化工原第一章(hg)120216

流体流动的基本概念与流体中的传递现象第一章

在航空、航天、航海，石油、化工、能源、环境、材料、医学和生命科学等领域，尤其是化工、石油、制药、生物、食品、轻工、材料等许多生产领域以及环境保护和市政工程等，涉及的对象多为流体。特征“流程工业”在流动之中对流体进行化学或物理加工加工流体的机器与设备过程装备

流体（Fluid）与流体流动（Flow）1.1流体的物理性质物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体；流体:气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、等离子体等特殊流体）固体、液体和气体流体的基本特征是具有流动性

从微观来看分子之间有空隙流体的物理量(如密度、压强和速度等)在空分布不连续。分子的随机运动所以在空间任一点上，流体的物理量在时间上的变化也是不连续的。在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即大量分子的统计平均值，为此引入连续介质模型。连续介质假定(Continuumhypotheses)（1）V0：流体质点或微团。尺度远小于液体所在空间的特征尺度，而又远大于分子平均自由程单位体积平均质量连续介质假定(Continuumhypotheses)(2)注意：该假定对绝大多数流体都适用。但当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。流体的密度:根据连续介质假定,任意空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为:

由于很小,因此上式又可写成:气体密度：气体密度：一般可当成理想气体处理:混合气体密度:混合气体的平均分子量；A组分的分子量；A组分的摩尔分率；B组分的分子量；B组分的摩尔分率。(质量守恒)A组分的分容；B组分的分容。液体的密度:流体的密度:根据连续介质假定,任意空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为:

由于很小,因此上式又可写成:气体密度：混合液体的密度:设定混合液体的体积=分体积之和,即:液体的密度:为A组分的质量分率,为B组分的质量分率,则有：牛顿粘性定律(P7):1.1.3流体的黏度流体在运动时,任意相邻两层流体有相互抵抗力,这种相互抵抗的作用力称为剪切力,流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的粘性。

粘性是流体固有的物理性质。牛顿粘性定律:uu=0dudyyxF面积A固定板牛顿粘性定律:牛顿粘性定律凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体(如水、空气等),否则为非牛顿型流体。牛顿粘性定律(P7):1.1.3流体的黏度流体的粘度流体的粘度流体的粘度粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成和状态(压力、温度)的函数。一般而言:气体:液体:流体的粘度的单位:SI制

工程制的单位:泊(P);厘泊(cP或mPa.s)关糸:单位:SI制运动粘度:牛顿粘性定律(P7):1.1.3流体的黏度流体的粘度混合物粘度的估算:常压气体混合物粘度,可采用右式计算非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算式中:m气体混合物的粘度yi气体混合物组分的摩尔分数

i同温度下纯组分的粘度

Mi纯组分的摩尔质量式中:m液体混合物的粘度xi液体混合物组分的摩尔分数混合物粘度的估算:理想流体与粘性流体具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体的流体称为理想流体牛顿粘性定律(P7):1.1.3流体的黏度流体的粘度混合物粘度的估算:非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）P144牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）P146高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。非牛顿流体的粘度不再为一常数而与dux/dy有关宾汉塑性流体或塑性流体（Binghamplastics）y——屈服应力（thresholdshearstress）K——宾汉粘度n—流变指数（flowbehaviorindex）K—稠度系数（flowconsistencyindex）a——表观粘度幂律（powerlaw）流体n<1——假塑性流体（Pseudoplastic

fluid）n=1——牛顿流体（Newtonianfluid）n>1——涨塑性流体（Dilatantfluid）P1４6非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等

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）积成正比，例如：压强和应力

处于重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。连续介质的受力服从牛顿定律。重力场——重力加速度离心力场——离心加速度

流体的受力场力或体积力（质量力）表面力压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:SI制:N/m2或Pa；压力的单位:kPa1kPa=1000Pa工程制:标准大气压(atm)、工程压力(kgf/cm2)、某流体柱高度等。1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa1at=1kgf/cm2=9.807×104Pa

压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:真空度与表压真空度与表压当被测流体的压力(或绝对压力)小于大气压时:当被测流体的压力(或绝对压力)大于大气压时:表上读数=大气压－绝对压力表上读数=绝对压力－大气压真空度表压真空表压力表压力表与真空表p1p2真空度绝压表压绝压大气压绝对零压压强压强的基准和度量压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:真空度与表压注意:大气压与海拔高度有关注意:大气压与海拔高度有关例:有一设备要求绝压为20mmHg,成都、拉萨的大气压分别为720mmHg、459.4mmHg,问真空度各为多少Pa?20mmHg成都的真空度=720－20=700mmHg=700×101325/760=93326Pa解:拉萨的真空度=459.4－20=439.4mmHg=439.4×101325/760=58581Pa1mmHg=133.32Pa压强(工程上习惯将压强称为压力)压力单位:真空度与表压注意:大气压与海拔高度有关表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使流体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数s来表示，其单位为N/m。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。1.2.3流体静力学基本方程(Basicequationsoffluidstatics)

P100

y

x

z

zyx根据力的平衡,在z方向:即

同理可得：

对于不可压缩流体(=常数)

,即有

或z

o

单位体积流体的总势能守恒单位质量流体的总势能守恒单位体积流体的位能单位体积流体的压能单位质量流体的总势能单位质量流体压能单位质量流体的位能单位体积流体的总势能单位J/m3又叫虚拟压强单位Pa物意：即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒

(2.3-32)1.

重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面称为等压面；2.静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离呈线性关系，也正比于液面上方的压强；3.液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：流体静力学基本方程为：（重力场,不可压缩流体、密度为常数）应用上注意几点：1.公式的适用条件(1)

重力场;(2)

讨论的两个点或两个面是静力学连通的;(3)

连通的流体是均匀的()2.

液柱压力3.

上下压力应用要点:1.等压面;.(静止的、连通的、均匀的、同一水平面压力相等)2.上下压力讨论:pA与pB之关糸?(4)(3)AB(1)水A(2)油BpA与pB之关糸?pC与pD之关糸?ABCD流体静力学基本方程的应用1.液柱压差计（Manometers)普通

U型管压差计（Simplemanometer）倒置

U型管压差计（Up-sidedownmanometer）倾斜

U型管压差计（Inclinedmanometer）双液体

U型管压差计（Two-liquidmanometer）液柱压差计（Manometers)P12(a)(c)(b)(d)U型管内位于同一水平面上的a、b两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等由指示液高度差R计算压差,若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，计算式为:普通U型管压差计（Simplemanometer）p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

用于测量液体的压差，指示剂密度0

小于被测液体密度，U型管内位于同一水平面上的a、b两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等由指示液高度差R计算压差若>>0倒置U型管压差计（Up-sidedownmanometer)采用倾斜U型管可在测量较小的压差

Dp

时，得到较大的读数R1值。压差计算式倾斜U型管压差计（Inclinedmanometer）微差压计，支管顶端有一个扩大室。扩大室内径一般大于U型管内径的10倍。压差计内装有密度分别为r01和r02的两种指示剂。有微压差Dp

存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的R

读数。

对一定的压差Dp，R值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，R值就越大，读数精度也越高。双液体U型管压差计（Two-liquidmanometer）？AAB当被测管段不是水平而是倾斜时,公式的推导

如右图所示,A、B面为等压面,即当z1=z2时,则有流体静力学基本方程的应用1.液柱压差计（Manometers)2.液封问题要求乙炔发生器

里的表压不超过80mmHg，问管伸入水中深度最大为多少?要使乙炔发生器里的表压不超过80mmHg,管伸入.水中的深度解:即解得流体静力学应用之二液封问题流体静力学基本方程的应用1.液柱压差计（Manometers)2.液封问题3.远距离测量液位流体静力学应用之三远距离测量液位由上得:解:如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的U型压差计读数R为40mm，压强表读数p为32.5kPa。试求：水位高度h。

解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为pa，则室内气压po为

(pA=pB;pA=pa;pB=p0+R0g)AB【例1-2】P13用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下测得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。试计算A、B两点的压差。【例1-3】P14解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为【例2-3】用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下测得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。试计算A、B两点的压差。【例2-3】解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为例1.3用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下测得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。试计算A、B两点的压差。【例1-3】14解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为【例2-3】用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。水和空气的密度分别为r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下测得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。试计算A、B两点的压差。【例2-3】P33-34解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为例1-3忽略空气柱的重量，p1p2，p3p4，有单组分与多组分（singleandmulticomponent）

多相流体系：单相流与多相流（singleandmultiphase）单相流体系：三维、二维与一维体系:非稳态与稳态（Steadyandunsteady）T=f(x,y,z)稳态T=f(x,y,z,t)非稳态

u=f(x,y,z)稳态u=f(x,y,z,t)非稳态

1.3流体流动的基本概念(P14)流体的流量与流速

流量:单位时间内流经某截面流体的数量。体积流量(volumeflowrate):qV,m3/s;m3/h;质量流量(massflowrate):qm,kg/s;kg/h;流速:流体流动的距离/时间;质量流速:w;kg/(s.m2)点速度u;平均速度;m/s之间关糸:例:输送水qV=32m3/h;求管规格解:查P131;表3.3d=0.0793m=79.3mm查附录(管规格)P435选公称口径80mm外径88.5mm内径=88.5-2×4=80.5mm即d=80.5mm

雷诺实验雷诺实验流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态,层流与湍流。层流（LaminarFlow）与湍流（TurbulentFlow）P16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。层流：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。xy湍流的基本特征时均速度与脉动速度湍流的特点tt湍流时的瞬时速度:物理意义：惯性力与粘性力之比

雷诺准数Reynoldsnumber除流速u外，和，管径d也都影响流动型态。流型判别的依据——雷诺准数（Reynoldsnumber）Re<2000稳定的层流区2000<Re<4000由层流向湍流过渡区Re>4000湍流区

流体在管内流动时：物理意义：惯性力/粘性力雷诺准数Reynoldsnumber流型判别的依据——雷诺准数（Reynoldsnumber）例1.4P19求雷诺数Re1.d=0.1m,=1000kg/m3,u=1m/s,=1cp2.d=0.1m,u=1m/s,=10-6m2/s3.d=0.1m,qm=(10/4)kg/s,=1cp流动边界层（BoundaryLayer）流动边界层流体流动受固体壁面影响（能感受到固体壁面存在）的区域称为流动边界层层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0xy流体沿平壁流动时的边界层发展内摩擦：一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层：受内摩擦影响而产生速度梯度的区域（d）u=0.99u0流动边界层（BoundaryLayer）层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0xy流体沿平壁流动时的边界层发展边界层发展：边界层厚度d随流动距离增加而增加流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也维持不变进口段圆管入口处的流动边界层发展层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内层：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充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流倒流分离点u0

DAC’CBx2.边界层分离AB顺压强梯度；B点以后逆压强梯度边界层分离的条件:1.逆压强梯度2.外层动量来不及传入热力学第二定律指出，所有系统由非平衡态向平衡态转化是熵增大的自发过程，例如：热流从高温处流向低温处水流从高位处流向低位处电流由高电位流向低电位唯象方程（Phenomenologicalequation）［扩散通量］＝－［扩散系数］·［扩散推动力］

1.4流体中的扩散现象与扩散定律

Diffusionphenomenaanddiffusionlaws1.4流体中的扩散现象与扩散定律

Diffusionphenomenaanddiffusionlaws气体在非平衡状态下，由于分子之间的频繁碰撞和相互搀和，从而使气体逐渐向各部分物理性质均匀的平衡状态过渡，在此过程中伴随有某些物理量(例如气体的定向运动的动量、热运动能量和质员等)的迁移，这种现象称为气体内的扩散现象．气体内的迁移现象有三种：(1)内摩擦现象；(2)热传导现象(3)扩散现象当时可改写为:牛顿粘性定律为:各物理量的因次:动量通量动量浓度动量扩散糸数关于通量单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象

层流流体中由速度梯度推动的扩散称为分子动量扩散

动量速度梯度速度分布动量一维流动情况下可定为x

轴的正向。而动量扩散的方向，则由速度梯度决定、并且指向速度降低的方向。

yux,T,Aux(y),T(y),A(y)o动量扩散与牛顿粘性定律

宏观上，分子数密度为n、分子量为Mr

的气体的动量浓度(即单位体积流体具有的动量)为根据分子动理