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1、化工原理 第一章第一节概述第1页，本讲稿共31页流动现象：流动现象：日常生活中第2页，本讲稿共31页 工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池煤 气 洗 涤 塔第3页，本讲稿共31页第4页，本讲稿共31页第5页，本讲稿共31页引引 言言（2）流体的流动对传热、传质及反应过程有着重要影响）流体的流动对传热、传质及反应过程有着重要影响 化工设备中的传热，传质以及反应过程大多是在流动的化工设备中的传热，传质以及反应过程大多是在流动的 条件下进行的条件下进行的一、在所有化工单元操作中为什么首先讨论一、在所有化工单元操作中为什么首先讨论“流体流动流体流动”？流体流动的规律是化工原理的重要基础！
2、流体流动的规律是化工原理的重要基础！（1）化学工业中涉及各种流体的输送化学工业中涉及各种流体的输送 研究流体的流动规律可进行管路的设计，输送机械的研究流体的流动规律可进行管路的设计，输送机械的 选择及功率的计算。选择及功率的计算。（3）流体的混合）流体的混合第6页，本讲稿共31页(5)流量和流速的测量流量和流速的测量(毕托管，孔板流量计，转子流量计毕托管，孔板流量计，转子流量计)二、二、“流体流动流体流动”主要研究内容主要研究内容（1）流体静力学）流体静力学（2）流体流动中的守恒原理）流体流动中的守恒原理(3)流体流动的型态及阻力计算流体流动的型态及阻力计算(4)管路计算管路计算 动量守恒机械
3、能损失数据缺少时的计算动量守恒机械能损失数据缺少时的计算 能量守恒柏努利方程能量衡算能量守恒柏努利方程能量衡算质量守恒连续性方程物料衡算质量守恒连续性方程物料衡算介绍流体静力学原理及工程应用介绍流体静力学原理及工程应用第7页，本讲稿共31页 第一节第一节 概述概述一、流体流动的考察方法一、流体流动的考察方法 a、由大量的彼此之间有一定间隙单个分子组成，而且单个分子做随机的、混乱的运动。如果以单个分子为考察对象，流体将是、由大量的彼此之间有一定间隙单个分子组成，而且单个分子做随机的、混乱的运动。如果以单个分子为考察对象，流体将是一种不连续的介质，所处理的运动是一种随机运动。如果研究单个分子的微观
4、运动，则问题复杂，无法用连续函数的数学工具加以一种不连续的介质，所处理的运动是一种随机运动。如果研究单个分子的微观运动，则问题复杂，无法用连续函数的数学工具加以描述描述。2、流体的特征：、流体的特征：1、流体是所有气体和液体的总称。、流体是所有气体和液体的总称。b、具有流动性，、具有流动性，即抗剪抗张能力都很小即抗剪抗张能力都很小；无固定形状，随容器形状而变化；无固定形状，随容器形状而变化；c、受外力作用时，内部产生相对运动（与固体运动的主要区别）。、受外力作用时，内部产生相对运动（与固体运动的主要区别）。第8页，本讲稿共31页流体质点：流体质点：指含有大量分子的流体微团指含有大量分子的流体微
5、团 其尺寸远小于设备尺其尺寸远小于设备尺 寸，远大于分子自由程寸，远大于分子自由程3、连续性假定、连续性假定连续性假定：连续性假定：可以使用连续函数的数学工具加以描述可以使用连续函数的数学工具加以描述 假定流体是由大量质点（微团）所组成假定流体是由大量质点（微团）所组成 可看作彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质可看作彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质 物理性质和运动参数在空间作连续分布物理性质和运动参数在空间作连续分布第9页，本讲稿共31页但流体质点模型的使用是有条件的。当特性长度与平均自由程之比大于但流体质点模型的使用是有条件的。当特性长度与平均自由程之比大于103-4时，就
6、可以使用流体质点模型，否则流体质点模型就不适用。时，就可以使用流体质点模型，否则流体质点模型就不适用。如如1mm3常温常压气体含常温常压气体含2.5 1015个分子，分子平均自由程为个分子，分子平均自由程为0.1 m数量级，数量级，此时此时不能使用流体质点模型。不能使用流体质点模型。在在100km的高空，压力约为的高空，压力约为0.133Pa，空气中氧气和氮气分子的，空气中氧气和氮气分子的平均自由程约为平均自由程约为1m，这时仍可使用流体质点模型，但在直径为，这时仍可使用流体质点模型，但在直径为1m的容器内，如压力也为的容器内，如压力也为0.133Pa，则不能使用流体质点模型。，则不能使用流体
7、质点模型。所以，所以，在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。定不成立。第10页，本讲稿共31页 （1 1）拉格朗日法）拉格朗日法 选定一个流体质点，跟踪观察，描述运动参数与时间的关系。选定一个流体质点，跟踪观察，描述运动参数与时间的关系。同对固体的质点运动的描述：同对固体的质点运动的描述：X=1(t)（如：观看球赛）（如：观看球赛）4、运动的描述方法、运动的描述方法（2 2）欧拉法）欧拉法在固定位置上观察流体质点的运动情况，描述运动参在固定位置上观察流体质点的运动情况，描
8、述运动参数在指定数在指定空间空间和和时间时间的变化的变化 ux=x(x,y,z,t)uy=y(x,y,z,t)x,y,z为位置坐标，为位置坐标，t为时间为时间 uz=z(x,y,z,t)（如：交通流量测量点）（如：交通流量测量点）第11页，本讲稿共31页拉格朗日法拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。描述的是同一质点在不同时刻的状态。系统系统：包含众多流体质点的集合。系统与外界有力的作用：包含众多流体质点的集合。系统与外界有力的作用与能量的交换，但没有质量交换。系统的边界的形状和大与能量的交换，但没有质量交换。系统的边界的形状和大小随着时间而变化。小随着时间而变化。（3 3）二法比较和选
9、择）二法比较和选择欧拉法欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。控制体控制体：当划定一固定的空间体积来考察问题，该空间称为：当划定一固定的空间体积来考察问题，该空间称为控制体。流体可以进出控制体，控制体与外界也可以有力的控制体。流体可以进出控制体，控制体与外界也可以有力的作用和能量的交换。（是本课程常用的考察方法）作用和能量的交换。（是本课程常用的考察方法）第12页，本讲稿共31页定态流动指运动空间各点的状态不随时间而变化的流动定态流动指运动空间各点的状态不随时间而变化的流动 即：即：()=0 ()=0 ()=05、定态流动定态流动与与非定态流动非
10、定态流动则则 ux=x(x,y,z)uy=y(x,y,z)uz=z(x,y,z)表明流动的速度只随空间位置而变，而与时间无关。表明流动的速度只随空间位置而变，而与时间无关。如：河水在河床中流动；工业生产流水线中的工种如：河水在河床中流动；工业生产流水线中的工种第13页，本讲稿共31页第14页，本讲稿共31页（2 2）流线流线：同一瞬时不同质点的速度方向，流线上各点的同一瞬时不同质点的速度方向，流线上各点的 切线表示该点的速度方向。切线表示该点的速度方向。这是采用欧拉法考察的结果这是采用欧拉法考察的结果 abca,b,c为同一瞬时各质点，箭头为运动方向为同一瞬时各质点，箭头为运动方向 6、流线与
11、轨线、流线与轨线（1 1）轨线轨线：同一流体质点不同时刻所占空间位置的连线即同一流体质点不同时刻所占空间位置的连线即 质点运动轨迹。这是采用拉格朗日法考察流体运动的结果质点运动轨迹。这是采用拉格朗日法考察流体运动的结果第15页，本讲稿共31页在在定态流动定态流动过程中，过程中，流线和轨线重合流线和轨线重合 （各位置上流体的速度不随时间而变化）（各位置上流体的速度不随时间而变化）（3 3）流线与轨线的比较）流线与轨线的比较 轨线轨线描述的是描述的是同一质点同一质点在在不同时间不同时间的位置的位置 流线流线表示的则是表示的则是同一瞬间同一瞬间不同质点不同质点的速度方向的速度方向第16页，本讲稿共3
12、1页二、流体流动中的作用力二、流体流动中的作用力 1、体积力：体积力：作用于流体每一个质点上的力作用于流体每一个质点上的力 体积力正比例于质量，又称为质量力体积力正比例于质量，又称为质量力 在重力场中体积力即重力，在离心场中为离心力在重力场中体积力即重力，在离心场中为离心力2、表面力：、表面力：作用于所研究流体体积表面上的力作用于所研究流体体积表面上的力 表面力正比例于表面积表面力正比例于表面积 （1）压力：压力：垂直于流体表面的力垂直于流体表面的力 压强压强 p：单位面积上所受的压力：单位面积上所受的压力（2）剪力剪力（切力）：平行于表面的力（切力）：平行于表面的力 剪应力剪应力：单位面积上
13、所受的剪力：单位面积上所受的剪力 压力压力剪力剪力第17页，本讲稿共31页牛顿粘性定律牛顿粘性定律右右 左左粘性系数（粘度）粘性系数（粘度）Ns/m2 或或 pas法向速度梯度法向速度梯度1/s uFAyx F:内摩擦力内摩擦力 粘性流体运动时内部的剪切力粘性流体运动时内部的剪切力 速度梯度剪应力剪应力：单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力是动量传递的基本方程式是动量传递的基本方程式剪应力剪应力 的大小实际上代的大小实际上代表了动量传递的速率。表了动量传递的速率。第18页，本讲稿共31页3、液体所受剪应力与固体所受剪应力的区别：、液体所受剪应力与固体所受剪应力的区别：固体：固体：液体：液体
14、：(1)与固体表面的摩擦力不同，内摩擦力与法向压力无关。与固体表面的摩擦力不同，内摩擦力与法向压力无关。(2)固体的剪应力正比于剪切变形固体的剪应力正比于剪切变形（角变形）（角变形）d，而流体的剪应，而流体的剪应力正比于剪切变形的速率，这里的速度梯度就是变形的速率力正比于剪切变形的速率，这里的速度梯度就是变形的速率d/dt。静止的流体不能承受剪应力静止的流体不能承受剪应力(哪怕是非常微小的剪应力哪怕是非常微小的剪应力)和剪切变形。和剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。第19页，本讲稿共31页(3)剪应力的大小代表了动量传递的速率。剪应力的大
15、小代表了动量传递的速率。单位时间，单位面积上所传递的动量。单位时间，单位面积上所传递的动量。动量梯度产生动量传递。动量梯度产生动量传递。运动粘度，单位运动粘度，单位:-动力粘度，单位：动力粘度，单位：PaPa s s牛顿黏性定律的另一种牛顿黏性定律的另一种表达法。表达法。第20页，本讲稿共31页（4）、流体中的动量传递的进一步说明实际流体变形需要一定的力。这个力体现为流体内部的剪切力，其大小与流体的密度及粘度等性质有关。这一现象可以用分子运动学说来解释：yu(b)流体的动量传递(a)u22211u1第21页，本讲稿共31页 由分子运动学说可见，剪应力的产生，是由于不同流体层的分子具有不同速度，
16、或即不同的动量所致。全面讨论：单位体积流体所具有的动量；比例系数，称为动量扩散系数，关于正负号的说明：关于正负号的说明：对剪应力：对剪应力：“+”表示剪应力的方向和流向一致；“-”表示剪应力的方向和流向相反。是在 方向上的 变化率，称为动量梯度；动量传递速率，即单位 时间单位面积的动量第22页，本讲稿共31页对动量传递：对动量传递：取“-”，表示动量传递的方向和动量梯度 的方向相反。由图可见，动量传递的方向和剪应力的方向互相垂直。用动量传递推导粘度的数值用动量传递推导粘度的数值 动量扩散系数等于分子平均速度和分子平均自由程的乘积的 由气体分子运动学说,可以估计分子的平均速度 和分子平均自由程
17、的值,从而估计出粘度 的数值,它在数量级上是正确的，说明这一理论的正确性。第23页，本讲稿共31页 4、粘度、粘度 流体的一种物理特性流体的一种物理特性,是流体粘性的度量。粘性的本质是分子间的引是流体粘性的度量。粘性的本质是分子间的引力与分子间的运动和碰撞，力与分子间的运动和碰撞，是分子微观运动的宏观表现。是分子微观运动的宏观表现。服从牛顿粘性定律服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体（大多数如水、空气），本章主要研究牛顿型流体的的流体称为牛顿型流体（大多数如水、空气），本章主要研究牛顿型流体的流动规律。流动规律。气体粘度液体粘度气体粘度液体粘度T 气体粘度气体粘度（分子引力减小，运动加剧，运动
18、力是主要的）（分子引力减小，运动加剧，运动力是主要的）T T 液体粘度液体粘度（分子引力减小是主要（分子引力减小是主要的，运动力是次要的）的，运动力是次要的）其大小因流体而异，只与温度有关，与速度梯度无关。其大小因流体而异，只与温度有关，与速度梯度无关。压力对液体粘度影响很小，可以忽略不计；气体粘度在压压力对液体粘度影响很小，可以忽略不计；气体粘度在压力不是极高或极低的条件下，可以认为与压力无关。力不是极高或极低的条件下，可以认为与压力无关。第24页，本讲稿共31页 粘度单位粘度单位物理制物理制(厘米厘米克克秒制秒制)泊泊(达因达因秒秒/厘米厘米2 2)1 1厘泊厘泊=(1/100)=(1/1
19、00)泊泊国际制国际制(SI)N(SI)Ns/ms/m2 2 帕斯卡帕斯卡秒（写作秒（写作PaPas s）单位制换算单位制换算1 1厘泊厘泊=(1/100)=(1/100)泊泊=(1/1000)N=(1/1000)Ns/ms/m2 2=1/1000 Pa=1/1000 Pas s1 CP=1/100 P=1/1000 pa1 CP=1/100 P=1/1000 pas s运动黏度运动黏度第25页，本讲稿共31页非牛顿型流体非牛顿型流体 凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿型流体，如胶体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂料及混凝土等。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度成曲线关
20、系，或者成不过原点的直线关系，如图所示。第26页，本讲稿共31页5、管截面的速度分布：、管截面的速度分布：剪应力及流体的粘度是有限值，故速度梯度也只能是剪应力及流体的粘度是有限值，故速度梯度也只能是有限值，相邻流体层的速度只能连续变化。有限值，相邻流体层的速度只能连续变化。粘度不为零粘度不为零管壁速度为零管壁速度为零管中心速度最大管中心速度最大粘度为零（理想流体）粘度为零（理想流体）速度分布均匀速度分布均匀第27页，本讲稿共31页三、流体流动中的机械能三、流体流动中的机械能 位能位能 动能动能 压强能压强能机械能机械能内能内能流体能量流体能量1、内能内能是贮存于液体内部的能量，是由于原子与分子
21、的运动及其相互作用存在的能量。因此液体的内能与其状态有关。内能大小主要决定于液体的温度，而液体的压力影响可以忽略。单位质量流体所具有的内能Uf（t），J/Kg 第28页，本讲稿共31页2、位能在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。单位质量流体所具有的位能gz 3、动能液体因运动而具有的能量，称为动能。单位质量流体所具有的动能第29页，本讲稿共31页4、压强能流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此获得的能量称为压强能。单位质量流体所具有的压强能 v流体的比容（比体积），流体具有压应力因而有压强
22、能流体具有压应力因而有压强能固体内部不存在压应力故不存在压强能固体内部不存在压应力故不存在压强能第30页，本讲稿共31页机械能（位能、动能、压强能）在流动过程可以互相转换，机械能（位能、动能、压强能）在流动过程可以互相转换，亦可转变为热或流体的内能。但热和内能在流体流动过程不亦可转变为热或流体的内能。但热和内能在流体流动过程不能直接转变为机械能而用于流体输送。能直接转变为机械能而用于流体输送。流动流体粘性造成的剪力是一种内摩擦力流动流体粘性造成的剪力是一种内摩擦力，由机械能，由机械能转化为热能而消耗。（该损失由输送机械提供能量补偿）转化为热能而消耗。（该损失由输送机械提供能量补偿）第31页，本讲稿共31页