化工原理——流体流动.doc

知识目标:
本章要求熟悉流体主要物性(密度, 黏度)数据的求取及影响因素, 压强的定义、表示方法、单位及单位换算,连续性和稳定性的概念,管内流体速度分布,流体的流动类型, 雷诺准数及其计算。
理解流体在管内流动时产生阻力损失的原因,测速管、孔板流量计、转子流量计的基本结构, 测量原理及使用要求。
掌握静力学方程, 连续性方程,柏努利方程, 管路阻力计算公式,简单管路的计算方法。
了解湍流时的流速分布, 复杂管路计算。
能力目标:
通过对本章的学****学会能应用静力学原理和动力学原理处理工程过程的设计型计算和操作型计算。
气体和液体通称为流体,原来是固体的物料,有时也可以做成溶液以便于输送或处理。流体具有流动性,其形状随容器的形状而变化,一般将液体视为不可压缩性流体,与此相反,气体的压缩性很强,受热时体积膨胀很大,因此将气体视为可压缩的流体。流体流动是化工生产过程中是普遍的现象,研究流体流动的目的是要能解决以下几个工程问题:(1)流体的输送、输送管路的设计与所需功率的计算、输送设备的选型与操作;2)流速、流量的计算,系统中的压强或压强差的测量,设备液位及液封高度的确定;(3)根据流体流动规律减少输送能耗,强化化工设备中传热、传质过程等。
工程上研究流体流动的方法是:只研究流体的宏观运动,不考虑流体分子间的微观运动,也就是说,将流体视为有许多分子组成的“微团”,又把“微团”称作质点,质点的大小与它所处的空间相比是微不足道的,但比分子运动的自由程度要大得多。在流体的内部各个质点相互紧挨着,他们之间没有任何空隙而成为连续体。因此将流体视为有无数质点组成的其间无任何空隙的连续介质,即所谓的连续性假定。
第一节流体静力学
流体静力学是研究流体在外力作用下处于静止或相对静止状态下的规律,本节讨论静止流体在重力场中内部的压力变化规律,在讨论此规律之前,先对与此有关的物理量做些说明。
一、密度
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度,其表示式为
(1-1)
式中: m ——流体的质量,kg;
v ——流体的体积,m3。
密度是流体的物性数据,各种流体的密度值可以从有关的物理化学手册中查得。液体的密度基本上不随压力而变化,但随温度稍有改变,因此在手册上查取液体密度时,要注意所指的温度。气体的密度随压力、温度而改变,压力不高时气体的密度可按理想气体状态中方程计算。
(1—2)
式中:m——质量,kg;
v——体积,m3;
M——摩尔质量,kg/kmol;
P——压力,kPa;(注意,压力单位为kPa时,密度单位为kg/ m3);
R——气体常数,R= kJ/(kmol·K) ;
T——热力学温度,K。
也可以采用下述关系计算: kPa、0 ℃时1 m3,由理想气体状态方程可知:
(1—2a)
式中:P0= kPa; T0=273K。
当在一定温度、压力下查得某气体的密度,求操作条件下气体的密度时,则
(1—2b)
下标1表示手册中查得的条件。
化工过程中遇到的流体大多为混合物,而手册中一般仅提供纯物质的密度,混合物的密度可通过纯物质的密度计算如下,对于液体均相混合物,假定混合前后总体积不变则:
(1—3)
式中: ρm——混合物的密度,;
——混合物中各组分质量分率;
——混合物中各组分的密度,。
对于气体混合物,可按式(1—2)计算,但需将其中的摩尔质量按平均摩尔质量计算,即:
(1—4)
式中: ——气体混合物各组分的摩尔分数;
——气体混合物各组分摩尔质量,kg/kmol。
二、压力
(一) 压力的概念
垂直作于流体单位面积上的力,称为压力强度,简称压强,工程上多称为压力。法定单位是Pa(帕),即。此外还有一些****惯上使用的单位,现列出一些常见的压力单位及其换算关系:
1 atm=×105 Pa=(千帕)=(兆帕)= m·H2O
=760 mmHg= kgf/cm2
(二) 压力的表示方法
(简称绝压),是指流体的真实压强,即以绝对零压为准测得的流体压力。
(简称表压),是指工程上用测压仪表以当地大气压为基准测得的压力值,它是流体的真实压力与当地大气压的差值,即:
图1—1绝压、表压和真空度的关系
表压=绝对压力—当地大气压力
真空度,是指绝压低于当地大气压
的数值。当绝压小于当地大气压时,用真空
表测得的数值即为真空度。
真空度=当地大气压—绝压
绝压、表压和真空度三者的关系如图1—1所示。不难看出,真空度也等于表压的负值。当压力数值用绝压或真空度表示时,应分别注