化工原理流体流动复习

1、思考题第一、二节思考题1. 流体机械运动和固体机械运动有何差别？2. 描述物质机械运动一般有几种方法？两者特征是什么？考察流体机械运动一般用哪种考察方法？3. 连续性假定的要点是什么？为何要引入该假定？4. 流体运动和固体机械运动时所受摩擦力有何差别？5. 气体所受粘性力和液体所受粘性力在数量级上的关系如何？两者受外界条件的影响规律是否相同？6. 流体静力学方程有几种表达形式？每种表达形式各反映了静止流体的何种规律?7. 虚拟压强差和压强差P是否一致？什么情况下两者数值上必然相等？8. 工业上U型压强计一般用来测量什么流体的压强，U型压差计一般使用在何处？第三节思考题1. 为简化工程计算，工程

2、上往往用某个物理量的平均值来代替该物理量在空间的分布。该平均值的平均方法是否任意的？该平均值是否能全面地替代其分布？2. 为什么不可压缩流体在管内流动时，不会因为摩擦阻力而减速？3. 定态流动时，连续性方程反映了流体在管内运动时的那些规律？4. 伯努利方程的应用条件是什么？使用伯努利方程解决管流问题时，截面的选取应注意些什么？5. 伯努利方程的物理意义是什么？在工程上它给我们揭示了一个什么规律？6. 描述流体流动参数变化规律一般有几个基本关系？7. 动量定理和机械能衡算式的关系如何？8. 工业应用时，能量方程和动量方程哪个应用多些？为什么？第四节思考题1. 流体流动有几种型态，其判据是什么？2

3、. 两种流动型态的本质差别是什么？3. 层流内层对什么有重要影响？4. 什么叫边界层，边界层脱体产生的原因是什么，对流动的影响如何？第五节思考题1. 影响阻力损失的外部条件有哪些？2. 两种流型的直管阻力与设备结构参数和流动参数的关系如何？是否一致？3. 局部阻力系数为何会出现负值？阀门阻力参数与开度的关系如何？4. 因次分析法的基本步骤是什么？其主要特点是什么？第六节思考题1. 在自流系统中，管路阻力损失的外观表现是什么？2. 自流系统管路确定以后，流动的总阻力损失受什么限制？3. 操作过程中，阻力的分配与流量、压强的关系如何？4. 在分支管路或汇合管路中，为何局部阻力系数出现负值？第七节思

4、考题1. 毕托管与孔板流量计各测得的是什么流速？2. 孔板流量计、转子流量计的阻力损失与流量的关系如何？3. 孔板流量计、转子流量计测量流量各有什么特点？4. 为何测量时，转子流量计要作温度、压力修正？5. 各类测量仪的安装有何要求？绪论一化工生产过程 原料 反应（T，P，X） 产品 前处理核心 后处理例如：合成氨生产N2+H2NH3条件：高温、高压、催化剂前、后处理过程大多数都是物理过程化工生产过程反应+各单元过程的组合（搭积木）化工原理研究化工生产过程中各种单元操作的基本原理及规律，研究典型设备构造及工艺尺寸计算的一门工程技术学科。化学工程、化工过程及设备、单元操作二单元操作分类：操作目的

5、、相态、传递过程操作目的：l 物料的输送、加压、减压l 物料的混合或分散l 物料加热或冷却l 非均相混合物的分离l 均相混合物的分离传递过程：u 动量传递（流体流动、搅拌、过滤、沉降、流态化）u 热量传递（传热、蒸发、干燥）u 质量传递（蒸馏、吸收、萃取、干燥）P2表1化工常用单元操作传递过程是了解各单元操作的一条主线三课程性质及研究方法性质：专业技术基础课，工程技术学科。工程问题的复杂性：几何尺寸，物料研究方法：u 实验研究法（经验的方法）直接用实验测取各变量间的关系建立实验的方法论：“由小见大”，“由此及彼”如：流体流动、传热u 数学模型法（半经验、半理论的方法）对复杂问题进行合理简化，通

6、过简化模型，建立方程，由实验求出一些修正系数。如：过滤研究工程问题方法论是了解各单元操作的另一条主线化工原理以单元操作为内容，以传递过程和研究方法论为主线四课程需要解决的问题选择设计操作开发u 合理地选择单元操作u 设备设计正确u 优化操作u 开发新的单元操作上册： 标准设备的选型下册：非标准设备的设计五单位制及因次系统1 单位制u 单位表示物理量的大小。基本单位、导出单位。u 单位制基本单位和导出单位的总和u 物理量数值+单位我国以往常用的单位制 长度 时间 质量 力c.g.s cm(L) s(T) g(M) dyn M.K.S m s kg N 工程制 m (L) s(T) s2.kg(f

7、)/m kg(f)(F)SI制 m s kg N 英制2 因次系统u 因次表示物理量的性质。基本因次、导出因次如：长度L1T0M0，速度L1T -1M0u 因次系统基本因次和导出因次的总和。采用同一基本因次的为同一因次系统如c.g.s,M.K.S,SI属同一因次系统u 物理方程的因次一致性物理方程中各项具有相同的因次如：L s=1/2gt2L第一章 流体流动第一节 概述 基础理论：流体的宏观规律；流动的内部结构一连续性假定流体液体和气体（特点：具流动性，无固定形状，其形状随容器而变化）流体是由无数分子组成的（微观运动）考察对象：不是单个分子，而是流体质点（宏观微团）流体是由大量质点组成的、质点

8、间无间隙、完全充满所占空间的连续介质，即，其物理性质和参数在空间连续分布（宏观机械运动）连续性假定把流体可看成是连续介质，用连续函数来处理流体流动和平衡时的规律。（高度真空气体例外）即：a.流体质点连续，充满整个空间；b.参数连续。流体在运动时，各质点间可改变其相对位置，而固体运动时，整个固体一起运动，这就是流体流动与固体运动的区别。二流体流动的考察方法1 拉格朗日法选定一流体质点，跟踪其运动，考察流体质点随时间变化的规律。（系统）2 欧拉法在固定的空间点上，考察流体通过每一空间点时，运动参数随时间的变化规律。（控制体）如运动参数：u,p,-ux=fx (x,y,z,t)uy=fy (x,y,

9、z,t)uz=fz (x,y,z,t)通常，当流体内每个质点都遵守同一规律时，采用拉格朗日法多数情况下，考察流体运动都采用欧拉法对定态流动，采用欧拉法更为简单3 流线与轨线轨线流体质点的运动轨迹拉格朗日法考察的结果流线流线上各点的切线表示该点的速度方向采用欧拉法的考察结果轨线与流线是两个不同的概念，只有在定态流动时，流线和轨线才重合。由流线定义，可得如下推论：流线互不相交；流线不能穿越流管。（图1-1）4 定态过程与非定态过程 定态过程过程参数仅随空间变化，而与时间无关定态流动流体运动空间各点的状态不随时间变化非定态流动运动参数不仅随空间位置变化，还与时间有关。ux=fx (x,y,z,t)u

10、y=fy (x,y,z,t)uz=fz (x,y,z,t)第二节 流体静力学2-1流体静压强及其特性一流体静压强定义任意面上：p=F/AN/m2F垂直于界面静止流体中，任意界面上，只受到大小相等，方向相反的压力。在任意点上：p=limF/AA0在静止流体的任意点上，都受到各个方向、数值相等的静压强（点性质）。数学描述：p=f(x,y,z)二压强的单位：N/m2= Pa（帕斯卡）atm（标准大气压），某流体柱高度，bar（巴），kg（f）/cm2(at)1bar=105Pa M Pa（兆帕）=106Pa1atm=1.033 kg（f）/cm2(at)=760mmHg=10.33mH2o=1.01

11、33×105 Pa=1.0133bar1at=1 kg（f）/cm2=735.6mmHg=10mH2o=9.81×104 Pa三压强的基准绝对压以绝对零压为基准，是流体的真实压强表压、真空度以当时当地的大气压为基准(表压=绝对压大气压, 真空度=大气压表压)数值上：表压= -真空度（见图1-8）2-2流体静力学基本方程式一力的分类力体积力（质量力）正比于质量；场力，重力场g，离心力场表面力压力垂直于截面；压强剪力（运动产生）平行于截面；剪应力二流体静力学方程式推导取微元体，作力分析：（见图1-6）中学：取一流体柱，受力分析：作用于上底面的压力：P1= p1 A1作用于下底面

12、的压力：P2= p2 A2作用于整个液柱的重力：W=A（z1z2）g平衡时：P2= P1+W,p2= p1+g（z1z2）p2= p1+g h流体静力学基本方程式讨论：1. 适用条件：静止流体，重力场，不可压缩流体2. 如上底面取在容器的液面上，其压力为p0下底面取在容器的任意面上，其压力为p则p =p0+g h当p1有变化时，p2也发生同样大小的变化。3 p还与 h有关 php等压面在静止的、连续的、同一流体内，处于同一水平面上各点的压强相等。流体静力学方程式揭示了静止流体内部压强分布规律。4 静力学方程式：gZ+p/=Const单位：J/kggZ单位质量流体所具有的位能，J/kgp/单位质

13、量流体所具有的压强能 单位：（N/m2）（m3/kg）=N m/ kg= J/kg位能、压强能都是势能流体静力学方程式表示：在静止流体中，总势能保持不变。但位能和压强能两者之间可以相互转化，两者之和为常数。5 用符号P /单位质量流体的总势能J/kg定义：P /=gZ+p/P =p+gZ虚拟压强：具p的因次，N/m2,（J/m3）公式（1）则为：P /=Const即：在静止流体中，总势能处处相等，只有同一高度，压强相等。6 式（1a）也可改写为：（p2 -p1 ）/g = h单位：m（J/N）说明压强差可用流体柱的高度表示。必须注明何种液体，否则失去意义。应用流体静力学方程式计算时，高度、压强

14、的基准可以任取，但方程两边必须统一。方程中每一项的单位必须统一。2-3流体静力学方程式的应用一压强的测量1 简单测压管（图1-9）pA=pa+g R适用于：1) 高于大气压的压强的测定2) 只适用于液体，不适用于气体3) 如pA过大，则R将很大；如pA过小，则R将很小，测量误差增大。2 U型测压管（图1-10）U型管中放有某种液体指示液（与被测流体不发生化学反应，且不互溶）p1=pA+g h1p2=pa+i g RpA pa=i g Rg h1如被测流体为气体，即i，则pA pa=i g R3 U型压差计（图1-11）p1=pA+g h1p2=pB+g（h2-R）+i g R(pA+g h1

15、)(pB+g h2）= R g（i-）(pA+g z1 )(pB+g z2)= R g（i-）即PAPB= R g（i-）U型压差计测出的R是：P如压差计水平放置：P =p第三节 流体流动中的守恒原理质量守恒能量守恒（机械能）动量守恒应用流体流动的基本原理及其流动规律可解决：121. 确定管径2. 估算输送所需的能量3. 选用合适的计量装置（压强，流速，流量的测量）4. 强化传热、传质过程。管流为主3-1流体流动的作用力一力的分类力体积力（质量力）正比于质量；场力，重力场g，离心力场表面力压力垂直于截面；压强剪力（运动产生）平行于截面；剪应力二牛顿粘性定律(图1-2)剪力：=F/A= - du

16、/dy牛顿粘性定律粘度,N.s/m2(kg/s m)du/dy法向速度梯度，s-1牛顿粘性定律说明：（1） 流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正压力无关；（不同于固体表面的摩擦力）（2） 当流体静止时，du/dy=0, =0；（3） 相邻流体层的流速，只能是连续变化的，紧靠静止固体壁面处的流体流速为0。理想流体：=0(=0，不一定是理想流体)实际流体：0（图1-4，1-5）3粘度粘度是流体的物性参数。其物理本质是流体分子运动的宏观表现，是微团之间动量交换的结果。牛顿粘性定律本质上是流体内微团间动量传递速率方程。动量交换（相互牵制）表观上产生阻力影响因素：流体本身性质，温度有显著影响。P9对液体

17、：温度，粘度对气体：温度，粘度数量级：液100气压力对液体粘度的影响可忽略；对气体，压力，粘度。但压力不太高时，变化可忽略。粘度值可从物性手册上查得。注意：粘度的单位1(dyn/cm2)=1泊=100厘泊(cp)1cp=10-3N.s/m2常温、常压下：水：=1cp空气：=0.01cpP.375，P.383共线图工程计算中，常出现与的比值运动粘度=/m2/s服从牛顿粘性定律的流体牛顿型流体。3-2质量守恒一流量、流速1 流量单位时间通过管截面的流体量流量质量流量qW，kg/s体积流量qV，m3/sqW=qV·2 流速单位时间内，流体在流动方向上流过的距离，m/s（1） 点速度

18、9;圆管：粘性，速度分布（图1-4）工程处理方法：平均值(2)平均速度平均值的选取应当按其目的采用相应的平均方法平均流速按照流量相等的原则，即qVqV，qW，G之间的关系qW×G×A×1/A×1/二连续性方程取控制体作物料衡算（欧拉法）：（图1-13）进-出=积累即：截面，u截面,u流体在均匀直管内作定态流动时，u沿程保持定值，并不因磨擦而减速（不同于固体运动）。作业：2，4，5，63-3机械能守恒流体流动中的机械能位能、压强能、动能机械能压强能流体自低压对抗压力流动时获得的能量。三种能量相互转换。从牛顿第二定律出发，理想流体能量守恒，实际流体修正。一理

19、想流体的机械能守恒1沿轨线的机械能守恒理想流体：=0运动时，只受质量力和压强力的作用取微元作力分析（图1-6）1 沿流线的机械能守恒定态条件：流线与轨线重合，故伯努利方程对单根流线也适合。2 理想流体管流的机械能守恒均匀流段：同一截面上各点的总势能 P /相等（无加速度）（图1-14）理想流体：同一截面上各点的流速u相等所以，伯努利方程对管流也适用二实际流体的机械能衡算1 与理想流体的差别0，u=f(r)流动时为克服摩擦力要消耗机械能，机械能不再守恒均匀流段上，截面上各点的动能u2/2不等工程上，用平均动能代替之2 动能因子平均的原则：截面上总动能相等12三伯努利方程的应用Note:1) 选取

20、截面应垂直于流动方向，均匀流段，未知量尽可能少，包含待求参数。（如容器液面u2/2=0）。2) 位能基准面可选任一截面，或容器的液面、管中心3) 1（即等号左边）为上游截面，2（即等号右边）为下游截面。4) 单位一致（特别p）1 重力射流(图1-16) 2 压力射流（图1-17）3 驻点压强四伯努利方程的几何意义1 伯努利方程的三种形式2 伯努利方程的几何意义（图1-18）理想流体管流流动时，三头之和为一常数。3-4动量守恒mu动量牛顿第二定律也可表示为：动量定理：物体所受的合外力等于动量随时间的变化率。一管流中的动量守恒（图1-20）二动量守恒定理应用举例该例说明，即使忽略了管壁的摩擦力，流

21、动也受到了内摩擦力的作用而使压强能减少。即阻力损失不等于零。（流体与固体运动的差异）三动量定理与能量衡算式的关系1 两者都反映了流体运动参数的变化规律。流体流动应同时遵守这两个规律。2 两者在应用时有不同要求：应用能量方程时，必须清楚阻力损失hf项应用动量方程时，必须清楚合外力在研究流体与固体边界的力的关系时，必须用动量方程。第四节 流体流动的内部结构一两种流动型态（流型）1. 雷诺实验（图1-24）当流量较小时，有色液呈线状当流量较大时，呈波纹状当流量很大时，呈断续状2. 两种流型u 层流（滞流）流体质点只作轴向的直线运动，没有径向运动，有规则的运动。u 湍流（紊流）流体质点不仅作轴向运动，

22、还有随机的径向脉动，不规则运动。二流型的判据雷诺数流型=f(d, u,)Re雷诺数，无因次数群当Re<2000,层流区当Re>4000,湍流区2000<Re<4000,过渡区不稳定状态稳定性概念：稳定性抗外界干扰能力Re2000,是稳定的层流。所以，雷诺数的物理含义：是流体流动稳定性的判据，是惯性力/粘性力(ma /A)。流体的流动型态：层流和湍流三湍流1 湍流的基本特征流体质点在总体上作轴向运动的同时，还作径向的随机脉动（图1-25）2 时均化概念瞬时流速：湍流时的定态流动，是指所有的运动参数的时均值不随时间而变化。(以后，其它参数均指它们的时均值。)注意：质点的径向

23、脉动，增加了径向传递过程的传递速度，强化了径向传递过程。即强化了径向的动量、热量和质量的传递。3 湍流粘度4.湍流时的层流内层和过渡层由Re=d u/及管内的点速度分布可知：远离壁面：速度脉动大，湍流粘度，很大(充分的湍动)分子粘度可忽略仅壁面处：u小，速度脉动小（分子粘度起主要作用）即壁面处，流动仍保持层流特征。（不管主体的湍流程度有多大）湍流流动时，近壁面处仍保持着层流特征的这一薄层层流内层在层流内层与湍流主体间的流体层过渡层层流内层（分子运动）是径向传递过程的主要阻力。其厚度一般随Re的增加而减薄。四圆管内流体运动的数学描述1 化工工程问题的一般处理方法过程分析：寻找过程特征数学描述：建

24、立平衡方程与过程的特征方程（速率方程）联立求解：解析求解，实验求解结果分析：分析求解结果对工程的指导意义2 圆管内的受力分析（图1-29）五圆管内的点速度分布1. 层流时的速度分布2. 湍流时的速度分布3. 动能校正因子六边界层及边界层脱体1. 边界层边界层流速受边界影响（有速度梯度）的区域。规定：当点速度未受边界影响流速的99%以内的区域图1-26为平壁上的边界层管流：（图1-27）边界层的形成L0L0为测量稳定段，参数测量应避开此段2. 边界层分离（脱体）考察流体对一圆柱体的绕流（图1-28）AB，边界层的形成同平板BC，流道扩大，流速减小，C点为0C-C/连线以上的边界层脱离了物体的边界

25、层流道扩大时必产生逆压流动逆压流动易产生边界层脱体边界层脱体产生漩涡，增加能耗第五节 阻力损失根据能量衡算式：理想流体：=0，hf=0实际流体：0，hf0所以，产生流动阻力的内因：流体的粘性产生流动阻力的外因：流体流动管路的组成：直管；阀门，弯头等流动阻力分成：直管阻力，局部阻力5-1层流时直管阻力损失结论：（层流）1. hfu12. u=4V/（d2）代入可知：当V一定时，hfd-43. 虚拟压强的降低，与无关5-2湍流时直管阻力的实验研究方法湍流时：hf=f (d, l, u,)绝对粗糙度影响因素：设备特性、物性、操作条件工程问题的复杂性：1. 影响变量多，实验工作量大实验次数N=mnm每

26、个变量改变的次数（实验的水平数）n自变量个数2. 许多变量的可变范围广，物性千变万化3. 设备几何边界条件的复杂性（主要）（有小见大，由此及彼）实验研究（因次分析法）的基本步骤1. 通过预实验或过程分析，找出所有的、不可忽略的影响因素2. 函数的无因次化，减少实验次数3. 寻找合适的具体的函数逼近形式如：y=a+bx，y=a+a1x+a2x2y=Ax1ax2b（化原）y=Aeax（化学反应）4. 实验确定待定参数5-3因次分析法及定理一因次分析法1. 列出所有影响因素物性：，几何尺寸：d,l,流动条件：u湍流时：hf=f (d, l,u,)2. 变量的无因次化（写出每个变量的因次；选n个独立变

27、量；剩余变量无因次化）变量单位因次hfJ/kgL2T-2l,d,mLum/sLT-1Ns/m2ML-1T-1kg/m3ML-3选因次相互独立的变量代替基本因次：d,u，其余变量：hf,l无因次化3. 函数的无因次化二.定理：无因次数群的个数=变量数基本因次数N=m-n7-3=4因次分析法的依据：1. 物理方程各项因次一致；2. 定理因次分析法的主要特点1. 能够做到“有小见大”，“由此及彼”2. 可以有效地减少实验工作量3. 该法是纯经验的总结和归纳。所得方程是纯经验方程，对过程的内在本质不了解（黑箱法）4. 实验目的是探索方程。5-4湍流直管阻力经验式一与Re的关系1. 层流时：=64/Re

28、2. 莫迪图（双对数坐标）1) 层流区：近与Re有关。Re，知道u，d与，hf的关系2) 过渡区：2000<Re<4000，设计时，按湍流计算3) 湍流区:Re，,下降趋势渐缓4) 高度湍流区（阻力平方区）与Re无关，=f(/d)hfu2hfd-5，(V一定)二相对粗糙度/d对的影响层流时：=f(Re),与/d无关湍流时：(/d)，三实际管的当量粗糙度由实验测得阻力损失，算出当量粗糙度值见p.41 表1-1湍流时，也可用下式计算：四非圆形管的当量直径注意：直管阻力损失应与固体表面间的摩擦损失区别，流体流动的直管阻力损失发生在流体内部。5-5局部阻力损失一阻力系数法对多股流体的合流或

29、单股流体的分流，可能为负值。即部分流体获得能量。p.45记住：小大，=1.0大小, =0.5二当量长度法p.45第六节 流体输送管路的计算6-1阻力对管内流动的影响一 简单管路（图1-40）结论1：流体流动过程中，其总势能的减少，用以克服流动中的阻力损失及动能的增量。结论2：管路两端的总势能差一定后，管路的总阻力损失hf受此约束，且在整个管路中有一定的分配。阻力分配的变化将引起管内运动参数的变化。结论3：u 任何局部阻力，将使V，其余各部分阻力均。u 上游阻力，下游各点压强(如B点)；下游阻力，上游各点压强（如A点）。u Hf表现在总势能的降低，对局部阻力，由于Z0,则表现为压强的降低。二分支

30、管路（图1-41）图中A，B阀全开时，有P0，V1，V2，V3现将A关小，B开度不变，有p/0，V/1，V/2，V/3判断：V1/_ V1,V/2 _ V2V/3 _ V3,p/0 p0结论：对分支管路，任一支管阻力的上升，该支管流量下降，而其余各支管流量上升。但总流量V总=Vi,必然下降。两种极端情况：1. 总管阻力可以忽略、支管阻力为主hf总<<hf支,即hfhf支,此时：10 ,任一支管阻力的变化，将使（0-i）的变化忽略，则其余各支管的流量几乎不变。（总管阻力忽略）(城市供水、煤气管道的铺设)2. 总管阻力为主、支管阻力可以忽略hfhf总>>hf支,此时：（1-

31、0）很大，而（0-i）很小，任一支管阻力的变化，（1-0）近似不变，总流量几乎不变，但其余各支管流量变化很大，在总流量几乎不变的情况下重新分配。（总管阻力很大）三汇合管路（图1-42）阀A关小：0，hf1-0，hf2-0均，u1、u2、u3均，但u2下降的幅度更大（2<1）。当0上升至0=2时，u2=0，此时，V3=V1；若0>2，则变为分支管路。结论：互相连通的管网系统，是不可分隔的整体。流动参数在该系统内有确定的分布（存在一定的能量平衡）。任何局部的流动条件发生变化，都会使整个管路原有的能量平衡遭到破坏，引起整个分布的变化，须根据新的条件建立新的能量平衡，形成新条件下的分布。6

32、-2管路计算一 计算公式9个变量：qV，d,u,1,2,l,（，一定）规定6个变量，能求出其余3个。二两类题型1. 设计型计算命题特征：规定输送流量任务qV，流体性质，求管径d，起始端压强p1(或高度Z1)。给定条件：l，p2计算特点：方程无唯一解，多方案，选择最优化设计。工程优化原则：技术可行，经济最优。p.49计算方法：选择流速u，计算管径d，求得其余各参数。2. 操作型计算命题特征：设备条件一定，求：（1） 在一定的操作条件下具有的输送流量；（2） 为完成一定输送任务所需的操作条件。给定条件：d,l，1，2，求输送量qV或d,l，2 ，qV。求输送量1计算特点：方程组内有复杂的非线性方程，需用迭代法（试差）求方程近似解，但解是唯一的。初值：变化小，为此，选择作为试差对象（工业上，一般为0.020.04）初的确定：较大（u小），设=64/Re滞流区较小（u大），设=f(/d)阻力平方区qV=uA初值计算u计算Re计算|初计|修正初TF三拟定态问题的近似求解当运动参数随时间变化率很小的非定态过程，可用拟定态方法近似处理。四复杂管路的计算1 分支或汇合管路的计算(图1-47)交汇点处，工程上