第一章流体流动Chapter1FluidFlow化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动是各种单元操作中普遍存在的现象。如：传热—冷、热两流体间的热量传递；传质—物料流间的质量传递。流体流动的强度对热和质的传递影响很大。强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动条件和规律。因此，流体流动是每章均要研究的内容。流体流动的基本原理和规律是“化工原理”的理论基础。本章主要研究内容：1．流体流动规律(主要管内)—流体动力学；２．静止流体的规律—流体静力学；３．流体静力学在测量压强、流速(量)、液位及保持设备内压强(>或<常压)方面的应用。流体流动规律在流体输送及传热/质方面的应用在以后各章具体介绍。※流体流动的研究方法：从工程实际出发，流动规律的研究采用宏观方法，主要研究流体的宏观运动规律。因此将流体视为“连续介质”—无数微团(或称质点)组成，其间无间隙、完全充满所占据的空间(而不是不连续的分子组成)。注意一点：高真空状态除外。1.1流体的密度流体密度：单位体积流体所具有的质量。m均质流体的密度表示为：v流体密度是温度和压力的函数，即：fT,p①液体体积几乎不受p的影响，∴为不可压缩流体m②非均质流体某点的密度：limV0V⑴气体（可压缩流体）①纯气体查取值时，注意T，p的条件；在p≤1Mpa，T不太低时，按理想气体处理或将查取的值换成操作条件下的值。分子量273k,（0℃)pMTpMTp0（1-2b）RTTp22.4TpoK8.314J/(mol.K)101330Pa(1atm)②混合气体a．混合前后质量不变nmixvii1体积分率%b．混合气体可按理想气体处理时，分子量用：nmol%MmMiyii1⑵液体前面已知：液体的密度随压力的变化很小，但温度的变化对液体的密度有一定的影响，即液体的密度：f()T因此，查阅和使用液体的密度时，注意对应的温度条件。通常所查数据往往只提供一到两个温度下的值，且无换算式。故需精确值时应实测。混合液体混合前后若体积不变，则:n质量分率%1xwi(1-3)mi1i1.2流体静力学基本方程式1.2.1流体在流动中受到的力流体具有流动性，即在外力的作用下，流体内部会发生相对运动，使流体变形，连续不断的变形形成流动。按流体上作用力的不同，可把作用力分成两类：1.体积力：作用于流体质点的力，与流体质量成正比。质量均匀流体亦与体积成正比。重力和离心力是典型的体积力。2.表面力：作用于流体质点表面的力，与表面积成正比。又分为两类：垂直于表面的力(称压力)与平行于表面的力(称剪力)。流体静力学是研究流体在外力作用下平衡时的规律。也可以说，流体处于相对静止状态下的规律。本节只讨论流体在重力场中达到静止平衡时的规律。1.2.2流体的静压强1．压力垂直作用于任意流体表面的总力P。2．(静)压强作用在单位流体表面上的压力p，有：PpA若压力是变化的，则作用在某点上的压强：Pplim(1-13a)A0A3．静压强的单位及表示法⑴单位SI制中压强单位用Pa。其它单位有atm、液柱高度(水银，水等)，kgf/cm2(即at)，bar等。相互的换算关系见p17。⑵压强的表示方法为便于区绝对压强－大气压强=表压强别，除绝对压强不当地大气压线绝注明外，真空度=大气压强－绝对对其余要相压强=－表压强压应注明(表强压或真空绝对压强度)。绝对0压线1.2.3流体静力学基本方程静止流体在重力场中只涉及重力和流体内部的压力。重力是地心引力基本上可视为常量，只剩下流体内部压力可变。描述静止流体内部压力（或压强）变化规律的数学表达式称作流体静力学基本方程(式)。z流体静力学方程(式)推导过程：在同密度的静止流体中，dz取一微元体，其棱平行x，y，dyz轴，边长分别为dx,dy,dzdxxy在重力场中，作用在z轴上的力如下：⑴作用在微元体下底面的压力：pzpdzpdxdyz⑵作用在微元体上底面的压力：dzp()pdzdxdyzdydxp⑶作用在微元体上的重力：xygdxdydz∵流体处于静止状态∴作用在各坐标轴方向的合力分别为0。有:⑴z轴：ppdxdy(pdzdxdy)gdxdydz0zp即：流体密度↑→↑；pz化简得：g“-”表示某点位置↑(↑)，zz该点静压强↓。⑵x，y轴分别为：