第一章第一章 流体流动与输送机械流体流动与输送机械 1. 1 概述概述1.1.1 流体：气体与液体的总称。流体：气体与液体的总称。 流体流动是最普遍的化工单元操作之一；流体流动是最普遍的化工单元操作之一； 研研究究流流体体流流动动问问题题也也是是研研究究其其它它化化工工单单元元操作的重要基础。操作的重要基础。1.1.21.1.2连续介质假定连续介质假定连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数假定流体是由无数假定流体是由无数假定流体是由无数内部紧密相连内部紧密相连内部紧密相连内部紧密相连、彼此间没有彼此间没有彼此间没有彼此间没有间隙间隙间隙间隙的的的的流体质点流体质点流体质点流体质点（或微团）所组成的连续介质。（或微团）所组成的连续介质。（或微团）所组成的连续介质。（或微团）所组成的连续介质。质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于尺寸、远大于尺寸、远大于尺寸、远大于分子自由程分子自由程分子自由程分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。流体。流体。流体。自由程自由程自由程自由程 ( (free path)free path) 在热动平衡态下，一个气在热动平衡态下，一个气体分子在任意连续两次碰体分子在任意连续两次碰撞之间所经过的直线路程。撞之间所经过的直线路程。由于分子运动的无序性，由于分子运动的无序性，分子各段自由程长度不同。分子各段自由程长度不同。平均自由程（平均自由程（平均自由程（平均自由程（mean free mean free mean free mean free pathpathpathpath） 在一定的条件下，一个气在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程间可能通过的各段自由程的平均值。的平均值。返回返回流体的特征流体的特征 具有流动性；具有流动性；具有流动性；具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化；无固定形状，随容器形状而变化；无固定形状，随容器形状而变化；无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。受外力作用时内部产生相对运动。受外力作用时内部产生相对运动。受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，流体的体积不随压力变化而变化，流体的体积不随压力变化而变化，流体的体积不随压力变化而变化， 如液体；如液体；如液体；如液体；可压缩性流体可压缩性流体可压缩性流体可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，：流体的体积随压力发生变化，：流体的体积随压力发生变化，：流体的体积随压力发生变化， 如气体。如气体。如气体。如气体。 流流体体垂垂直直作作用用于于单单位位面面积积上上的的力力，称称为为流流体体的的静压强静压强静压强静压强，习惯上又称为，习惯上又称为压力压力压力压力。 压力的特性压力的特性压力的特性压力的特性 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。压力的单位压力的单位压力的单位压力的单位 SISI制：制：N/mN/m2 2或或PaPa；或或以流体柱高度表示以流体柱高度表示 ：注意注意注意注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类， 如如600600mmHgmmHg，10mH10mH2 2O O等。等。 标准大气压的换算关系：标准大气压的换算关系：1 1atm = 1.01310atm = 1.013105 5Pa =760mmHg =10.33m HPa =760mmHg =10.33m H2 2O O1 1工程大气压工程大气压=1at=1kgf/cm=1at=1kgf/cm2 2=735.6mmHg =10m H=735.6mmHg =10m H2 2O O= 9.8110= 9.81104 4PaPa表表表表 压压压压 = = 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 大气压力大气压力大气压力大气压力真空度真空度真空度真空度 = = 大气压力大气压力大气压力大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力= =负的表压负的表压负的表压负的表压绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空绝对真空绝对真空 表压表压表压表压 真空度真空度真空度真空度 大气压大气压大气压大气压 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。 表压或真空度表压或真空度表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。压力的表示方法压力的表示方法压力的表示方法压力的表示方法 例例 若已知某地的大气压力为若已知某地的大气压力为750 mmHg750 mmHg，而设，而设备备A A内压力为内压力为1000 mmHg1000 mmHg，则，则P PA A表表= = _ _ mmHg = mmHg = _ _ PaPa。若设备若设备B B的真空度为的真空度为300 mmHg300 mmHg，则，则P PB B（绝）（绝）= = _mmHgmmHg。体积流量体积流量体积流量体积流量 以体积表示以体积表示 q qv vmm3 3/s /s或或mm3 3/h/h质量流量质量流量质量流量质量流量 以质量表示以质量表示 q qm mkg/skg/s或或kg/hkg/h。 二者关系：二者关系：流量流量流量流量：单位时间内流体在管路中流过的数量：单位时间内流体在管路中流过的数量：单位时间内流体在管路中流过的数量：单位时间内流体在管路中流过的数量 质量流速质量流速质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。流速流速流速流速 （平均平均平均平均流速）流速）流速）流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 kg/kg/（mm2 2s s）流量与流速的关系：流量与流速的关系： m/sm/s对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量q qv v一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：管径的估算管径的估算管径的估算管径的估算 d d 设备费用设备费用 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费 均衡均衡考虑考虑u uu u适宜适宜适宜适宜费费费费用用用用总费用总费用总费用总费用设备费设备费设备费设备费操作费操作费操作费操作费常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围： 水及一般液体水及一般液体 13 13 m/sm/s粘度较大的液体粘度较大的液体 0.51 0.51 m/sm/s低压气体低压气体 815 815 m/sm/s压力较高的气体压力较高的气体 15 1525 25 m/sm/s 一一一一般般般般，密密密密度度度度大大大大或或或或粘粘粘粘度度度度大大大大的的的的流流流流体体体体，流流流流速速速速取取取取小小小小一一一一些些些些；对对对对于于于于含含含含有有有有固固固固体体体体杂杂杂杂质质质质的的的的流流流流体体体体，流流流流速速速速宜宜宜宜取取取取得得得得大大大大一一一一些，以避免固体杂质沉积在管道中。些，以避免固体杂质沉积在管道中。些，以避免固体杂质沉积在管道中。些，以避免固体杂质沉积在管道中。稳定流动与非稳定流动稳定流动与非稳定流动稳稳稳稳定定定定流流流流动动动动：各各截截面面上上的的温温度度、压压力力、流流速速等等物物理理量不随时间变化：量不随时间变化： 非非非非稳稳稳稳定定定定流流流流动动动动：流流体体在在各各截截面面上上的的部部分分或或全全部部物物理理量量都随时间变化。都随时间变化。牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律 ：1. 1.1.31.3 流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 或或F Fu uu udududydy式中：式中：F F内摩擦力，内摩擦力，N N； 剪应力，剪应力，PaPa； 法向速度梯度，法向速度梯度，1/1/s s； 比比例例系系数数，称称为为流流体体的的粘粘度度，PasPas 。 牛顿型流体：牛顿型流体：牛顿型流体：牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体；粘性定律的流体；非牛顿型流体：非牛顿型流体：非牛顿型流体：非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。不符合牛顿粘性定律的流体。 粘度的物理意义粘度的物理意义粘度的物理意义粘度的物理意义 : : 流流体体流流动动时时在在与与流流动动方方向向垂垂直直的的方方向向上上产产生生单单位速度梯度所需的剪应力。位速度梯度所需的剪应力。又称为又称为动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度。运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度 粘度粘度与密度与密度的之比。的之比。mm2 2/s /s液体液体 : :T T 气体气体 : : 一般一般T T 超高压超高压p p 粘度的物理本质粘度的物理本质粘度的物理本质粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。分子间的引力和分子的运动与碰撞。粘度的单位粘度的单位粘度的单位粘度的单位SISI制：制：PaPas s 或或 kg/(ms)kg/(ms)物理制：物理制：cP(cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系粘度的粘度的测量方法测量方法：旋转式粘度计落球式粘度计毛细管粘度计1.1.4 流体流动中的机械能流体流动中的机械能固体质点： 位能和动能流体： 位能、动能和压强能 能量之间存在着相互转换