化工原理__第一章__流体流动.doc

第一章  流体流动
第一节  概述
§、概述
1、流体—液体和气体的总称。
流体具有三个特点
①
流动性,即抗剪抗张能力都很小。
②
无固定形状,随容器的形状而变化。
③
在外力作用下流体内部发生相对运动。
2、流体质点:含有大量分子的流体微团。
流体分子自由程<流体质点尺寸<设备大小
    流体质点成为研究流体宏观运动规律的考察对象。
3、流体连续性假设:
    假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙,完全充满所占空间的连续介质。
    连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动,而从宏观的角度来研究流体的流动规律,这时,流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布,从而可用连续函数的数学工具加以描述。
    流体流动规律是本门课程的重要基础,这是因为:        
①
流体的输送
研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。
②
压强、流速及流量的测量
为了了解和控制生产过程,需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量,这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。
③
为强化设备提供适宜的流动条件
化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。
    设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系。因此,研究流体流动对寻找设备的强化途径具有重要意义。
    本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律,并运用这些原理及规律来分析和计算流体的输送问题。
第二节  流体静力学
    流体静力学是研究流体在外力作用下处于平衡的规律。
    本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。
§、流体的密度和比容
1、流体的密度:单位体积的流体所具有的质量。
    定义: ,单位:     
    流体中某点密度:
    一般流体的密度都是随压强和温度的变化而变化的。对于液体,压强的变化对其密度的影响很小,可以忽略不计,流体的特性称为不可压缩性。液体被视为不可压缩流体,其密度只与温度有关,即:  
    不可压缩流体 
    气体是可压缩流体。它的密度随温度和压强的不同而出现较大的差别。一般在压强不太高。温度不太低的情况下,可以按理想气体处理。即:
可压缩流体      ,理想气体 
    化工生产中经常遇到各种混合物,混合物的密度通常按理想溶液各组分混合前后体积不变,即混合物体积等于各组分单独时体积的加和的原则进行计算。对于液体,混合物组成常用组分的质量分数表示,对于气体,混合物组成常用体积分数表示。因此
混合液 
其中  
xi—组分i的质量分率
ρi—组分i的密度
理想混合气体 
或
  
其中yi—组分i的摩尔分率
2、流体的比容:密度的倒数,即单位质量流体所具有的体积。
      定义:
,单位:
3、比重d:
    定义:
4、重度γ:
        定义:
            
重度和密度的比较:
①两者的区别就是质量和重量的区别
②同一种流体在工程制单位中表示的重度和SI制单位中表示的密度数值上相等。
§、流体静压强
1、定义:流体垂直作用于单位面积上的静压力。
单位 
或
 
2、压强的单位
   
SI制:
Pa  ,液柱高度
换算关系:
压强的基准:
如图
基    准:
绝对真空(零压)和大气压强
绝对压强:
以绝对真空(零压)为基准量得的压强。
相对压强:
以大气压强为基准量得的压强,表示为表压或真空度。
 表压=绝对压强—大气压强
 真空度=大气压强—绝对压强=-表压
      大气压随着大气温度和所在地的海拔高度而改变,所以,绝对压强是唯一的,相对压强是会变化的。
见例1
§ 流体静力学基本方程式的推导:
      如图所示,设容器S中盛有密度为ρ的静止流体。现在液体内部任取以底面积为A的立方形流体微元,并对其作受力分析:
   
1
作用于整个液柱的重力 W=ρ·gA(Z1-Z2),方向向下;
2
作用于上底面积的压力P1,方向向下;
3
作用于下底面积的压力P2,方向向上;
由于液柱静止,故:
 
 
∴
 
∵
∴
 
 
    上述为流体静力学的基本方程式,且方程标明在重力作用下静止液体内部压强的变化规律。
说明: 
①
上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。但对于气体若压强变化不大,密度可近似取平均值而视为常数,则上式亦可使用。
②
静止流体内部静压强仅与垂直位置有关,而与水平位置无关