第一章流体流动01讲义

第一章 流体流动
1.1 流体的物理性质
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回顾：
1、化学工程的进展 各种生产工艺－－单元操作－－三传一反--传递现象
2、单元操作和三传
动量传递：流体输送、沉降、过滤等。 热量传递：加热、冷却、冷凝、蒸发等。 质量传递：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等 3、物理量的单位和换算
换算因子
2
4、物料衡算和能量衡算
yi——气体混合物中各组分的摩尔分率
4）与密度相关的几个物理量
1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位为
m3/kg。
在数值上:
1
2）比重(相对密度)：某物质的密度与4℃下的水的密
4C水 1000kg / m 3
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1.1.4 流体的黏度
1) 粘性——牛顿粘性定律
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研究流体流动规律的重要性
• 流体输送：确定适宜的 u , d • 参数测量：压强、流速、流量等 • 强化过程：提供适宜的流动条件
本章主要讨论:
流体流动过程的基本原理及流动规律，并用之 分析和计算流体的输送问题。
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1.1 流体的物理性质
1.1.1 流体的密度 单位体积的流体所具有的质量
m
1）液体混合物的密度ρm
取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:
x
、
wA
x
w
B、
、
x
w
n
,
其中xwi
mi m总
假设混合后总体积不变，可得到：
V总
mwA 1
mwB 2
mwn m总 n m
1 xwA xwB L L xwn (1 3)
m A B
n
——液体混合物密度计算式
1. 液体混合物浓度是以质量分率表示，如果使用其他的形式表
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液体的密度基本上不随压强变化（极高压强除 外），但随温度略有改变。
对于气体来说，是可压缩的的流体，其密度必须 标明其状态。一般当压强不太高，温度不太低时，可 按理想气体来处理。
液体： 气体：
f t ——不可压缩性流体 f t, p ——可压缩性流体
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1.1.2 理想气体密度的计算：
V RT
3） 将指定条件设定为标准状态下的1mol气体：
0
M 22.4
＝0
T0 p Tp0
＝
MT0 p 22.4Tp0
...........(1
2b)
式中：M－气体的摩尔质量，kg/kmol； R－气体常数，8.315×103J/(kmol·K)
Vmol=22.4 m3
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1.1.3 混合物的密度：
示浓度，需要对其进行单位换算。
2. 体积假设不变，如果混合后液体的体积发生改变，需要校正。
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2）气体混合物的密度：
取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分率:
xvA,xvB,…,xVn, 其中:
xVi
Vi V总
i =1, 2, …., n
混合物中各组分的质量为： 1VVA , 2VVB , ......, nVVn
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1.0 概论：
1.0.1 流体的特点： A、流体的流动性：
流动性：流体的抗剪力和抗张力很小， 在外力作用下，流体内部会发生相对运动， 使流体变形，这种连续不断的变形就形成流 动，即流体具有流动性。
剪切力
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B、流体的压缩性
流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩性。实际流体都 是可压缩的。
液体的压缩性很小，在大多数场合下都视为不可压缩。 气体压缩性比液体大得多，一般应视为可压缩，但如果压力 变化很小，温度变化也很小，则可近似认为气体也是不可压缩的。
GA 0 GA 0
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注意：
衡算解题过程的步骤为： ①画一简图表示进行的过程，可用方块图表示， 用箭头表示物流的进出方向，注明物流的参数， 如流量、温度、压力等。 ②确定衡算范围，用虚线划出，使其边界与待 计算的物流相交，这样使列出的衡算式中包含所 需求的计算量。 ③确定衡算基准，它是衡算式所确定已知量数 值的依据，解出的待求量也应符合此基准。 ④列出衡算式求解。
理想气体在标况下的密度为：
操作条件（T, P）下的密度：
0
M 22.4
1）
m V V0 T0 p 0 m V0 V Tp0
0
T0 p Tp0
.................(1
2)
2）
pV nRT m RT M
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m pM .....................(1 2a)
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第一章 流体流动
1.1 流体的物理性质
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8
问题：
1、如何确定管道内流体的流速和压力？ 2、如何确定管道的直径和壁厚？ 3、为了使流体达到工艺要求需要使用怎样的泵？
提供多少动力？
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本章主要学习内容
1、流体静力学基本方程式 2、流体流动的基本方程 3、流体的流动现象 4、流体在管内的流动阻力 5、管路计算方法 6、流量的测量
G入 G出 G累积
Q 入 Q出 Q损失
总的物料守恒 组分物料守恒 元素物料守恒
进行热量衡算时还要指明基准温度(简称基温)。 习惯上选0℃为基温，并规定0 ℃时液态的焓为零。
5、稳态过程
在设备的各个不同位置上，物料的流速、浓度、温度、
压强等参数可各自不同．但在同一位置上，这些参数都不
随时间而变。 6、非稳态过程
C、连续介质模型
把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成， 这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。
这就是连续介质模型
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流体微团（或流体质点）：
宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没 有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多 多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。 注意： 高度真空下的气体不能再视为连续介质
V
lim
m
V 0 V
(11) 用表示， kg m3 (11a) 流体点密度
注意：各种单位制下，密度的单位和数值不同，注意一般
都要换算成操作条件下的单位和数值。
影响因素：气体---------种类、压力、温度、组成浓度 液体---------种类、温度、组成浓度
获得方法：（1）查物性数据手册
（2）公式计算：
若混合前后,气体的质量不变，
m总 1V1 2V2 ....... nVn mV总
当V总=1m3时,
m AxVA B xVB L n xVn (1 4)
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3）理想气体混合物:
m＝
PM m RT
其中 Mm M A yA M B yB L Mn yn （1 5）
Mi——气体混合物中各组分的分子量
流体在运动时，任意相邻两层流体之间存在抵抗相对 运动的力，流体所具有的这种减弱两层流体相对运动的性质 称为流体的粘性。