化工原理第一章-流体流动的基本概念与流体中的传递现象

第一章

流体流动的基本概念与流体中的传递现象

特征1.1流体的物理性质在化工、石油、制药、生物、食品、轻工、材料、环境保护等许多生产领域，涉及的对象多为流体。“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液体和气体合称为流体。1.1.1连续介质假定(Continuumhypotheses)从微观上看：流体是由离散的分子构成的，这些分子都在作不规则的热运动。流体的物理量在空间分布上和时间变化上都是不连续的。工程上要研究的是流体宏观机械运动的规律，也就是大量分子统计平均的规律性。统计物理连续介质理论连续介质假定：流体质点连续地充满了流体所在的整个空间。注：该假定对绝大多数流体都适用。但是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。流体运动中的物理量都可视为空间和时间的连续函数。这样一来，就能用数学分析方法来研究流体运动。

流体质点：微观上充分大，宏观上充分小的分子团。微观上充分大→时间连续宏观上充分小→空间连续1.1.1连续介质假定(Continuumhypotheses)流体的密度：单位体积流体所具有的质量，以

表示。连续介质假定1.1.2流体的密度，压缩性△V0为流体质点或微团体积。液体空间某一点的流体的密度。气体温度不太低、压力不太高的情况下，可按理想气体状态方程计算1.1.2流体的密度，压缩性气体混合物的平均密度液体混合物的平均密度可近似地按下式计算1.1.2流体的密度，压缩性压缩性：流体因压力、温度等因素的变化，体积或密度发生变化的性质。质点的密度在运动过程中不变的流体称为不可压缩流体。不可压缩均质流体的密度时时处处都是同一常数，即=c。液体在一般情况下可以近似看成是不可压缩的。气体的压缩性比液体大的多。但若气体的流速比音速小得多（如小于100m/s），压力的改变远小于平均压力，并且没有很大的温差，此时，也可近似的将气体视为是不可压缩的。易流动性：流体在静止时不能承受切应力，任何微小的切应力作用，流体都将产生连续不断的变形。1.1.3流体的易流动性固体在静止时可以承受切向应力，因而，一块固体总具有确定的形状。流体则因为在静止时不能承受切应力，因而，一团流体没有特定的形状。牛顿粘性定律牛顿实验（1867年）FhU()1.1.4流体的粘性yxF流体运动时，内部相邻流层之间存在抵抗相对运动的切向力，又称为流体的内摩擦力或粘性力。流体所具有的抵抗相邻两层流体相对滑动速度（或抵抗变形）的性质称为粘性。运动一旦停止，抵抗力便消失。相对运动速度增加，抵抗力增大。hU()

1.1.4流体的粘性服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体。无粘性的流体（=0）称为理想流体。

—切应力，剪应力du/dy—速度梯度，剪切变形速度

—动力粘性系数，粘度任意两相邻流层——运动粘性系数，运动粘度。牛顿粘性定律表明，剪应力与法向速度梯度成正比，与法向应力无关！1.1.4流体的粘性——牛顿粘性定律气体的粘度随温度升高而增加，液体的粘度随温度升高而降低。理想气体的粘度与压强无关，实际气体和液体的粘度一般是随压强升高而增加的，但在4.0MPa以下，液体粘度随压力变化不大。流体的粘度在SI单位制中，粘度的单位为N•s/m2即Pa•s。1.1.4流体的粘性习题1思考题：1.1，1.2，1.3，1.7书面作业：1.81.2.1流体的受力质量力：作用在流体每个质点（流体微团）上的力。如重力、引力、惯性力等，与质量成正比。面力：通过直接接触，施加在接触面上的力。与面积成正比。质量力（体积力）隔离体：体积V，质量m，密度

重力：Fw面力管壁对隔离体的作用力：Fw周围流体对隔离体的作用力：FsFsFsG1.2流体静力学1.2.1流体的受力一般情况下，面力不垂直于作用面，且不同位置处大小不同。A

FsS——A点的应力PT——A点的法向应力，或称正应力——A点的切应力静压强：静止流体中的垂直作用于单位面积上的力。静压强的特点：1）静压力的方向沿作用面的内法线方向。2）静压强的大小与作用面的方位无关。静压强只是空间坐标的连续函数！1.2.2静压强及其特点流体平衡微分方程在静止流体中取一立方形流体微元

xyz，作受力分析1.2.3静压强在空间的分布规律1)面力xzyx方向y方向z方向1.2.3静压强在空间的分布规律2)质量力(只考虑重力)y方向z方向x方向力平衡方程1.2.3静压强在空间的分布规律力平衡方程简化为重力场中流体静压强在空间的分布1.2.3静压强在空间的分布规律设流体不可压缩，

=C，则式中各项的单位均为J/kg。p/

为单位质量流体的压强能gz为单位质量流体的位能。若以P/

表示单位质量流体的总势能，则P具有压强单位，称为虚拟压强。在同一静止流体中，单位质量流体的总势能保持不变zop01

2

h

z2z1对于静止流体中任意两水平截面z1、z2有1.2.3静压强在空间的分布规律若液面上压强为p0，则距液面h深处流体的压强为流体静力学原理：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，等压面为水平面；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；液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。1.2.3静压强在空间的分布规律压强的单位按压强定义，N/m2=Pa（帕斯卡），106Pa=1MPa间接地以流体柱高度表示，p=gh

1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O以大气压为计量单位。1atm=101325N/m2=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg1at=98070N/m2=1kgf/cm2=10mH2O=735.6mmHg1.2.4压强的表示方法压强的基准绝对真空——绝对压强大气压强——表压或真空度简单测压管1.2.5压强的测量A点的压强ARpaA点的表压U型测压管paRAh12A点的压强A点的表压若容器内为气体，

<<0，则p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

若

<<0（如被测流体为气体）12h

待测两点处于同一水平高度U型管压差计1.2.5压强的测量普通U型管压差计12z1z2h1h2R待测两点不在同一水平高度

0

a

b

1.2.5压强的测量倒置U型管压差计1.2.5压强的测量1、2两点处于同一水平高度若>>01、2两点不在同一水平高度采用倾斜U型管可在测量较小的压差

p时，得到较大的读数R1值。忽略容器内液面下降得压差计算式倾斜U型管压差计1.2.5压强的测量有微压差

p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

p，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1.2.5压强的测量【例1.2】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：【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

=1000kg/m3和

0=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。忽略空气柱的重量，p1

p2，p3

p4，有【例1.3】习题2思考题：1.9，1.10书面作业：1.11，1.121.3流体流动的基本概念1.3.1单相流与多相流单相流体系：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；体系的各种性质在空间连续分布。多相流体系：体系内含两种或两种以上相态的物质。体系内存在相界面（气-液、气-固或液-固、液-液）；界面上的传递速率对体系的性质具有重要影响。1.3.2稳态与非稳态稳态流动：流动参数不随时间变化，

=

(x,y,z)。非稳态流动：流动参数随时间而变化，

=

(x,y,z,t)。1.3.3流速与流量流量：单位时间内流体通过流动截面的量。

体积流量：qV，m3/s，m3/h流速：单位时间内流体在流动方向上流经的距离，u，m/s。

质量流量：qm，kg/s，kg/h1.3.3流速与流量平均流速（主体平均流速）：质量流速（质量通量）：质量流量、体积流量、平均流速及质量通量的关系：低流速时，流体质点分层沿轴线平行流动，各层质点互不掺混——层流；高流速时，流体质点的运动轨迹极不规则，各层质点相互掺混——湍流。1.3.4流型与雷诺数两种流型

雷诺实验对园管内的流动：Re<2000稳定的层流区2000<Re<4000由层流向湍流过渡区Re>4000湍流区工程计算中，当Re>2000时即可作湍流处理。1.3.4流型与雷诺数雷诺数平板上的边界层1.3.5流动边界层及边界层分离层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限ux=0.99u0u0u0u0xy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：湍流边界层中，近壁面处一薄层流体，其流动类型为层流。流体流动受固体壁面影响的区域——边界层过渡段流动进口段Xc：边界层汇合以前的区域。沿程边界层逐渐增厚（发展），断面速度分布不断变化。流动充分发展：边界层汇合以后的区域。边界层厚度不在增加，断面速度分布不再变化。Xcu0d圆管进口段的边界层ddd1.3.5流动边界层及边界层分离充分发展的管内流型取决于汇合点处边界层内的流型。边界层分离与形体曳力1.3.5流动边界层及边界层分离倒流

分离点u0

DAC’CBxp1.3.5流动边界层及边界层分离边界层分离：边界层脱离壁面的现象。形体阻力：边界层从物面分离出来在物体后面形成尾涡区，在尾涡区内由于流体质点间的激烈混合与碰撞而消耗机械能，使得尾流区物体表面的压强低于来流面的压强，这两部分的压强差造成作用于物体上的压差阻力，称为流体流动的形体阻力。1.3.5流动边界层及边界层分离扩散现象：当物系处于非平衡状态，即物系内存在强度性质不均匀（空间梯度）时，则会发生物理量由高强度区向低强度区迁移，使物系向平衡方向转移。物理量朝平衡转移的过程称为传递过程或传递现象。热量由高温区向低温区的转移——热量传递物质由高浓度区向低浓度区的转移——质量传递动量由高速度区向低速度区的转移——动量传递1.4流体中的扩散现象与扩散定律1.4.1扩散现象流层之间分子的交换，使动量从高速层向低速层传递，其结果是产生阻碍流体相对运动的剪切力。层流xy0ux(y)1.4.2动量扩散与牛顿粘性定律12u2u1xy

yx可以解释为x

方向的动量在y

方向上的通量。该式表明动量通量与速度梯度成正比；负号表明动量通量的方向与速度梯度方向相反。1.4.3热量扩散与傅立叶热传导定律T1T2yTT2T1qy—y方向上的热通量，J/m2s

k—导热系数，W/mKdT/dy—y方向上的温度梯度上式称为傅立叶定律，表明导热通量与温度梯度成正比；负号表明导热方向与温度梯度方向相反，即热量由高温区传向低温区。qy两块温度