第章 流体流动与流体输送机械学时.doc

第1章 流体流动及流体输送机械（9学时） 一、流体流动 化工过程中需进行物理或化学加工处理的物料主要是液体和气体，即流体。流体输送是化工过程基本的单元操作之一，流体流动的基本原理对化工过程的进行状况、设备投资与动力消耗有着重要影响。利用流体流动的基本原理，可测量流体输送系统中的压力变化和流量，计算输送管路与所需功率，选择输送设备的规格型号，强化化工设备的传质相传热过程等。 1、流体静力学 流体静力学研究流体处于平衡状态时，其内部受力的变化规律。流体静力学的知识可应用于流体在设备或管道中压力的测定、液位的测量和设备液封等方面。 1．1 流体的物理性质 （1）流体的密度 单位体积流体具有的质量，称为流体的密度，其达式为： （2）比容与相对密度 比容是密度的例数，单位为m３／kｇ，即： 相对密度为物质的密度与标准物质的密度之比。对于固体和液体，标准物质多选用4℃的水；对于气体则多采用标准状态(０℃，1×10５kPa)下的空气。 （３）流体的粘度 　　流体具有流动性，在外力作用下其内部产生相对运动，另一方面，流休还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性，是流体在流动中表现出来的一种物理属性。粘度是用来度量流体粘性大小的物理量，其值由实验测定。液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压力变化时，液体的强度基本不变，气体的粘度随压力增加而增加得很少，在一般工程计算中可以忽略，只有在极高或极低的压力下，才需考虑压力对气体粘度的影响。 1．２ 流体静力学基本方程 （１）液体静力学 　　流体静力学研究流体在外力作用下达到平衡时各物理量的变化规律。在化工过程中，流体的平衡规律应用很广，如流体在设备或管道内压力变化的测量、液体在贮罐内液位的测量、设备的液封高度的确定等。 （２）液体静力学基本方程 当流体处于相对静止状态时，由于重力可以看做是不变的，变化的只是压力，描述流体在重力和压力作用下平衡规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程。 （３）液体静力学基本方程推导 在密度为ρ的静止流体中，取一流体微元立方体，其边长分别为dｘ、dy、dｚ它们分别与ｘ、y、ｚ轴平行，如图1—2所示。由于流体处于静止状态，因此所有作用于该立方体上的力在坐标轴上的投影之代数和应等于零。 对于ｚ轴，作用于该立方体的力有： 在Z抽方向的平衡式可写成： 式(1—14)各项除以dxdydz，则z轴方向力的平衡式可简化为 对于x、y轴，作用于该立方体的力仅有压力，亦可写出其相应的力的平衡式，简化后得 式(1-14a)、式(1-14b)和式〔1—14c)称为流体平衡微分方程，积分该微分方程组可得到流体静力学基本方程。将式(1—14a)、式(1—14b)、式(1—14c)分别乘以dz、dx、dy，并相加后得： 上式等号的左侧即为压力的全微分dp，于是 对于不可压缩流体，ρ＝常数，积分上式，得 液体可视为不可压缩的流体，在静止液体中取任意1、2两点，如图1—3所示，则有 为讨论问题方便，对式(1—15a)进行适当的变换，使点1处于容器的液面上，设液面上方的压力为p0，距液面h处点2的压力为p，式(1-15a)可改写为 式(1—15)、式(1—15a)及式〔1-15b)称为流体静力学基本方程，它们说明，在重力场作用下，静止流体内部压力的变化规律。由式(1—15b)可得出如下规律。 (1)当容器液面上方的压力p０一定时，静止液体内部任一点压力p的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面的深度h有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力都相等，该水平面称为等压面。等压面的正确选取是流体静力学基本方程应用的关键所在。 (2)当液面上方的压力p０改变时，液体内部各点的压力p也发生同样大小的改变。即压力可以同样大小地传至液体内各点处。 (3)式(1—15b)可改写为 上式说明，压力差的大小可以用一定高度的液柱表示。 （２）液体静力学基本方程的应用 流体静力学基本方程的应用十分广泛，如流体在设备或管道内压力变化的测量液体在贮罐内液位的测量、设备的液封高度的确定等，均以静力学基本方程为依据。 ① 流体压力测量 流体压力测量的仪表很多，本节介绍应用流体静力学基本原理的测压仪表，这种测压仪表统称为液柱压差计，可用来测量流体的压力或压力差。常见的液柱压差计有以下几种。 1）u形管压差计。 u形管压差计的结构如图1—4所示，这是一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液。指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体的密度。常用的指示液有汞、四氯化碳、水和液体石蜡等。 当测量管道中1—l、与2—2、两截面处流体的压力差时，可将u形管的两端分别与1—l、与2—2、两截面测压口相连通。由于两截面的压力p1和p2不相等，所以在u形管的两侧便出现指示液面