化工原理课件：1-1 流体流动概述

绪论一、化工生产过程原料→化学反应→产品原料→前处理→化学反应→后处理→产品反应工程（有化学反应参加）化工原理（纯物理过程）二、单元操作前、后处理可归纳成一系列的单元操作单元操作的内容：过程和设备三、课程性质和特点性质：工程学科特点：研究对象—实际工程问题研究方法—工程处理方法四、课程的两条主线

1．统一的研究对象传递过程（动量、热量、物质）

2．统一的研究方法实验研究方法（由此及彼、由小见大）数学模型法（合理简化、建立模型）五、课程所回答的问题选择、设计、操作、发展六、单位和量纲

1．单位：本书全部采用SI单位制

2．量纲

1）量纲：用若干符号的组合表示一物理量例：长度时间 质量力

2）量纲系统：基本量纲与导出量纲的总和

3）量纲的一致性：物理方程中各项具有相同的量纲

第1章流体流动

1.1概述1.1.1流体运动的考察方法一、连续性假定固体力学考察对象：单个固体流体力学考察对象：质点（流体微团）质点的定义：连续性假定：流体是连续介质目的：可应用微积分和连续函数适用性：绝大多数情况下适用二、两种考察方法拉格朗日法、欧拉法三、定态过程过程参数仅随空间变化，与时间无关四、流线与轨线轨线：同一质点在不同时刻所占空间位置的连线流线：同一瞬时不同质点的相同速率的方向连线流线不会相交定态下：流线与轨线重合五、控制体控制体是作考察对象的某一固定空间体积（欧拉法）六、考察方法的选择1.1.2流体流动中的作用力一、力的分类体积力（质量力）：作用于质点与流体质量成

正比，如重力、离心力等表面力：与表面积成正比的力，可分为压力与剪力二、剪应力对大多数流体，剪应力服从牛顿黏性定律：

牛顿黏性定律说明：1）流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正压力无关2）流体静止时，，则3）相邻流体层的速度只能是连续变化，紧靠壁面处的流体流速为0

三、理想流体与实际流体理想流体:

实际流体:四、黏度

1）黏度的物理本质——分子间引力和分子

热运动、碰撞

2）黏度是流体的一个重要物性参数，温度对其有直接影响

运动黏度 ；动力黏度五、液体的表面张力1.1.3流体流动中的机械能流体流动时，除了位能、动能外，还具

有压强能。1.2流体静力学1.2.1静压强在空间的分布一、静压强的特性（1）静止流体中任意界面上只受大小相等方向相反的压力（2）作用于某一点所有不同方位静压强在数值上相等（3）压强各向传递二、流体微元的受力平衡（1）表面力设A点压强为，作用于两表面上的压力分别为：（2）体积力设作用于单位质量流体上的体积力在方向上的分量为，则微元所受的体积力在方向上的分量为:

流体静止：对方向有：

整理可得：

同理：

此式称欧拉平衡方程以上三式经数学整理得：

此式称流体平衡一般表达式三、平衡方程在重力场中的应用重力场中，

，

若

则对图中点1和2有：

或静止流体内压强的分布规律：静压强仅与垂直位置有关，与水平位置无关。等高面即为等压面。四、静力学方程应用条件静止的、连续（同一种）的不可压缩流体，且只受重力作用。例：指出下图中哪些面为等压面？1.2.2静力学方程的物理意义静力学方程中： ：单位质量流体具有的位能 ：单位质量流体具有压强能令 , ：总势能该式反映静止流体内部势能分布规律：静止流体内各点总势能相等

,：虚拟压强，与有关例：图中紧靠油水界面两侧的虚拟压强分别为: 、，则（）

解:1.2.3压强的表示方法一、压强的表示方法1．定义：2．液柱高度：，3．大气压：相当于二、压强的基准1．绝对真空：绝对压2．大气压：表压、真空度表压=绝对压—大气压真空度=大气压—绝对压1.2.4压强的静力学测量方法一、简单测压管二、U型测压管

1-2面为等压面当流体为气体时：

三、U型压差计

上式表明：当压差计两端的流体相同时，直接反映的是虚拟压强差当时：一般情况：例题1(P57,习题8):

例题2:图中，原，压差计读数为，现改为，则=？解：例题3：如图，水的流向如何？1.3流体流动中的守恒原理1.3.1质量守恒一、流量：单位时间内流过管道某一截面的物质量体积流量质量流量注意：流量是一种瞬时的特性二、平均流速1）点速度：单位时间流体质点在流动方向上的位移黏性流体在管内流动时，流速沿管截面各点的值不等而形成某种分布2）平均流速:工程上常用一个平均速度来代替这一速度分布。在流体流动中常按流量相等的原则来确定平均流速

,3）质量流速

注意：平均流速只在计算流量时才能代替速度分布三、质量守恒方程定态流动时

则当时:或者当时:1.3.2机械能守恒一、理想流体沿流线的机械能守恒，流体微元受力与静止流体相同：

整理得：重力场中:,

当时： 或流动流体中位能、压强能、动能可相互转换，但其和保持不变适用条件：重力场中，不可压缩的理想流体作定态流动二、理想流体管流的机械能守恒1）均匀流段流段内各流线相互平行且与流动截面垂直

图中截面1，2位于均匀流段2）管流时的能量守恒将截面取在均匀流段，截面上各点总势能相等理想流体，截面上各点动能相等经过截面各点的每一条流线具有相同的机械能因而可应用于管流

均匀流段任一截面上单位质量流体的总机械能相等三、实际流体管流的机械能衡算1）动能因子实际流体，截面上各点动能不等，应用平均动能代替以总动能相等的原则求平均动能：，令

,工程上2）机械能（阻力）损失黏性流体流动时因内摩擦而导致机械能损耗，常称阻力损失实际流体的机械能衡算为四、伯努利方程的几何意义1）的三种表达形式

压头，位头，速度头

2）的几何意义理想流体在流动过程中三种能量形式可相互转换，但三头之和为常数。

五、的应用举例1、重力射流可略去

孔流系数：2．马利奥特容器求水面在面以上时小孔流速解：在面至面列

小孔处的流速为

应用时所应注意的问题1、是否符合应用条件（连续、定态……）2、画示意图3、截面选取（均匀流段、已知量最多，大截面）1.3.3动量守恒一、管流中的动量守恒牛顿第二定律:

二、动量守恒定律的应用举例弯管受力三、动量守恒定律与机械能衡算定律的关系1．二者均反映了流动流体各运动参数变化规律，流动流体应同时遵循这两个规律。2．对二者的应用有不同的要求应用能量方程时，必须已知阻力损失；应用动量方程时，必须已知受力情况；在研究流体与固体边界力的关系时，则必须用动量方程。

1.4流体流动的内部结构1.4.1流动的型态一、两种流型——层流和湍流层流：流体质点只作轴向直线运动，无径向运动湍流：流体质点不仅作轴向直线运动，还作随机的径向脉动

二、流型判据——雷诺数Re1．判据实验表明：流型将上述因素组合成无量纲数群Re<2000 层流 （层流区）2000<Re<4000 可层流，也可湍流，依赖环境 （过渡区）Re>4000 湍流（湍流区）2．稳定性的概念稳定性：抗外界干扰的能力雷诺数Re是稳定性的判据3．雷诺数的物理意义1.4.2湍流的基本特征出现了径向速度脉动一、时均速度与脉动速度时均速度瞬时速度二、湍流的强度和尺度湍流：主体流动+各种大小、强弱的旋涡湍流强度与旋涡旋转速度及所包含机械能有关湍流尺度与旋涡大小有关：Re湍流尺度 三、湍流粘度湍流基本特征：速度的脉动这种脉动加速了径向动量、热量和质量的传递层流