity) )1.4.2 1.4.2 两种流动型态和雷诺准数两种流动型态和雷诺准数流体流动型态流体流动型态雷诺实验雷诺实验1.4.2 1.4.2 两种流动型态和雷诺准数两种流动

15、型态和雷诺准数流型的判据流型的判据 du Re 0002233smkgsmm/skgkg/mm/smsPakg/mm/smRe ud层流（层流（Laminar Flow）：）：Re 4000；2000 Re 4000时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是时，有时出现层流，有时出现湍流，或者是二者交替出现，为外界条件决定，称为过渡区。二者交替出现，为外界条件决定，称为过渡区。流型只有两种：流型只有两种：层流和湍流层流和湍流。质量流速质量流速1.4.2 1.4.2 两种流动型态和雷诺准数两种流动型态和雷诺准数雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义 当当Re较大时，流体的惯性力大于粘性力，占主导地位，较大

16、时，流体的惯性力大于粘性力，占主导地位，流体的湍动程度大，流体流动形态为湍流；而当流体的湍动程度大，流体流动形态为湍流；而当Re较小时，较小时，流体的粘性力大于惯性力，占主导地位，流体的湍动程度小流体的粘性力大于惯性力，占主导地位，流体的湍动程度小，流体流动状态为层流；即，流体流动状态为层流；即Re越大，流体湍动程度越大。越大，流体湍动程度越大。1.4.2 1.4.2 两种流动型态和雷诺准数两种流动型态和雷诺准数 流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形流体对球体或圆柱体的绕流会产生边界层分离现象，形成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体的阻力损失增大。这成旋涡，造成机械能损耗，表现为流体

17、的阻力损失增大。这种阻力称为种阻力称为形体阻力形体阻力。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪。而流体沿管道流过因速度梯度产生剪应力所引起的流动阻力称为应力所引起的流动阻力称为表皮阻力表皮阻力（或（或摩擦阻力摩擦阻力）。）。 若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体若流体所经过的流道有弯曲、有突然扩大或缩小，流体流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，流经管件、阀门等地方，同样会出现边界层分离，产生旋涡，引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分引起能量损耗。故在流体输送中应设法避免或减轻边界层分离造成的阻力损失。但边界层分离对传热及混合，却有促进离造成的阻力损失。但

18、边界层分离对传热及混合，却有促进作用，有时也要加以利用。作用，有时也要加以利用。1.5 1.5 流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失1.5 1.5 流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失（流体在管内的阻力损失（Friction lossFriction loss ）两种阻力损失两种阻力损失 直管阻力损失直管阻力损失（wf）：流体流过直管造成的机械能损失）：流体流过直管造成的机械能损失称为直管阻力损失。称为直管阻力损失。 局部阻力损失局部阻力损失（wf）：流体流经管件（弯头、三通、阀）：流体流经管件（弯头、三通、阀门）造成的机械能损失称为局部阻力损失。门）造成的机械能损

19、失称为局部阻力损失。fffwww直管阻力损失，直管阻力损失，J/kg局部阻力损失局部阻力损失, J/kgfffhhh直管压头损失，直管压头损失，m局部压头损失局部压头损失, mfffppp直管压力降，直管压力降，N/m2局部压力降，局部压力降，N/m21.5 1.5 流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失摩擦系数图摩擦系数图（Friction factor chartFriction factor chart） 1944年莫狄（年莫狄（Moody）根据实验数据将圆管）根据实验数据将圆管、Re 、 /d关系标绘在双对数坐标上，以便查得摩擦系数，如图关系标绘在双对数坐标上，以便查得摩擦系数，如图

20、1-27所示。所示。 坐标：坐标： 直角坐标；直角坐标； 单对数坐标单对数坐标：其中一个坐标为对数坐标，另一个为直角：其中一个坐标为对数坐标，另一个为直角坐标；坐标； 双对数坐标双对数坐标：两个坐标均为对数坐标。：两个坐标均为对数坐标。 本图为双对数坐标，纵轴为摩擦系数，横轴为雷诺数，其本图为双对数坐标，纵轴为摩擦系数，横轴为雷诺数，其刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为刻度按坐标的对数值标绘的，坐标上的刻度即为、Re的真实的真实值；其中曲线体现的是对数关系。值；其中曲线体现的是对数关系。 1.5 1.5 流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失0.050.040.030.020.015

21、0.010.0060.0040.0020.0010.00060.00020.00040.00010.00005湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）湍流区（图中红色虚线上方为完全湍流区）层流层流过渡区过渡区1031041051061071080.010.10摩擦因数摩擦因数 雷诺准数雷诺准数Re相对粗糙度相对粗糙度d/24 624 624 624 624 60.0080.020.030.040.050.060.070.08光滑管光滑管图图1-27 摩擦因数摩擦因数与与Re 、 /d的关系曲线的关系曲线1.5 1.5 流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失对摩擦系数图应掌握好对摩擦系数图应掌握

22、好“二线三区二线三区” （1） Re2000为为层流区层流区，与与/d无关，无关，log随随logRe直线直线下降，其斜率为下降，其斜率为-1。此区内，说明。此区内，说明阻力损失阻力损失wf与流速与流速u的一次的一次方成正比方成正比。 （2） Re=20004000为为过渡区过渡区，在此区域内，流体的流，在此区域内，流体的流型可能是层流，也可能是湍流，视外界条件而定，为安全起型可能是层流，也可能是湍流，视外界条件而定，为安全起见，对流动阻力计算，一般将湍流时的见，对流动阻力计算，一般将湍流时的 Re曲线延伸查取曲线延伸查取的值。的值。 （3） Re4000及虚线以下和光滑管及虚线以下和光滑管

23、Re曲线以上的区曲线以上的区域为域为湍流粗糙管区湍流粗糙管区。在这个区域内，管内流型为湍流，。在这个区域内，管内流型为湍流， = （ Re ， /d）。）。 /d 一定，一定， Re， ； Re一定，一定， /d ， 。1.5 1.5 流体在管内的阻力损失流体在管内的阻力损失 （4） Re4000时的最下面一条时的最下面一条 Re曲线为曲线为湍流光滑管湍流光滑管区区，管内流型为湍流，管内流型为湍流， 0， =（Re）。当）。当Re=5000100000时，时， =0.3164/ Re0.25。 （5） 虚线以上的区域为虚线以上的区域为完全湍流区完全湍流区， Re曲线近似水曲线近似水平，平， 与

24、与Re无关，只与无关，只与/d有关。对于一定管道，有关。对于一定管道， /d为定值，为定值， =常数，由范宁公式，可知常数，由范宁公式，可知 22f2uudlp 所以完全湍流区又称阻力平方区。由图可知，所以完全湍流区又称阻力平方区。由图可知，/d ，达到阻力平方区的，达到阻力平方区的 Re 。1.5 1.5 阻力损失计算式的应用阻力损失计算式的应用- -乌氏粘度计乌氏粘度计1.5 1.5 阻力损失计算式的应用阻力损失计算式的应用- -乌氏粘度计乌氏粘度计1.5 1.5 阻力损失计算式的应用阻力损失计算式的应用- -乌氏粘度计乌氏粘度计1.6 管路计算管路计算11 22 22 11 循环管路循环管路不等径管路不等径管路等径管路等径管路简单管路的特点：简单管路的特点： 通过各管