化工原理教案.第一章

1、第一章流体流动1.1概述气体和液体统称为流体。该流程的设计安装过程中，有如下问题需要解决:1.如何确定输送管路的直径，如何合理布置管路，以保证既能完成输送任务，又经济节约。2.如何计算流体输送过程中所需的育匕旦以确定所需输送机械的功率。3.选用何种仪表对管路或设备中的流速、流量、压强等参数进行测本章的学习要求就是能熟练解决上述问题。1流体静止的基本方程1.质量和密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。r=Mkg/m32、重量与重度单位：单位体积流体所具有的重量称为流体的重度。Y=G3、比重N/m3单位：某物质的密度与4°C时水的密度之比称为该物质P,液d二_比重无的比重。P4&#

2、176;C水单位1?概念压力一一单位面积上所受的垂直作用力。单位：N/m2系统的实际压力称为绝压。1大气压时，采用压力表测压，压力表读当系统的实际压力小于1大气压时，采用真空表测压，真空表读数称为真空度读数范围：表压0；0真空度1o相互关系：绝压二大气压+表压AJj大气压绝压绝压绝对零压线三、流体静力学基本方程作用在液柱顶面的总压力=PidA作用在液柱顶面的总压力=P2dA液柱自身重=pg(Z1-Z2)dA液柱处静止状态，则其受力平衡。ZiZ2Z2P2本方程流体静力学基本方程的物理意义结论Pi+Z1pgPi/p+gZi流体静力学基式中：P/p、gZ的单位P2+Z2pP2/p+g1、静止流体内任

3、一点的压力P的大小与该点的深度H有关，H越大，P越大。2、液面压力有变化，将引起液体内部各点压强发生同样大小的变化。巴斯葛定律3、液柱高度可以表示压力大小，也可以表示静压能和位能。4等压面的概念：只受重力时，连续的同一种静止流体内，同四、液柱压差计1、 U形管压差计PjPl、LP=PiJ=（族-ggR2、 双液体U形管压差计3、 倾斜液柱压差计例1:下列各空气系统中，U形管水银柱的读数反映的是什么压力（表例2:测压管分别与A、B、C三个设备相连通，连通管的上部是水银，下部是水，三个设备内液面在同一水平面上，问：(1) 1、2、3三处压强是否相等？(2) 4、5、6三处压强是否相等？(3) 7、

4、8、9三处压强是否相等？若hi=10cm,h2=20cm,已知设备A直接通大气(大气压强为101.33X103Pa)。求B、C两设备内液面上方P1PH§2流体流动的基本方程、基本概念流体的流量和流速1、 流量：单位时间内流过管道任一截面的流体的量。1） 体积流量：单位时间内流过管道任一截面的流体体积。算式:VS=V单位：m3/se2） 质量流量：单位时间内流过管道任一截面的流体质量。算式：mS=m单位：kg/s2、 流速：流体质点在单位时间内流过的距离。1）平均流速：流体流量与流道面积之比。（通过单位面积的体积流量）。msA"A单位： m / sms、V5、u三者关系：ms

5、=Vs?C=uA?2）质量流速：单位时间内流经管道单位截面的流体质量。（单位面积的质量流量）。算式：G=mS/A=Vs-?/A=u?单位：kg/m2s不可压缩流体常用体积流量和平均流速；可压缩流体常用质量流量和质量流速。二、稳定流动和不稳定流动1、稳定流动的物料衡算流体在管道中流动时，管道任一截面处的流速、流量、压力等有关物理量都不随时间而变化，这种流动称为稳定流动111Fr-i/物料衡算A-i比=庆2U2=AU3二常数2Ui4d2生U2AiJIddi4连续性方程2、不稳定流动的物料衡算I1d物料Fd-Dd二dW衡算式：dW式中：F瞬时进料流量。kg/h瞬时出料流量。kg/hW衡算范围内的物料

6、累计量。kk/hd.微分时间。h式表示在微分时间内，进出物料量之差等于此时间内物料量的变化（变化率）。式表示瞬时进料流量与瞬时出料流量之差等于衡算范围内物料累计量随时间而变化的变化率。例：水槽底部有一孔，已知从此孔将水放出的速率与槽内液面高度及孔的截面积有关，其关系式如下：V=0.62SO2gh式中V:水放出的速率。m3/s;So:孔的截面积。m2h:槽内液面图度。mg:重力加速度。现有水槽直径为0.4m,孔的截面积为10cmi若槽内水面高度为0.6m,求槽内的水放完需多少时间？、流体流动的基本方程一一机械能守恒方程1、流体流动时的机械能静压能、位能和动能1）、位能：流体在重力作用下，因高于某

7、一基准面所具有的Na匕目,目匕建。质量为m的流体具有位能为mgz单位：2）、压力能（静压能）：流体因有一定的压强而具有的能量或流动中因克服一定的压力所做的功静压能=F?L=F?V/A=P?V所以，质量为m的流体所具有的静压能为PV单位:3）、动能：是流体因以一定的流速运动而具有的能量。质量为m的流体的动能为-m以单位：22、流体流动的机械能守恒式（柏努利方程）根据能量守恒原则，流体在流动过程中，其机械能守恒。对于无外加功的理想流体（如图），则有：-2-2mgz+PAV+-mg=mgz2+P2V+-mu222g乙+p1+-ui2=gz2+旦+1u22|J2-：2对于下图含有泵输入外加功的非理想流

8、体的输送，其机械能守恒式应为:试写出非理想流体输送的柏努利方程+' Wfgzi+PL+-ui2+We=gZ2+P+I,U2222Zi+u-+he=Z2+巴+一2gPgh一温林流动的机械能守恒流体流动的基本方程柏努利方程3、柏努利方程的讨论1）流体在管道内作稳定流动时，流体的动能、位能和静压能可以互相转化，但管道内任一截面流体机械能守恒。2）若ui=0,U2=0,则柏努利方程与流体静止的基本方程相吻合。所以，柏努利方程描述了流体流动和静止的基本规3)通过对方程中we和he的计算，可以求得流体输送设备所需的功率。有用功率N有二we-msN有二he-ms-g单位：效率n=N有/N总二he-m

9、s-g/N总4)方程中hf为流体流动的能量损失，其值永远是正值，求法在后面讨论4、柏努利方程的应用1) 作图，标出流动方向和主要数据。使计算系统清晰，有助于正确理解题意。2) 选取截面，截面之间为衡算范围。具体要求为：按柏努利方程，1面为流体进入系统截面，2面为流体流出系统截面，绝不能颠倒。探所选截面应与流体流动方向垂直；两截面间流体连续。探所选截面上已知条件应足够多，以便于解题。3）为计算方便，可取两截面中较低的面为基准面（零位能面）4）方程两边各相的物理意义和单位必须一致。例1:如图，液体从高位槽流向某容器加料，若槽内液面保持恒定，管出口处和槽液面均通大气，管路中全部压头损失为2米液柱。求

10、当液体在管路中的流速要达到1m/s时，槽液面应比管出口高多少？1例2:某间用压缩空气来压送98%浓硫酸（比重为1.84）,从底层送至15米高处。每批压送量0.3立方米，要求10分钟压完若压头损失为0.8米硫酸柱，管径为38X3mm,试求压缩空气的最低表压。15米/卜压缩空气例3:某厂利用喷射泵（如图）来吸收氨。如果导管中稀氨水的流量为10吨/小时，喷射泵的入口处压强为1.5kg/m2（表压），稀氨水密度为1000kk/m3,压头损失可忽略不计。试求喷射泵内管喷嘴处的压强。（已知内管管径为53,喷嘴处口径为13)例4:用离心泵将料液向精馏塔供料，若精馏塔内表压为5kg/cm2，贮罐液面与进料口之

11、间的距离为20米。设输送系统中的压头损失为5米液柱，若料液的密度为900kk/m3,管内径为25mm,每小时送液量2吨。求外加功和泵的功率。1、粘性所以，内摩擦力又称为粘性应力。2、1)2）粘性应力的计度差成正比，与两流体间的垂直距离成反比。粘性与粘度决定流体流动内摩擦力大小的物理性质称为粘性。粘性的物理性质来自两个方面：所以，粘性是分子运动的宏观表现。体积力：作用于流体每个质点，其大小与流体的质表面力：作用与流体的某一截面的力，其大小与该X相邻两流体层分子间的吸弓I力X分子运动时发生的相互碰撞牛顿粘性定律体积垂直于表面的表面力压力，单位面积上的力与表面力作用于流体每个质点，其大小与流体的质量

12、成正比。如重力、离心力。作用与流体的某一截面的力，其大小与该剪力为剪应力或应力。粘性应力的计算对大多数流体，粘性应力的大小与两流体间的速截面面积成正比。压力为压强。平行于表面的表面力剪力，单位面积上的dy牛顿粘性定液体的粘度气体的粘度粘度的单位:物理单位制:SI单位制：两单位换算：牛顿型流体一一服从牛顿粘性定律的流体非牛顿型流体一一不服从牛顿粘性定律的流体3、粘度J流体的粘度是流体固有的一种物理性质o温度和压力对粘度的影响如下:温度升高压力增大降低变化可以不计升高常压下可不计，极高压或极低压下不能不计、流动型态2收，:流型”流：;口流第一种流型：流动的流体内部各质点严格作直线运动，流体整体作分

13、层流动，层次分明，彼此互不混杂，致使有色线流保持一直线，称这种流型为层流或滞流。第二种流型：流体总体上沿管道向前流动，同时，各质点还在各方向上作随机脉动，这种无序的脉动使有色线抖动、弯曲、断裂、分散。这种流型称为湍流或紊流。3、流型的判据一一雷诺数流型的影响因素：管径d;流体流速u;流体粘度J湍流流体密度实验证明：管径d增加流体流速u增加>湍流流体密度'增加湍流流体粘度增加>层流则由以上影响因素组成雷诺数群Re单位:实验测得：Re乞200寸0,流体流型为层流；Re一400寸0,流体流型为湍流；2000Re40时，流体流动型态可能是层流，也可能是湍流，由外界条件而定。此区为过

14、渡状态。流体流动型态只有两种：层流与湍流。过渡状态不单独为一流型。§4管内流动的阻力损失直管阻力：流体流经一定直径的直管道时产生的阻力。局部阻力：流体流经管路中的某些管件、阀门及管截面扩大或缩小等局部地方所产生的阻力。一、圆形直管阻力损失的计算通式=九d2g范宁公式范宁公式实用于层流和湍流，所以称之为圆形直管阻力损失的计算通式。二、摩擦系数范宁公式中的比例系数称为摩擦系数。单位：1、层流的摩擦阻力系数层流的摩擦阻力系数是雷诺数的函数。64A=Re2、湍流的摩擦阻力系数1粗糙度；与相对粗糙度d2) 光滑管与粗糙管3) 粗糙度对摩擦阻力的影响4) 湍流摩擦阻力的因次分析因次和谐的函数关系

15、（因次和谐即方程等号两边的因次完全相同）。定律：任何因次一致的物理过程都可以表示为一组无因次数群之间的函数关系，无因次数群的个数i等于该物理方程中所含物理量的个数n减去所含基本因次的个数m。i=nm因次分析的局限性：因次分析式把过程的函数关系式变成了因次符号，这些符号不能反映过程的机理和本质，只有把因次分析的结果通过实验与实验数据结合起来，才能得到物理过程的具体数学表达式。3、摩擦系数，与雷诺数Re及管壁相对粗糙度；7的关d系曲线1)层流区Re岂2000与管壁粗糙度无关，而与Re成直线关系。64=2) 过渡区Re2000Re4000过渡区流体流动型态可能是层流，也可能是湍流。为安全起见，一般以

16、湍流区的一只。曲线反向延伸查取过渡区的值3) 湍流光滑管区Re-4000时的最下面一条一Re曲线。该区内层流内层厚b大于光滑管壁绝对粗糙度，因此与Re无关二4000100000时，该区的数学式为0.3164Re0.25布拉修斯(Blasius)4) 湍流粗糙管区Re一4000及虚线以下和光滑管线以上此区内管内流型为湍流，值与Re及d有关常用的经验公式为柯尔布鲁克(Colobrook)公式:d二2log1.14-2log19.35ReJ5) 完全湍流区人图中曲线以上的区域，该区内Re曲线近似为一水平直线，说明值与Re无关，只与有关，则，2与流速无关，因此，hf兀u。所以，完全湍流区又称阻力平方区

17、该区的经验公式为：-L二1.124-2.5logd三、局部阻力计算1、阻力系数法将因局部阻力弓I起的能量损失表示为动能的某个倍数：2g2、当量长度法将流体流经管件或阀门的局部阻力折算成与其相连的一定长度的直管的阻力，所折算的直管长度称为该管件或阀门的当量长度，用le表示。则局部阻力的计算式为：Lleu2hfd2g总阻力计算式为：LleXd2g例1:自河中将20C的水送到高处，采用JJ1404?5mm的普通钢管，其丁为0.0008。管路全长150m,上有d90。标准弯头6个，全开闸阀一个，摇板式单向阀一个。管出口高于河面20m,要求供水量为121m3/h。求水泵的有效功率例2:利用高位槽向某反应

18、器加料，槽液面与加料口之间的垂直距离为7m,加料管为“452.5mm的无缝钢管（；=0?1mm）。管路中有90。标准弯头4个，全开闸阀2个，全开截止阀1个，转子流量计一个，管路中直管部分长30mb料液的密度为870kg/m3,粘度为0.72cp。试求该管路的最大加料量。（高位槽与管出口均通大气）四、非圆形直管的当量直径流体流经非圆形直管的流动阻力与流经某直径为de的虚拟圆直管的流动阻力相当，则该虚拟圆直管的直径de即非圆形直管的当量直径。对于一内径为d、长度为I的圆形管道，其容积为-d21/4,其表面积为-dI。则有4 d2 I/44汇流过流体体积,=,兀dI被流体润湿的表面积4, 一 2 IJ 4汉流体流过截面积 d =; ?兀d润湿周边所以，非圆形管道的当量直径为:4流体流过截面积de润湿周边§5流量测量工测速管（Pitot皮托管）皮托管用于测量管内某点的流速（点流速）1、结构3、4、2、原理1)2)EU AWPAPB _ UAg g2g卜 MPa - Pb)pPA -PB = "- g RU Umax R