化工原理 第一章 流体流动

流体：气体和液体统称为流体。

在炼油、石油化工等生产过程中，不论是所处理的原料、还是中间品或产品，大多都是流体；而且生产过程都是在流体流动下进行的，在炼油和石油化工厂中有纵横交错的管道和众多的机泵在各生产设备之间输送流体。这就说明流体流动不但普遍存在，而且流体流动的状况对生产过程正常而高效进行、能量消耗、设备投资等密切相关，同时对传热、传质等其它单元操作的研究也离不开流体流动的基本规律。因此，流体流动是炼油、石油化工等生产过程中一个很重要的单元操作。

一、流体的密度 1．密度

单位体积的流体所具有的质量称为流体的密度，通常以符号

表示。

不同的流体其密度是不同的。对于任何一种流体，其密度又随其所具有的压力和温度而变化，即

液体为不可压缩性流体，液体的密度随压力的变化很小，可忽略不计(除极高压力外)。温度对液体的密度会有一定的影响，故在手册或有关资料中，对液体的密度都注明了相应的温度条件。

气体是可压缩性流体，其密度随温度和压力的变化较大，通常在温度不太低，压力不太高的情况下，气体的密度可近似地用理想气体状态方程进行计算，即

气体密度也可按下式进行计算：

上式中的为

为标准状态(即

。

=101.3kpa及

=273 K)下气体的密度，其值

当气体的压力较高、温度较低时，其密度应采用真实气体状态方程式进行计算。

液体混合物的密度

对液体混合物，各组分的组成通常用质量分率表示。现以1kg混合液体为基准，假定各组分在混合前后其体积不变，则1kg混合液体的体积等于各组分单独存在时的体积之和，即

式中

──液体混合物中各组分的密度，kg/m3； ──液体混合物中各组分的质量分率。

气体混合物的密度

对于气体混合物，各组分的组成通常用体积分率表示。现以lm3混合气体为基准，如果各组分在混合前后其质量不变，则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和，即

式中 ──气体混合物中各组分的密度，kg/m3； ──气体混合物中各组分的体积分率。

当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，也可以用合物的密度子质量

计算气体混

，但式中的气体相对分子质量M应代之以气体混合物的平均相对分

。气体混合物的平均相对分子质量可按下式计算，即

式中 ──气体混合物中各组分的相对分子质量； ──气体混合物中各组分的摩尔分率。

对于理想气体混合物，体积分率、摩尔分率和压力分率三者是相等的。 2．重度

这是工程单位制中专用的一个极其重要的物理量，是指单位体积流体所具有的重量，其表达式

式中 ──-流体的重度，kgf/m3；

──流体的重量，kgf；

V──流体的体积，m3。 3．相对密度

相对密度是指液体的密度(或重度)与277K(即4℃)时纯水的密度(或重度)之比，工程上也称比重。相对密度(或比重)是没有单位的，通常以符号d表示，其表达式为

由于在4℃时，国际单位制中水的密度和工程单位制中水的重度在数值上都是1000，所以由上式可知

=1000d，单位为kg/m3，=1000d，单位为kgf/m3。

二、流体的比容

单位质量流体的体积，称为流体的比容，通常以表示，单位为m3/kg。显然，比容与密度互为倒数，即

三、流体的粘度

1. 流体的粘性和牛顿粘性定律

流体在流动时产生内摩擦力的这种性质，称为流体粘性。 实验证明，对一定的流体，内摩擦力F于两流体层的速度差流体层间的垂直距离

成正比，与两

成反比，与两流体层间的接触面积A成正比，即

引进比例系数μ，可把上式写成等式，即：

当流体在管内流动时，径向速度的变化规律并不是直线关系，而是曲线关系，则上式应改写成

式中化率；

──速度梯度，即在于流体流动方向垂直的方向上速度随距离的变

μ──比例系数，其值与流体性质有关，流体的粘性越大，其值越大，

所以也称为流体的粘性系数。

上式所表示的关系，称为牛顿(Newton)粘性定律。它的物理意义是流体流动的内摩擦力的大小与流体性质有关，且与流体流动的速度梯度和流层接触面积成正比。

单位面积上的内摩擦力称为摩擦应力或剪应力，以τ表示，于是上式可写成

2.粘度

把流体的粘性系数称为动力粘度，简称粘度。

粘度的物理意义:它是促使流体流动产生单位速度梯度的剪切力，也就是说粘度是速度梯度为1时，在单位面积上由于流体粘性所产生的内摩擦力大小。

粘度的单位可通过式(1-12b)导出，即

(1-12b)

从有关手册中可查到某些流体的粘度，本书附录中也列出了某些流体的粘度数据，但查到的的粘度数据常用物理单位制(CGS)表示，而本课程主要采有国际单位制(即SI制)，有些计算中也可能还用到工程单位制。因此，要注意不同单位制单位的换算。在CGS制中，粘度单位为：

由于泊的单位太大，使用不方便，所以通常采用cP(厘泊)作为粘度的单位，lcP=0.01P，CP与Pa·s的换算关系为

或 1

=1000CP

粘度以工程单位制表示的单位为kgf·s/m2，其换算关系为

在流体力学中，还经常把流体的粘度μ与密度示，即ν=μ/

之比称为运动粘度，用ν表

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