化工單元操作與設(shè)備之流體流動(dòng)

單元一流體流動(dòng)任務(wù)一概述一、流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體：具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。流體質(zhì)點(diǎn)：由無(wú)數(shù)個(gè)注體分子組成的連續(xù)介質(zhì)。二、流體的密度與比體積1、密度與比體積的定義

ρ=單位：kg/m3

ν=單位：m3/kg；2、純組分流體的密度

ρ==單位：kg/m3

注：其中P的單位是KPa,R=8.314kJ/kmol·K3、混合物的密度（1）液體混合物

(i=1、2、3...n)

（2）氣體混合物a、(i=1、2、3...n)

b、其中：例題：略；三、流體的粘性1、牛頓粘性定律：速度梯度，1/s；

μ：比例系數(shù)，稱(chēng)粘度，N.s/m2

2、流體的粘度1、意義：當(dāng)=1時(shí)，τ=μ；2、單位：1pa.s=10p(泊)=1000cp（厘泊）3、混合物的粘度（略）任務(wù)二流體靜力學(xué)一、流體的壓強(qiáng)1、定義：?jiǎn)挝?Pa

2、絕對(duì)壓力、表壓力和真空度（1）例：PPA（絕壓）=1.5atm

A設(shè)備PA（表壓）=0.5atm

大氣壓：1atmB設(shè)備PB（絕壓）=1.5atm0PB（表壓）=-0.5atmPB（真空度）=0.5atm（2）結(jié)論表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)—大氣壓真空度=大氣壓—絕對(duì)壓強(qiáng)例：當(dāng)某設(shè)備內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)為1.9atm時(shí)，問(wèn)其表壓為多少？當(dāng)某設(shè)備內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)為0.9atm時(shí)，問(wèn)其表壓又為多少？如用真空度表示是多少?(單位均為大氣壓)3、單位1atm=1.013×105Pa=101.3kPa=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O例題：某設(shè)備內(nèi)壓強(qiáng)為780mmHg,用Pa表示為多少？二、流體靜力學(xué)基本方程P=P0+ρgh1、公式推導(dǎo)：受力分析2、說(shuō)明：（1）本式也適用于氣體；（2）靜止的、連通的同一種液體,處在同一水平面上兩點(diǎn)的壓強(qiáng)相等；等壓面：壓強(qiáng)相等；（3）巴斯噶原理：液面上方壓強(qiáng)具有傳遞性。（4）壓強(qiáng)大小可以用高度來(lái)衡量。3、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用（1）測(cè)量壓強(qiáng)及壓強(qiáng)差；（2）測(cè)量液位；（3）測(cè)量液封高度；

任務(wù)三流體動(dòng)力學(xué)一、流量與流速

質(zhì)量流量：Wskg/h1、流量Ws=Vsρ

體積流量:Vsm3/h2、流速：（1）平均流速

m/sWs=VsAρ（2）質(zhì)量流速：

kg/(m2.s)3、圓形管道直徑的選取根據(jù)：選擇一常用流速，進(jìn)行計(jì)算：后進(jìn)行圓整。例題：

二、連續(xù)性方程1、定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)：流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，任一截面（與流體流動(dòng)方向相垂直的）上的流速、密度、壓強(qiáng)等物理參數(shù)均不隨時(shí)間而變的叫定常流動(dòng)。反之，為非定常流動(dòng)。2、連續(xù)性方程據(jù)質(zhì)量守恒定律：

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---流體連續(xù)性方程對(duì)于液體（不可壓縮流體）：

---液體連續(xù)性方程也可變?yōu)椋阂饬x：流體在定常流動(dòng)時(shí)，流速與管道截面積成反比，與管道直徑的平方成反比。三、柏努利方程1、流體所具有的機(jī)械能：（1）位能：

◆在重力場(chǎng)中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱(chēng)為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度為z時(shí)的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時(shí)重力對(duì)液體所作的功。

◆

mkg流體所具有的位能：mgz,單位是：J;

單位質(zhì)量流體所具有的位能：gz,單位是：（2）動(dòng)能◆液體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量，稱(chēng)為動(dòng)能。

◆

mkg流體所具有的動(dòng)能：

,單位是：J;單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能：，單位是：（3）壓強(qiáng)能◆流體自低壓向高壓對(duì)抗壓力流動(dòng)時(shí)，流體由此獲得的能量稱(chēng)為壓強(qiáng)能。◆mkg流體所具有的壓強(qiáng)能：

單位是：J;

單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能：

v——流體的比容（比體積），

2、理想流體的柏努利方程◆理想流體，無(wú)摩擦力，據(jù)機(jī)械能守恒定律：機(jī)械能＝位能＋動(dòng)能＋壓強(qiáng)能＝常數(shù)◆單位質(zhì)量流體所具有的機(jī)械能

---理想流體的柏努利方程3、討論：◆機(jī)械能守恒與轉(zhuǎn)換方程意義：流體的各種機(jī)械能形式之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的，但總和不變。如圖所示管道：◆系統(tǒng)處在靜止?fàn)顟B(tài)，

◆對(duì)于可壓縮流體如果：，可用，近似按不可壓縮流體處理?！艄街械膒既可以用表壓，也可用絕壓，但須前后保持一致。4、實(shí)際流體的柏努利方程◆實(shí)際流體：（1）有流動(dòng)阻力，Σhf

，單位是J/Kg；（2）有外加功，We，單位是J/Kg；

---實(shí)際流體的柏努利方程（擴(kuò)展了的柏努利方程）

◆以單位重量流體為衡算基準(zhǔn)，有：

位壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭有效壓頭壓頭損失◆以單位體積位衡算基準(zhǔn),有：5、實(shí)際流體的柏努利方程的應(yīng)用◆計(jì)算兩容器間的相對(duì)位置；◆計(jì)算輸送機(jī)械的有效功率；◆計(jì)算流體的輸送量；◆計(jì)算輸送壓強(qiáng)。例題：見(jiàn)課本。四、實(shí)際流體的基本流動(dòng)現(xiàn)象（一）、流體的流動(dòng)類(lèi)型

1、雷諾實(shí)驗(yàn)

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

層流流體流動(dòng)型態(tài)湍流3、流型的判斷（1）影響流型的因素：流速：u；密度：ρ；粘度：μ；直徑：d；（2）流動(dòng)型態(tài)的判斷：雷諾數(shù)（無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)）

（3）判斷：當(dāng)Re<2000,層流；當(dāng)2000<Re〈4000，過(guò)渡狀態(tài)；當(dāng)Re>4000，湍流；例：見(jiàn)P37（略）（二）圓管內(nèi)的速度分布1、層流時(shí)的速度分布特點(diǎn)：管中心處流速最大2、湍流時(shí)的速度分布3、層流內(nèi)層：（三）流動(dòng)邊界層的基本概念1、流動(dòng)邊界層：特點(diǎn)：存在速度梯度和阻力的區(qū)域；層流邊界層種類(lèi)湍流邊界層：層流內(nèi)層；2、主流區(qū)：速度梯度為零；3、邊界層的分離特點(diǎn)：有大量機(jī)械能損失；第四節(jié)管內(nèi)流動(dòng)阻力一、化工管路：管子、管件、閥件；（一）、管子1、種類(lèi)及用途：鑄鐵管：強(qiáng)度差，價(jià)格低，用作污水管；焊接鋼管（水煤氣管）：輸送水、煤氣等低壓鋼管無(wú)腐蝕性介質(zhì)，分為鍍鋅管和黑管。無(wú)縫鋼管：輸送高壓、高溫?zé)o腐蝕性流體。合金鋼管：輸送高溫且有腐蝕性介質(zhì)。

紫銅管銅管特點(diǎn)：重量輕，導(dǎo)熱性好，黃銅管延展性好，用作換熱管。鉛管：耐酸，機(jī)械強(qiáng)度差；鋁管：耐酸不耐堿，輸送濃硝酸等；尺寸標(biāo)注方法：Φ外徑

×壁厚mm陶瓷管和玻璃管：不耐壓，耐腐蝕；塑料管：種類(lèi)多，抗腐蝕，易加工；橡膠管：耐酸、堿腐蝕，有彈性，但易老化；2、管路的連接（1）螺紋連接（2）焊接（3）承插式連接（4）法蘭連接（二）管件1、用于改變流向的：彎頭（90°、45°、180°）2、用于連接支管的：三通、四通等；

3、用于堵塞管路的：管帽、絲堵等；4、其它：改變管徑、延長(zhǎng)管路等。（三）常用閥門(mén)種類(lèi)：閘閥、截止閥、止回閥、球閥、旋塞、隔膜閥等；截止閥閘閥止回閥旋塞閥球閥流動(dòng)阻力:Σhf種類(lèi):直管阻力(hf)

局部阻力(hf’)二、直管內(nèi)的流動(dòng)阻力1、計(jì)算公式：通過(guò)對(duì)流體進(jìn)行能量衡算和受力分析，得出：范寧公式其中：摩擦系數(shù)（摩擦因數(shù)）阻力壓降：壓頭損失：2、層流時(shí)的摩擦因數(shù)影響摩擦因數(shù)大小的原因：(1)流動(dòng)型態(tài)（Re）

絕對(duì)粗糙度εmm(2)管壁粗糙程度相對(duì)粗糙度ε/d3、湍流時(shí)的摩擦因數(shù)

其中：ε/d相對(duì)粗糙度通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到計(jì)算λ的經(jīng)驗(yàn)公式或摩擦因數(shù)圖：圖*

摩擦因數(shù)與雷諾數(shù)、相對(duì)粗糙度的關(guān)系匯總層流區(qū)：湍流區(qū)：完全湍流區(qū)：過(guò)渡區(qū)：既可以按層流計(jì)算，也可以按湍流查圖。4、非圓形直管的阻力損失當(dāng)量直徑：同心套管：此時(shí)，（C值可查表）三、局部阻力1、局部阻力：流體流經(jīng)局部位置所產(chǎn)生的阻力。形體阻力：由于流體流速、流動(dòng)方局部阻力向改變產(chǎn)生的阻力摩擦阻力

阻力系數(shù)法2、計(jì)算方法當(dāng)量長(zhǎng)度法局部位置阻力1、阻力系數(shù)法

J/Kg（各局部位置的阻力系數(shù)見(jiàn)附表）

2、當(dāng)量長(zhǎng)度法

J/Kg

四、流體在管內(nèi)流動(dòng)總阻力的計(jì)算

（1）、

J/Kg(2)例題：見(jiàn)P55。（略）第五節(jié)管路計(jì)算一、簡(jiǎn)單管路與復(fù)雜管路等徑管路1、簡(jiǎn)單管路串聯(lián)管路特點(diǎn)：（1）、（2）、2、復(fù)雜管路

并聯(lián)管路復(fù)雜管路分支管路匯合管路并聯(lián)管路特點(diǎn)：（1）（2）分支管路特點(diǎn)：（1）（2）分支點(diǎn)處單位質(zhì)量流體