化工原理 第一章第一節(jié)概述

1、化工原理 第一章第一節(jié)概述第1頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二流動現(xiàn)象： 日常生活中第2頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二 工業(yè)生產(chǎn)過程中煤氣煤氣水孔板流量計(jì)泵水封填料塔水池煤 氣 洗 滌 塔第3頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二第4頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二第5頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二引 言（2）流體的流動對傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程有著重要影響 化工設(shè)備中的傳熱，傳質(zhì)以及反應(yīng)過程大多是在流動的 條件下進(jìn)行的一、在所有化工單元操作中為什么首先討論“流體流動”？ 流體流動

2、的規(guī)律是化工原理的重要基礎(chǔ)！（1） 化學(xué)工業(yè)中涉及各種流體的輸送 研究流體的流動規(guī)律可進(jìn)行管路的設(shè)計(jì)，輸送機(jī)械的 選擇及功率的計(jì)算。（3）流體的混合第6頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二(5) 流量和流速的測量(畢托管，孔板流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)) 二、“流體流動”主要研究內(nèi)容（1）流體靜力學(xué)（2）流體流動中的守恒原理(3) 流體流動的型態(tài)及阻力計(jì)算(4) 管路計(jì)算 動量守恒機(jī)械能損失數(shù)據(jù)缺少時(shí)的計(jì)算 能量守恒柏努利方程能量衡算質(zhì)量守恒連續(xù)性方程物料衡算介紹流體靜力學(xué)原理及工程應(yīng)用第7頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二 第一節(jié) 概述一、流體流動的考察方法

3、 a 、由大量的彼此之間有一定間隙單個分子組成，而且單個分子做隨機(jī)的、混亂的運(yùn)動。如果以單個分子為考察對象，流體將是一種不連續(xù)的介質(zhì)，所處理的運(yùn)動是一種隨機(jī)運(yùn)動。如果研究單個分子的微觀運(yùn)動，則問題復(fù)雜，無法用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具加以描述 。2、流體的特征：1、流體是所有氣體和液體的總稱。b、具有流動性，即抗剪抗張能力都很小 ；無固定形狀，隨容器形狀而變化；c、受外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生相對運(yùn)動（與固體運(yùn)動的主要區(qū)別）。第8頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二流體質(zhì)點(diǎn)：指含有大量分子的流體微團(tuán) 其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺 寸，遠(yuǎn)大于分子自由程3、連續(xù)性假定連續(xù)性假定： 可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)

4、學(xué)工具加以描述 假定流體是由大量質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）所組成 可看作彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì) 物理性質(zhì)和運(yùn)動參數(shù)在空間作連續(xù)分布第9頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二但流體質(zhì)點(diǎn)模型的使用是有條件的。當(dāng)特性長度與平均自由程之比大于103-4時(shí)，就可以使用流體質(zhì)點(diǎn)模型，否則流體質(zhì)點(diǎn)模型就不適用。如1mm3常溫常壓氣體含2.51015個分子，分子平均自由程為0.1 m數(shù)量級，此時(shí)不能使用流體質(zhì)點(diǎn)模型。在100km的高空，壓力約為0.133Pa，空氣中氧氣和氮?dú)夥肿拥钠骄杂沙碳s為1m，這時(shí)仍可使用流體質(zhì)點(diǎn)模型，但在直徑為1m的容器內(nèi)，如壓力也為0.133Pa，則不能使用

5、流體質(zhì)點(diǎn)模型。所以，在絕大多數(shù)情況下流體的連續(xù)性假設(shè)是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續(xù)性假定不成立。第10頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二 （1）拉格朗日法 選定一個流體質(zhì)點(diǎn)，跟蹤觀察，描述運(yùn)動參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。 同對固體的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的描述：X=1(t)（如：觀看球賽）4、運(yùn)動的描述方法（2）歐拉法在固定位置上觀察流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況，描述運(yùn)動參數(shù)在指定空間和時(shí)間的變化 ux=x(x,y,z,t) uy=y(x,y,z,t) x,y,z為位置坐標(biāo)，t為時(shí)間 uz=z(x,y,z,t)（如：交通流量測量點(diǎn)）第11頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二拉

6、格朗日法描述的是同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的狀態(tài)。系統(tǒng)：包含眾多流體質(zhì)點(diǎn)的集合。系統(tǒng)與外界有力的作用與能量的交換，但沒有質(zhì)量交換。系統(tǒng)的邊界的形狀和大小隨著時(shí)間而變化。（3）二法比較和選擇歐拉法描述的是空間各點(diǎn)的狀態(tài)及其與時(shí)間的關(guān)系。控制體：當(dāng)劃定一固定的空間體積來考察問題，該空間稱為控制體。流體可以進(jìn)出控制體，控制體與外界也可以有力的作用和能量的交換。（是本課程常用的考察方法）第12頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二定態(tài)流動指運(yùn)動空間各點(diǎn)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化的流動 即：( )=0 ( )=0 ( )=05、定態(tài)流動與非定態(tài)流動則 ux=x(x,y,z) uy=y(x,y,z)

7、uz=z(x,y,z)表明流動的速度只隨空間位置而變，而與時(shí)間無關(guān)。如：河水在河床中流動；工業(yè)生產(chǎn)流水線中的工種第13頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二第14頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二（2） 流線：同一瞬時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向，流線上各點(diǎn)的 切線表示該點(diǎn)的速度方向。這是采用歐拉法考察的結(jié)果 abca,b,c為同一瞬時(shí)各質(zhì)點(diǎn)，箭頭為運(yùn)動方向 6、流線與軌線（1） 軌線：同一流體質(zhì)點(diǎn)不同時(shí)刻所占空間位置的連線即 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡。這是采用拉格朗日法考察流體運(yùn)動的結(jié)果第15頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二在定態(tài)流動過程中，流線和軌

8、線重合 （各位置上流體的速度不隨時(shí)間而變化） （3）流線與軌線的比較 軌線描述的是同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)間的位置 流線表示的則是同一瞬間不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向第16頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二二、流體流動中的作用力 1、 體積力：作用于流體每一個質(zhì)點(diǎn)上的力 體積力正比例于質(zhì)量，又稱為質(zhì)量力 在重力場中體積力即重力，在離心場中為離心力2、表面力：作用于所研究流體體積表面上的力 表面力正比例于表面積 （1） 壓力： 垂直于流體表面的力 壓強(qiáng) p：單位面積上所受的壓力（2） 剪力（切力）：平行于表面的力 剪應(yīng)力：單位面積上所受的剪力 壓力剪力第17頁，共31頁，2022年，5月20

9、日，0點(diǎn)30分，星期二牛頓粘性定律右 左粘性系數(shù)（粘度）Ns/m2 或 pas法向速度梯度1/s uFAyx F : 內(nèi)摩擦力 粘性流體運(yùn)動時(shí)內(nèi)部的剪切力 速度梯度剪應(yīng)力： 單位面積上的內(nèi)摩擦力是動量傳遞的基本方程式剪應(yīng)力 的大小實(shí)際上代表了動量傳遞的速率。第18頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二3、液體所受剪應(yīng)力與固體所受剪應(yīng)力的區(qū)別：固體：液體：(1) 與固體表面的摩擦力不同，內(nèi)摩擦力與法向壓力無關(guān)。(2) 固體的剪應(yīng)力正比于剪切變形（角變形）d ，而流體的剪應(yīng)力正比于剪切變形的速率，這里的速度梯度就是變形的速率d/dt。靜止的流體不能承受剪應(yīng)力(哪怕是非常微小的剪應(yīng)

10、力)和剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。 第19頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二(3)剪應(yīng)力的大小代表了動量傳遞的速率。單位時(shí)間，單位面積上所傳遞的動量。動量梯度產(chǎn)生動量傳遞。運(yùn)動粘度，單位: -動力粘度，單位：Pas牛頓黏性定律的另一種表達(dá)法。第20頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二（4）、流體中的動量傳遞的進(jìn)一步說明實(shí)際流體變形需要一定的力。這個力體現(xiàn)為流體內(nèi)部的剪切力，其大小與流體的密度及粘度等性質(zhì)有關(guān)。這一現(xiàn)象可以用分子運(yùn)動學(xué)說來解釋： yu(b) 流體的動量傳遞(a)u22211u1第21頁，共31頁，2022年，5月20

11、日，0點(diǎn)30分，星期二 由分子運(yùn)動學(xué)說可見，剪應(yīng)力的產(chǎn)生，是由于不同流體層的分子具有不同速度，或即不同的動量所致。全面討論： 單位體積流體所具有的動量； 比例系數(shù)，稱為動量擴(kuò)散系數(shù) ，關(guān)于正負(fù)號的說明：對剪應(yīng)力：“+” 表示剪應(yīng)力的方向和流向一致； “-” 表示剪應(yīng)力的方向和流向相反。 是在 方向上的 變化率，稱為動量梯度；動量傳遞速率，即單位 時(shí)間單位面積的動量第22頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二對動量傳遞：取“-”，表示動量傳遞的方向和動量梯度 的方向相反。由圖可見，動量傳遞的方向和剪應(yīng)力的方向互相垂直。用動量傳遞推導(dǎo)粘度的數(shù)值 動量擴(kuò)散系數(shù)等于分子平均速度和分子

12、平均自由程的乘積的 由氣體分子運(yùn)動學(xué)說,可以估計(jì)分子的平均速度 和分子平均自由程 的值, 從而估計(jì)出粘度 的數(shù)值,它在數(shù)量級上是正確的，說明這一理論的正確性。第23頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二 4、粘度 流體的一種物理特性, 是流體粘性的度量。粘性的本質(zhì)是分子間的引力與分子間的運(yùn)動和碰撞， 是分子微觀運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)。服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律。 氣體粘度液體粘度T 氣體粘度（分子引力減小，運(yùn)動加劇，運(yùn)動力是主要的）T 液體粘度（分子引力減小是主要的，運(yùn)動力是次要的）其大小因流體而異，只與溫度有關(guān)，與速度

13、梯度無關(guān)。 壓力對液體粘度影響很小，可以忽略不計(jì)；氣體粘度在壓力不是極高或極低的條件下，可以認(rèn)為與壓力無關(guān)。第24頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二 粘度單位物理制(厘米克秒制) 泊(達(dá)因秒/厘米2) 1厘泊=(1/100)泊國際制(SI) Ns/m2 帕斯卡秒（寫作Pas）單位制換算1厘泊=(1/100)泊=(1/1000)Ns/m2=1/1000 Pas1 CP = 1/100 P = 1/1000 pas運(yùn)動黏度第25頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二非牛頓型流體 凡是剪應(yīng)力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓型流體，如膠體溶液、泥漿

14、、乳濁液、長鏈聚合物溶液、涂料及混凝土等。 非牛頓型流體的剪應(yīng)力與速度梯度成曲線關(guān)系，或者成不過原點(diǎn)的直線關(guān)系，如圖所示。 第26頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二5、管截面的速度分布： 剪應(yīng)力及流體的粘度是有限值，故速度梯度也只能是有限值，相鄰流體層的速度只能連續(xù)變化。粘度不為零管壁速度為零管中心速度最大粘度為零（理想流體）速度分布均勻第27頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二三、流體流動中的機(jī)械能 位能 動能 壓強(qiáng)能機(jī)械能內(nèi)能流體能量1、內(nèi)能內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動及其相互作用存在的能量。因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能Uf（t），J/Kg 第28頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二2、位能在重力場中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。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)重力對液體所作的功。單位質(zhì)量流體所具有的位能gz 3、動能液體因運(yùn)動而具有的能量，稱為動能。 單位質(zhì)量流體所具有的動能第29頁，共31頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)30分，星期二4、壓強(qiáng)能流體自低壓向高壓對抗壓力流動時(shí)，流體由此獲得的能量稱為壓強(qiáng)能。 單位