化工原理第一章

1、第一章第一章流体流动流体流动过程特征过程特征 以流体为以流体为处理处理对象对象 在流动之中对流体进行化学或物理加工在流动之中对流体进行化学或物理加工1.1 流体流动的基本概念流体流动的基本概念 “流程工业流程工业”过程装备过程装备 加工流体的机器与设备加工流体的机器与设备 物质的外在宏观性质取决于物质的外在宏观性质取决于 *物质的内部微观结构物质的内部微观结构 *分子间的作用力分子间的作用力 1.1.1 固体、液体和气体固体、液体和气体分子的随机热运分子的随机热运动和相互碰撞动和相互碰撞给分子以动能给分子以动能使之趋于飞散使之趋于飞散 分子间相互作用分子间相互作用力的约束力的约束 以势能的作用

2、以势能的作用使之趋于团聚使之趋于团聚 固体：固体： 有一定形状、不易变形有一定形状、不易变形 *分子间距约为分子间距约为110-8 cm *分子间相互作用势能（分子结合能）分子间相互作用势能（分子结合能）分子平均动能分子平均动能 *分子呈固定排列，分子热运动呈现为平衡位置附近的振荡分子呈固定排列，分子热运动呈现为平衡位置附近的振荡流体：无定形、易于流动流体：无定形、易于流动(超临界流体、等离子体等为特殊流体超临界流体、等离子体等为特殊流体) 液体：不可压缩流体液体：不可压缩流体 *分子间距比固体稍大分子间距比固体稍大1/3左右左右 *分子热运动动能与分子间相互作用势能相近分子热运动动能与分子间

3、相互作用势能相近 气体：可压缩流体气体：可压缩流体 *分子间距约为分子间距约为3.310-7cm *分子平均动能分子平均动能分子间相互作用势能分子间相互作用势能 *分子近似作自由的无规则运动的宏观性质。分子近似作自由的无规则运动的宏观性质。分子线尺度的量级分子线尺度的量级 110-8 cm1.1.2 1.1.2 流体的受力流体的受力流体流动最为根本的原因流体流动最为根本的原因场力场力(体积力体积力,质量力）质量力） 非接触力，大小与流体的质量成正比。非接触力，大小与流体的质量成正比。 如：重力，离心力，电磁力等如：重力，离心力，电磁力等 aaFVm重力场重力场重力加速度重力加速度 g=9.81

4、m/s2离心力场离心力场离心加速度离心加速度 22(2)rrna表面力表面力 接触力，大小与和流体相接触的物体接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比成正比 如：如：压力、剪切力和摩擦力压力、剪切力和摩擦力正应力：正应力： 与压缩（或扩张）形变相对应的应力，方向与作用面相垂直与压缩（或扩张）形变相对应的应力，方向与作用面相垂直剪应力：剪应力： 与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行 流体受力会产生形变流体受力会产生形变 应力是流体内部反抗形变的一种表现应力是流体内部反抗形变的

5、一种表现表面张力：表面张力： 存在于不同流体的相邻界面，存在于不同流体的相邻界面，使液体表面具有收缩的趋势使液体表面具有收缩的趋势 表面张力的大小用表面张力系数表面张力的大小用表面张力系数s s 来表示，单位为来表示，单位为N/mN/mFF.3连续介质假定连续介质假定( (Continuum hypotheses) )VmVVlim0尺度尺度 分子平均自由程分子平均自由程 连续介质假定连续介质假定 流体微团连续布满整个流体空间流体微团连续布满整个流体空间 流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数 注意：当流动体系的特征尺度与分子平均自由程

6、相当或更小注意：当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当或更小时，该假定不成立。时，该假定不成立。 V0流体流体质点质点或微团或微团流体的密度流体的密度 ：流体中空间流体中空间某点某点上单上单位体积的平均质量位体积的平均质量气体的密度（按理想气体）气体的密度（按理想气体）Pa8.314kJkmol.KMnMPVRTPR若则混合气体的密度（按理想气体）混合气体的密度（按理想气体）mmmAABBnnmAABBnnM nM PyyyVRTMM yM yM y ii组分的密度组分的密度Mii组分的摩尔质量组分的摩尔质量yii组分的摩尔分率组分的摩尔分率混合液体的密度混合液体的密度nnBBAAmwww1

7、 ii组分的密度组分的密度w ii组分的质量分率组分的质量分率注意：注意：气体气体 =f（P,T）液体液体 =f（T）FF粘性粘性抵抗两层流体相对滑动速度的性质抵抗两层流体相对滑动速度的性质粘度粘度衡量流体粘性大小的物理量衡量流体粘性大小的物理量粘度粘度1 10 100 1000 100001010.10.010.001甘油水空气剪切速率/ s-1剪应力 N.m-2粘度粘度（压强（压强1.01105Pa、温度、温度288K） 空气：空气：0.01810-3 N.s/m2 水：水：1.140510-3 N.s/m2甘油：甘油：233010-3N.s/m2 液体液体温度温度 粘度粘度气体气体温度温

8、度 粘度粘度注意：注意：1泊泊=100厘泊厘泊 1厘泊厘泊=1/1000（N.s/m2 ）- ddxuy液体的分子间距较小其粘性以分子间的引力为主因，而气体的粘性以分子运动为主因混合气体粘度计算混合气体粘度计算混合液体粘度计算混合液体粘度计算（不缔合混合液）（不缔合混合液）loglogmiix1212iiimiiyMy M压强：压强：单位面积上单位面积上垂直作用于流体的力。垂直作用于流体的力。 *为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中的传播的传播 *其方向与作用面相垂直，并指向作用面其方向与作用面相垂直，并指向作用面 *静止流体中的压强称为静压

9、强静止流体中的压强称为静压强 *在流体空间的任一点处，静压强数值相等地作用在在流体空间的任一点处，静压强数值相等地作用在各个方向各个方向appp绝表真 实 压 强大 气 压 强表 压用压力计（用压力计（manometer） 测定压强测定压强 1、真实压强大于大气压强、真实压强大于大气压强 测定的压强称为测定的压强称为表压表压 paP绝0apppRg表绝表表压压02、真实压强小于大气压强、真实压强小于大气压强 测定的压强称为测定的压强称为真空度真空度 appp绝真真实压强大气压强真空度0apppRg真绝paP绝真真空空度度02224222/ )(1106 .735/10807. 91/ )(03

10、3. 133.10760/1013251cmfKgOmHmmHgmNatcmfKgOmHmmHgparmNatm（工程大气压）（标准大气压）12p A+hA g = p A12-zz （）211p = ph g = pg流体流体静力静力学基学基本方本方程程应用条件：应用条件： 重力场中，均匀，静止的流体重力场中，均匀，静止的流体p0p1p2z1z2h面积面积A1.2流体静力学基本方程式及其应用流体静力学基本方程式及其应用流体在静止时其内部受着许多力的作用如自身的重力和外加压力，流体静力学即是研究流体在这些力作用下达到平衡或静止时的规律。流体静力学基本方程式及其应用流体静力学基本方程式及其应用1

11、2-zz （）211p= phg = pg1.在静止液体内任一点压力的大小与该点距液面的深度有关，越深则静压力越大；2.在静止的、连通的或连续的同一液体内同一水平面上的各点，因其深度相同，压力相同，此压力相同的水平面为等压面；3.当液体上方的压力有变化时，必将引起液体内部各点发生同样大小的变化。流体静力学基本方程式及其应用流体静力学基本方程式及其应用1.测量液体的某点压力或两点间的压力差液柱压力计 常见液柱压力计有正U型管压力计、倒U型管压力计、倾斜液柱压力计和双液柱压力计。液柱压差计（液柱压差计（ManometersManometers） a)a) 普通普通 U 型管压差计（型管压差计（Si

12、mple manometer） b)b) 倒置倒置 U 型管压差计（型管压差计（Up-side down manometer）c)c) 倾斜倾斜 U 型管压差计（型管压差计（Inclined manometer）d)d) 双液体双液体 U 型管压差计（型管压差计（Two-liquid manometer）(a)R0(b)a0(c)R10(d)0102p1p2p1p2p1p2p1p2baRbabab普通普通 U U 型管压差计（型管压差计（Simple manometerSimple manometer）p0 p0 0 p1 p2 R a b 在相连通的同一静在相连通的同一静止流体内，同一水止流

13、体内，同一水平面上平面上流体流体静压强静压强相等相等（等压面）（等压面）120abppR gppRg gRpp021gRpp021由指示液高度差由指示液高度差 R 计算压差计算压差0若（如被测流体为气体）倒置倒置 U U 型管压差计（型管压差计（Up-side down manometerUp-side down manometer）*一般用于测量液体的压差一般用于测量液体的压差*指示剂密度指示剂密度 0 0gRpp210p1p2aRbgRpppghgRpghRpghgRppghRppba021021021h倾斜倾斜 U U 型管压差计（型管压差计（Inclined manometerIncl

14、ined manometer）采用倾斜采用倾斜 U 型管可在型管可在测量较小的压差测量较小的压差 p 时，时，得到较大的读数得到较大的读数 R1 值。值。R10p1p2abgRpp0121sin压差计算式压差计算式双液体双液体 U U 型管压差计（型管压差计（Two-liquid manometerTwo-liquid manometer）* *用于测量用于测量微压差微压差 p* *扩大室内径一般大于扩大室内径一般大于U U型管内径的型管内径的1010倍倍* *采用采用两种指示剂两种指示剂，密度分别为密度分别为 01 01 和和 0202 对一定的压差对一定的压差 p，R 值的大小与所用值的大

15、小与所用的指示剂密度有关，密度的指示剂密度有关，密度差差越小，越小，R 值值就越大，读数精度也越高。就越大，读数精度也越高。0102p1p2abgRpp020121解：设室外大气压为解：设室外大气压为 pa，室内气压为，室内气压为poRhPpapap0gRpgRppggHagHao)(ghppgRpOHaHag2)(mggRphOHHg77. 281. 9100081. 91360004. 0105 .3232 如图所示密闭室内装有如图所示密闭室内装有测定室内气压的测定室内气压的U型压差计和监测型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水水位高度的压强表。指示剂为水银的银的U型压差计读数型压差计

16、读数 R 为为 40mm40mm，压强表读数压强表读数 p 为为 32.5 32.5 kPa 。试求：水位高度试求：水位高度 h。 【例例1-2 】papapopph ga绝0pp外ppp外绝表 例例1.3 用复式用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两两点的压差。倒置点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。型管段为水。水和空气的密度分别为水和空气的密度分别为 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下测得一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 =

17、 z3 - z4 = 0.5m。试计算试计算A、B两点的压差。两点的压差。1z1z2z3A4z4B23空气11Agzppzzgpp21021zzgpp2332zzgpp430434B4gzpp【例例1-31-3】 忽略空气柱的重量，忽略空气柱的重量，p1 p2 ，p3 p4 Pa5 .80345 . 032. 081. 92 . 11000210432104321BARRgzzzzgzzzzgppPa2 .80445 . 032. 081. 9100021BARRgpp流体静力学基本方程式及其应用流体静力学基本方程式及其应用2.液位的测定液位的测定3. 液封高度的计算液封高度的计算1.31.3

18、流体流动的基本概念流体流动的基本概念单相流与多相流单相流与多相流 （ single and multiphase single and multiphase ） 单相流体系单相流体系 体系所含的物质只有一种相态体系所含的物质只有一种相态 体系内部不存在相界面及相间传递体系内部不存在相界面及相间传递 体系的各种性质在空间连续分布体系的各种性质在空间连续分布 多相流体系多相流体系 体系内含两种或两种以上相态的物质体系内含两种或两种以上相态的物质 体系内存在相界面，如气体系内存在相界面，如气( (汽汽)-)-液、气液、气- -固、液固、液- -液等液等 界面上的传递速率对体系的性质具有重要影响界面上

19、的传递速率对体系的性质具有重要影响三维、二维与一维体系三维、二维与一维体系 根据参数随空间坐标变化的特征来区分根据参数随空间坐标变化的特征来区分如：如： T = f(x,y,z) T = f(x,y,z) 三维三维（three-dimensionalthree-dimensional，3D3D） T = f(x,y) T = f(x,y) 二维二维（two-dimensionaltwo-dimensional，2D2D） T = f(x) T = f(x) 一维一维（one-dimensionalone-dimensional）非稳态与稳态非稳态与稳态 （Steady and unsteady

20、Steady and unsteady） 非稳态流动非稳态流动流动参数随时间变化，如：流动参数随时间变化，如：T = f(x,y,z,t)T = f(x,y,z,t) 稳态流动稳态流动流动参数不随时间变化，如：流动参数不随时间变化，如：T = f(x,y,z)T = f(x,y,z)流量与流速流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量。体积流量：单位时间内流经管道任一截面的流体体积，以qv表示，其单位为 ；hmsm/33或流速：单位时间内流体在流动方向上流经的距离，用u表示，单位为m/s；质量流量：单位时间内流经管道任一截面的流体质量，以qm表示，其单位为kg/s或kg/h；流量与流速Aqwsm

21、KgwuAqqAqumVmV2/表示，单位为用，流经管道截面积的质量质量流速：单位时间内流速的关系：质量流量、体积流量和管道截面积流体的体积流量流量与流速若输送流体管道的直径为d(m)则uqddqdqAquVVVV785. 0785. 0422管路设计（1）选合适的选合适的u； 若流速选得过大，管径虽很小，但流体流过管道的阻力增大，消耗的动力相应增大，若流速过小，动力费用可以相应减小，但需要的管径就大，设备投资费用将增大费用设备投资费用动力消耗u在已知流体的体积流量（由生产任务决定）估算管径的步骤：(2)计算d；(3)查规格；(4)核算u。管路设计例：要求安装一根输水量为32m3/h的管路，试

22、选择合适的管路。解：根据表3-3选取u=1.8m/ssmummmdmmmmuqdV/68.13600082.0785.032:;082.08225 .3895 .389213 .7936008 .1785.032785.02校核流速的管子，其内径为：选用查附录连续性方程1122对于稳定过程，物料衡算关系为：输入=输出21mmqq222111AuAu连续性方程常数为常数：，若流体为不可压缩流体常数uAAuAuquAAuAuqVw2211222111对于任意截面：连续性方程连续性方程212212222112211222211u44dduududAuAud；AdA即层流：层流：流体质点很有秩序地分层

23、顺着轴线平行流动，不产生流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，不产生流体质点的宏观混合流体质点的宏观混合湍流：湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小和方向不断改变。和方向不断改变。 层流与湍流（层流与湍流（Laminar Flow and Turbulent FlowLaminar Flow and Turbulent Flow）雷诺实验雷诺实验uut湍流流体的流速波形湍流流体的流速波形 反映了湍动的强弱与频率反映了湍动的强弱与频率 说明宏观

24、上仍然有一个稳定的时间平均值说明宏观上仍然有一个稳定的时间平均值*其它参数如温度、压强等也有类似性质其它参数如温度、压强等也有类似性质湍流速度脉动示意湍流速度脉动示意Re 2000 层流（滞流）层流（滞流）2000 Re 4000 湍流湍流duRe 物理意义：物理意义： 惯性力与粘惯性力与粘性力之比性力之比 雷诺准数雷诺准数Reynolds numberReynolds number流型判别的依据流型判别的依据雷诺准数（雷诺准数（Reynolds numberReynolds number）粘性力惯性力或惯性力或粘性力ululluduRlutulFmaFullulFdyduAFe222232:

25、流动边界层流动边界层流体流动受固流体流动受固 体壁面体壁面（相界面）影响的区域（相界面）影响的区域1.1.5 1.1.5 流动边界层流动边界层 （Boundary LayerBoundary Layer）yxu(x,y)uouo 平板上的流动边界层发展平板上的流动边界层发展 Xouod进口段圆管入口处的流动边界层发展圆管入口处的流动边界层发展 流体内流体内摩擦力摩擦力的存在的存在流体流体粘性粘性注意：注意：层流边层流边界层和界层和层流内层流内层的区层的区别别层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0 xy层流边界层：层流边界层： 边界层内的流动类型为层流边界层内的流动类型为层流湍流边界

26、层：湍流边界层： 边界层内的流动类型为湍流边界层内的流动类型为湍流层流内层：层流内层： 边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流为层流或湍流，其流动类型均为层流内摩擦：内摩擦： 一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层：边界层： 受内摩擦影响而产生受内摩擦影响而产生速度梯度速度梯度的区域（的区域（ ） 边界层内边界层内 ： 边界层外边界层外 ： 边界层发展：边界层发展： 边界层厚度边界层厚度 随流动距离增加而增加随流动距离增加而增加边界层汇合（管内流动的充分发展）：

27、边界层汇合（管内流动的充分发展）： 边界层不再改变，管内流动状态也维持不变边界层不再改变，管内流动状态也维持不变注意：注意：充分发展的管内流型取决于汇合点处边界层内的流动充分发展的管内流型取决于汇合点处边界层内的流动类类型型 yxu(x,y)uouo00 0 .9 9dd0uuuy0dd0uuuy2dRdyu+duuXouod进口段边界层分离边界层分离 根据流体内部的能量变化根据流体内部的能量变化来分析来分析边界层分离现象边界层分离现象XDABCCu0分离点倒流流体横掠圆柱体时的边界层分离流体横掠圆柱体时的边界层分离A点：点：* *流体滞止流体滞止 * *动动能全部转化为静压能能全部转化为静压

28、能 * *压强最大，迫使流体压强最大，迫使流体向两侧绕流并受固体向两侧绕流并受固体表面的阻滞而形成边表面的阻滞而形成边界层。界层。 ABAB：* *流道逐渐缩流道逐渐缩小、流速不断增加而小、流速不断增加而压强不断降低压强不断降低 * *边界边界层内流体流动方向与层内流体流动方向与压强降的方向一致，压强降的方向一致，称顺压强梯度。称顺压强梯度。边界层分离边界层分离 XDABCCu0分离点倒流流体横掠圆柱体时的边界层分离流体横掠圆柱体时的边界层分离B B点：点：流道最小，流速流道最小，流速最大，动能大，压强最大，动能大，压强最小最小B B点后：点后：* *流道渐扩，流流道渐扩，流速下降、压强渐增，

29、边速下降、压强渐增，边界层内出现逆压强梯度界层内出现逆压强梯度 * *流体的动能部分转换流体的动能部分转换为静压能，部分耗于克为静压能，部分耗于克服摩擦阻力，动能迅速服摩擦阻力，动能迅速下降，越靠近壁面动能下降，越靠近壁面动能下降越快。下降越快。 C点：点：边界层分离点（速度首先下降为零的点）边界层分离点（速度首先下降为零的点） ：边界层分离面（零速度面）边界层分离面（零速度面）CC传输推动力传输速率传输阻力1.21.2扩散现象与扩散定律扩散现象与扩散定律Diffusion phenomena and diffusion laws系统由非系统由非平衡态平衡态平衡态平衡态熵增大的自发过程熵增大的

30、自发过程.1扩散现象与现象方程扩散现象与现象方程.2动量扩散与牛顿粘性定律动量扩散与牛顿粘性定律（Momentum diffusion and Newtonian viscous lawMomentum diffusion and Newtonian viscous law）考察：考察： 单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象 mu动量动量yuxdd速度梯度速度梯度)(yux速度分布速度分布yxuxux + ux uxy0dlim=dxxyuuyy *动量动量 是矢量是矢量 *动量的方向为流速的方向动

31、量的方向为流速的方向 *动量扩散的方向，由速度梯度动量扩散的方向，由速度梯度 决定、指向速度降低的方向决定、指向速度降低的方向 *层流流体中由速度梯度推动的层流流体中由速度梯度推动的 扩散称为分子动量扩散扩散称为分子动量扩散muxmu宏观上：宏观上：气体的动量气体的动量气体的动量浓度气体的动量浓度yxuxxmu流动流动气体气体的分的分子运子运动动*流体的宏观运动，流体的宏观运动，ux*迭加在宏观运动上迭加在宏观运动上的分子微观热运动，的分子微观热运动，其均方根速度为其均方根速度为 vl lxxunM u动量动量/m/m3 3微观上：（通过单位微元底面积在单位时间内交换的通量）微观上：（通过单位

32、微元底面积在单位时间内交换的通量）分子数通量：分子数通量： 质量通量：质量通量：3nvl33nMvll yux, T, Allux(y), T(y), A(y)oyuxux+l(dux / dy)2m .s分子数2m .s质量运运载载工工具具yxuxyux, T, Allux(y), T(y), A(y)oy分子扩散由下而分子扩散由下而上的动量通量上的动量通量3xul d3dxxvuuyll净的动量扩散通量：净的动量扩散通量：yuuuvxxxdd3llddxxyuulxu动量扩散通量动量扩散通量：通过单位底面积的分子：通过单位底面积的分子交换使微元体产生的动量变化率交换使微元体产生的动量变化率

33、对对具有单位微元底面积的上层流体具有单位微元底面积的上层流体考察考察动量交换动量交换分子扩散由上而分子扩散由上而下的动量通量下的动量通量yxux牛顿第二定律：牛顿第二定律：*运动体系的运动体系的动量变化率动量变化率等于作用在该体系上的等于作用在该体系上的力力*动量变化率的方向与力的方向相同动量变化率的方向与力的方向相同 d13dd13dd13dxyxxxxxuvuuyuyuyllll l l一维层流流动体系一维层流流动体系流体流动方向（流体流动方向（x方向方向）代表）代表动量动量及及剪应力的方向剪应力的方向速度梯度方向（速度梯度方向（y方向方向）代表）代表动量传递或力的作用面的法线方向动量传递

34、或力的作用面的法线方向 yx 剪应力（剪应力（shear stress）表示平行作用于单位面积上表示平行作用于单位面积上的切向力，单位为的切向力，单位为N/m2yuxyxdd13l l若令： 动量扩散系数，动量扩散系数，m2/s 称为称为 运动粘度运动粘度 ，与气体分子的种类，与气体分子的种类及其状态参数有关及其状态参数有关ddxuy：动量浓度梯度yuxyxdd= = 动力粘度（动力粘度（viscosity）或粘度）或粘度 单位为单位为N.s/m2 速度梯度又称为剪切速率速度梯度又称为剪切速率 yx剪应力又称为流体的内摩擦力或粘性力剪应力又称为流体的内摩擦力或粘性力 yuxdd牛顿粘性定律牛顿粘性定律* * * 满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体（满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体（Newtonian fluid）.3热量扩散与傅立叶热传导定律热量扩散与傅立叶热传导定律 Heat diffusio