化工原理 第一章03
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化工原理(清华大学)01第一章流体流动1
第一节 流体流动中的作用力 第二节 流体静力学方程 第三节 流体流动的基本方程 第四节 流体流动现象 第五节 流体在管内流动阻力 第六节 管路计算 第七节 流量的测定
第二节 流体静力学方程
一、静力学基本方程 静止状态下的静压力：
方向→与作用面垂直 各方向作用于一点的静压力相同 同一水平面各点静压力相等（均一连 续流体）
1m3为基准，总质量＝A＋B＋C
液体： 1Kg混合液为基准，
质量分率：X w1 X w2
XW1 XW2
总体积 ＝A＋B＋C
第一章 第一节
二、压力
1 atm =1.013×105 N/m2 =10.33 m(水柱) = 760 mmHg 压力表：表压＝绝压－大气压
第一章 第二节
二 、流体静力学方程的应用
1、压差计
p1 p2 (A B )gR
微差压差计
(1)D : d 10 :1
(2)
B
与
很接近
A
第一章 第二节
2、液面计
3、液封
4、液体在离心力场内的静力学平衡
p
p
r
r
第一章 第二节
m
yi
M 1/ 2
ii
/
yi
M
1/ i
2
( yi摩尔分率，M i分子量)
第一章 第一节
第一章 流体流动
第一节 流体流动中的作用力 第二节 流体静力学方程 第三节 流体流动的基本方程 第四节 流体流动现象 第五节 流体在管内流动阻力 第六节 管路计算 第七节 流量的测定
第一章 流体流动
第一节 流体流动中的作用力
第二节 流体静力学方程
一、静力学基本方程 静止状态下的静压力：
方向→与作用面垂直 各方向作用于一点的静压力相同 同一水平面各点静压力相等（均一连 续流体）
1m3为基准，总质量＝A＋B＋C
液体： 1Kg混合液为基准，
质量分率：X w1 X w2
XW1 XW2
总体积 ＝A＋B＋C
第一章 第一节
二、压力
1 atm =1.013×105 N/m2 =10.33 m(水柱) = 760 mmHg 压力表：表压＝绝压－大气压
第一章 第二节
二 、流体静力学方程的应用
1、压差计
p1 p2 (A B )gR
微差压差计
(1)D : d 10 :1
(2)
B
与
很接近
A
第一章 第二节
2、液面计
3、液封
4、液体在离心力场内的静力学平衡
p
p
r
r
第一章 第二节
m
yi
M 1/ 2
ii
/
yi
M
1/ i
2
( yi摩尔分率，M i分子量)
第一章 第一节
第一章 流体流动
第一节 流体流动中的作用力 第二节 流体静力学方程 第三节 流体流动的基本方程 第四节 流体流动现象 第五节 流体在管内流动阻力 第六节 管路计算 第七节 流量的测定
第一章 流体流动
第一节 流体流动中的作用力
化工原理(第一章第三节)
• 三、流动类型
• 1.层流 层流 • 流体质点作直线运动，即流体分层运动， 流体质点作直线运动，即流体分层运动，层 次分明，彼此互不混杂。 次分明，彼此互不混杂。 在总体上沿管道向前运动， 在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方 向作随机的脉动。 向作随机的脉动。
• 2.湍流 湍流 •
• 四、影响流型的因素
• 二、粘度 • 衡量流体粘性大小的物理量叫粘度。 衡量流体粘性大小的物理量叫粘度。 • 粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速 度梯度时剪应力的大小。 度梯度时剪应力的大小 。 粘度总是与速度梯度相 联系，只有在运动时才显现出来。 联系，只有在运动时才显现出来。 • 粘度是流体物理性质之一， 粘度是流体物理性质之一 ， 其值一般由实验 测定。液体的粘度随温度升高而减小， 测定 。 液体的粘度随温度升高而减小 ， 气体的粘 度则随温度升高而增大。 度则随温度升高而增大 。 压力对液体粘度的影响 很小，可忽略不计，气体的粘度， 很小 ， 可忽略不计 ， 气体的粘度 ， 除非在极高或 极低的压力下，可以认为与压力无关。 极低的压力下，可以认为与压力无关。 • 粘度的单位， SI制中为 制中为： .s， 粘度的单位，在SI制中为：Pa .s，常用单位 还有： (P)、厘泊(cP) 它们之间的换算是： (cP)， 还有：泊(P)、厘泊(cP)，它们之间的换算是： • 1 Pa .s = 10 P = 1000 cP
1. 连续性方程
u1 d2 2 u2 =( d1 )
2. 柏努利方程
p2 1 2 p1 1 2 u2 +Wf u1 +We = gZ2 + ρ + gZ1 + ρ + 2 2 当能量用液柱高度表示时，上式可改写成 当能量用液柱高度表示时， p2 1 2 p1 1 2 u2 +hf u1 +he = Z2 + Z1 + + + ρg ρg 2g 2g 当能量用压力表示时， 当能量用压力表示时，柏氏方程可改写成
化工原理-1章流体流动
yi为各物质的摩尔分数,对于理想气体，体积分数与摩尔分数相等。
②混合液体密度计算
假设液体混合物由n种物质组成，混合前后体积
不变，各物质的质量百分比分别为ωi，密度分 别为ρi
n 1 2 混 1 2 n
1
例题1-1 求甲烷在320 K和500 kPa时的密度。
第一节 概述
流体： 指具有流动性的物体，包括液体和气体。
液体：易流动、不可压缩。 气体：易流动、可压缩。 不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化。
特点：（a） 具有流动性 （b） 受外力作用时内部产生相对运动
流动现象:
① 日常生活中
② 工业生产过程中
煤气
填料塔 孔板流量计
煤气
水封
泵 水池
水
煤 气 洗 涤 塔
组分黏度见---附录9、附录10
1.2.1 流体的压力（Pressure） 一.定义
流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体 的压强，工程上一般称压力。
F [N/m2] 或[Pa] P A
式中 P──压力，N/m2即Pa(帕斯卡)；
F──垂直作用在面积A上的力，N；
A──作用面积，m2。
工程单位制中，压力的单位是at(工程大气压)或kgf/cm2。 其它常用的压力表示方法还有如下几种： 标准大气压（物理大气压）atm；米水柱 mH2O； 毫米汞柱mmHg； 流体压力特性： （1）流体压力处处与它的作用面垂直，并总是指向流体 的作用面。
液体：T↑，μ↓（T↑,分子间距↑，范德华力↓，内摩擦力↓） 气体：T↑，μ↑（T↑,分子间距有所增大，但对μ影响不大， 但T↑，分子运动速度↑，内摩擦力↑）
压力P 对气体粘度的影响一般不予考虑，只有在极高或极 低的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。
化工原理第一章主要内容
Δp f
=
32μlu d2
哈根(Hagen)－泊谡叶（Poiseuille）方程
（三）圆管内湍流流动的速度分布
1
u
=
umax
⎜⎛1 ⎝
−
r R
⎟⎞ n ⎠
um = 0.82umax
四、边界层的概念
（一）边界层及其形成 边界层： 流速小于主体流速的 99%的区域 。 （二）边界层的发展 1、流体在平板上的流动 2、流体在圆形直管进口段内的流动 3、边界层的分离 边界层分离的两个必要因素： 逆压梯度 dp/dx >0 ； 壁面附近存在粘性摩擦阻力 边界层分离易发生在流体通道扩大处
管进口ξ=0.5
定义：将局部阻力折算成某一长度相同直径直管所产生的阻力，该相当长度称为当量长度。
w' = λ le ⋅ u2
f
d2
h' = λ le ⋅ u2 f d 2g
Δp' = λ le ⋅ ρu2
f
d2
le 为当量长度
六、管路流动总阻力损失的计算
总阻力损失 = 直管阻力 + 局部阻力 不同管径段组成的管路总阻力损失应将各等径段的阻力损失加和
τ = (μ + ε ) du dy
第四节 管内流动的阻力损失
流体具有粘性——流动阻力产生的根源（内因）
管壁或其他形状的固体壁面——流动阻力产生的条件(外因)
管路阻力：直管阻力+局部阻力
Σhf=hf+hf’
阻力的几种表达形式及之间的相互关系：
Wf：单位质量流体所损失的机械能，J/kg ；hf：单位重量流体所损失的机械能 ，m
ρm = ρ1ϕ1 + ρ2ϕ2 + ...... + ρnϕn
制药化工原理：第一章第三节流体流动现象
1、流体内部质点的运动方式
层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。 湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做随
机的脉动。
2020/11/10
管道截面上任一点的时均速度为：
ui
1
u d 2
1 i
湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量 。
例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：
体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简
称粘度。
2020/11/10
2、流体的粘度
1)物理意义
du
dy
促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来
2)粘度与温度、压强的关系
a) 液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体
的粘度基本不变。
2020/11/10
2020/11/10
二、流动类型与雷诺准数
1、雷诺实验（p25页）
滞流或层流
2020/11/10
湍流或紊流
2020/11/10
2、雷诺数Re
雷诺数的因次 ：
Re du
Re
du
m
m s1 kg m3 N s m2
流速u、管内径d、 流体粘度μ和密度ρ 也都能引起流动状 态的改变。
第一章 流体流动
第三节 流体流动现象
一、牛顿粘性定律与流体的 粘度
二、流动类型与雷诺准数 三、滞流与湍流的比较
2020/11/10
一、牛顿粘性定律与流体的粘度
1. 牛顿粘性定律
流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。
——流体阻力产生的依据
2020/11/10
层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。 湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做随
机的脉动。
2020/11/10
管道截面上任一点的时均速度为：
ui
1
u d 2
1 i
湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量 。
例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：
体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简
称粘度。
2020/11/10
2、流体的粘度
1)物理意义
du
dy
促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来
2)粘度与温度、压强的关系
a) 液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体
的粘度基本不变。
2020/11/10
2020/11/10
二、流动类型与雷诺准数
1、雷诺实验（p25页）
滞流或层流
2020/11/10
湍流或紊流
2020/11/10
2、雷诺数Re
雷诺数的因次 ：
Re du
Re
du
m
m s1 kg m3 N s m2
流速u、管内径d、 流体粘度μ和密度ρ 也都能引起流动状 态的改变。
第一章 流体流动
第三节 流体流动现象
一、牛顿粘性定律与流体的 粘度
二、流动类型与雷诺准数 三、滞流与湍流的比较
2020/11/10
一、牛顿粘性定律与流体的粘度
1. 牛顿粘性定律
流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。
——流体阻力产生的依据
2020/11/10
化工原理第一章(流体的流动现象)
ρ(
∂v ∂v ∂v ∂v ∂p ∂ ∂v 2 r ∂ ∂v ∂w ∂ ∂u ∂v + u + v + w ) = k y − + µ(2 − ∇v) + µ( + ) + µ( + ) ∂t ∂x ∂y ∂z ∂y ∂y ∂y 3 ∂z ∂z ∂y ∂x ∂y ∂x
2012-4-18
湍 流 的 实 验 现 象
2012-4-18
（3）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别） ）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别） ①流体在管内作层流流动 层流流动时，其质点沿管轴作有规 有规 层流流动 互不碰撞，互不混合 则的平行运动，各质点互不碰撞 互不混合 的平行运动 互不碰撞 互不混合。 ②流体在管内作湍流流动 湍流流动时，其质点作不规则的杂 湍流流动 不规则的杂 乱运动，并互相碰撞混合 互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡 旋涡。 乱运动 互相碰撞混合 旋涡 管道截面上某被考察的质点在沿管轴向 轴向运动的同时 轴向 ，还有径向 径向运动（附加的脉动 脉动）。 径向 脉动
du F = µA dy
式中：F——内摩擦力，N； du/dy——法向速度梯度 法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的 法向速度梯度 y方向流体速度的变化率，1/s； µ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度 粘度或动力粘度，Pa·s。 粘度或动力粘度
2012-4-18
【剪应力 剪应力】 剪应力 【定义 定义】单位面积上的内摩擦力称为剪应力 剪应力，以τ表 定义 剪应力 示，单位为Pa。
ρ(
2012-4-18
著名的“纳维-斯托克斯方程”，把流体的速度、压力、密 度和粘滞性全部联系起来，概括了流体运动的全部规律；只 是由于它比欧拉方程多了一个二阶导数项，因而是非线性的 ，除了在一些特殊条件下的情况外，很难求出方程的精确解 。分析这个方程的性态，“仿佛是在迷宫里行走，而迷宫墙 的隔板随你每走一步而更换位置”。计算机之父冯·诺意曼（ Neumann，Joha von 1903～1957）说：“这些方程的特性…… 在所有有关的方面同时变化，既改变它的次，又改变它的阶 。因此数学上的艰辛可想而知了。 有一个传说，量子力学家海森伯在临终前的病榻上向上帝提 有一个传说 了两个问题：上帝啊！你为何赐予我们相对论 相对论？为何赐予我 相对论 们湍流 湍流？海森伯说：“我相信上帝也只能回答第一个问题” 湍流 。
化工原理-第1章
DAB
k c p
3
α －导温系数 ν －运动黏度 D －扩散系数
k c p
几个参数
• 黏度μ －反映流体流动性大小的物理量
f (T )
• 气体：温度升高，黏度增大 • 液体：温度升高，黏度减小
N/m2 N s 2 Pa s m/s m du kg—m—s： dy m
关系：
w V Au qm qv Au
G u
质量通量
流动体系与流型 （层流，湍流）
层流
过渡流
湍流 (a) (b)
雷诺实验
雷诺数与流型判据 du Re
• 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
第一章 流体中的传递现象
Байду номын сангаас基本概念
气液固三态（动能势能） 单组份-多组分, 单相-多相, 一维-多维, 稳态-非稳态 连续介质假定（分子，流体质点）
流体受力
体积力（重力，离心力） 表面力（压力，粘性应力，表面张力）
流体的密度、可压缩性
流体单位体积具有的质量称为密度或质量浓度
稳定流动与不稳定流动
p、u、V f ( x,y,z,τ ) p、u、V f ( x,y,z)
流体的流量和流速
V qv w qm Q
m
[m / s ] [kg / s]
u1
3
A2 A1
u2
qv V u [m / s ] 或 [m 3 /(m 2 s )] A A w qm 2 G [kg /(m s)] A A
化工原理第一章主要内容
化⼯原理第⼀章主要内容第⼀章流体流动流体：⽓体和液体统称流体。
流体的特点：具有流动性；其形状随容器形状⽽变化；受外⼒作⽤时内部产⽣相对运动。
质点：⼤量分⼦构成的集团。
第⼀节流体静⽌的基本⽅程静⽌流体的规律：流体在重⼒作⽤下内部压⼒的变化规律。
⼀、流体的密度ρ1. 定义：单位体积的流体所具有的质量，kg/m 3。
2. 影响ρ的主要因素液体：ρ=f(t)，不可压缩流体⽓体：ρ=f(t ，p)，可压缩流体3.⽓体密度的计算4.混合物的密度5.与密度相关的⼏个物理量⽐容υ⽐重(相对密度) d ⼆、压⼒p 的表⽰⽅法定义：垂直作⽤于流体单位⾯积上的⼒ 1atm=760mmHg=1.013×105Pa=1.033kgf/cm 2 =10.33mH2O 1at=735.6mmHg=9.807×105Pa =1kgf/cm 2 =10mH20 表压 = 绝对压⼒ - ⼤⽓压⼒真空度 = ⼤⽓压⼒ - 绝对压⼒三、流体静⼒学⽅程特点：各向相等性；内法线⽅向性；在重⼒场中，同⼀⽔平⾯上各点的静压⼒相等，但其值随着点的位置⾼低变化。
1、⽅程的推导 2、⽅程的讨论液体内部压强 P 随 P 0 和 h ⽽改变的； P ∝h ，静⽌的连通的同⼀种液体内同⼀⽔平⾯上各点的压强相等；当P 0改变时，液体内部的压⼒也随之发⽣相同的改变；⽅程成⽴条件为静⽌的、单⼀的、连续的不可压缩流体；h=(P-P 0)/ρg ，液柱⾼可表⽰压差，需指明何种液体。
3、静⼒学⽅程的应⽤ (1)压⼒与压差的测量 U 型管压差计微差压差计（2）液位的测定（3）液封⾼度的计算 m Vρ=(),f t p ρ=4.220M =ρ000T p p T ρρ=PM RT ρ=12121n m n a a a ρρρρ=+++1122......m n nρρ?ρ?ρ?=+++mm PM RTρ=1/νρ=41/,gh p p ρ+=0()12A C P P gR ρρ-=-() gz21A B A gR P P ρρρ+-=-第⼆节流体流动的基本⽅程⼀、基本概念（⼀）流量与流速1.流量：单位时间流过管道任⼀截⾯的流体量。
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4.2 湍流的基本特征 4.2.1 时均速度和脉动速度
速度=时均速度+脉动速度
u u u'
4.2.2 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 I u'2 x x 湍流尺度 l Rdy
0
或 I u'2 / u x x
两点间的相关系数 R
u'x 1u'x 2 u'x21 u'x22
边界层脱体的条件: 1．逆压强梯度 2．外层动量来不及传入 如：平板不会发生脱体（无倒压区） 流线型物体也不发生脱体
（尾部收缩缓慢，动量来得及传入） (录像) (管排)
4.4 圆管内流体运动的数学描述 数学描述方法： ①取控制体（微分控制体或积分控制体） ②作力（热量、质量）衡算
du ③结合本过程的特征方程（如 ）解方程 dy
f(hf, d, l,μ,ρ,u,ε)=0 选 d, u,ρ为基本变量，将 hf, l, μ,ε无量纲化 ③实验并数据处理 因 ,习惯用 表示速度头，则
记摩擦系数
以不同的Re(方便地调节u)，不同的人工粗糙管, 以水或空气就可做实验
5.3 摩擦系数 5.3.1 莫迪图
层流时，管内全部为层流，λ 与ε /d无关 湍流时，层流内层厚度δ ， δ >ε ,水力光滑管,λ 与Re有关,与ε /d无关 δ ~ε ,λ 与Re、ε /d都有关 δ <ε ,完全湍流粗糙管,λ 与Re无关,与ε /d有关 同一根管子，可以既是光滑管，又是粗糙管
dr
边界条件
积分得
r=R 处 u=0
由
，得
湍流条件下：由于μ ’的困难而无法解析解 n=f(Re) 实测后归纳成
5 阻力损失 5.1 两种阻力损失 根本原因—黏性 划分：直管阻力损失（沿程阻力损失） 局部阻力损失（管件、阀件的阻力损失） 5.1.1 直管阻力损失 影响因素：①物性因素ρ，μ ②设备因素 d, l,ε ③操作因素 u 2 2 机械能衡算 P u P u
u p2 u z1 g z2 g h f 2 2
对于水平直管
p1
2 1
2 2
hf
p1 p2
p
人们发现两种规律： 雷诺实验表明存在两种流动类型(录像) 判断依据：雷诺数 du
Re
4.1.1 层流和湍流的区别： 层流 ①
湍流
② ③无微团作径向运动 ④层流层从中心到管壁 ⑤ 有微团作径向运动 层流内层附壁
④将结果整理成所需要的形式
4.4.1 取控制体作力衡算
(p1-p2)πr2-πr2lρg·sinα-2πrlτ=0 l·sinα=z2-z1 得，(P1-P2)r =2lτ P1 P2 或 r 2l 与流体性质、流动类型无关
4.4.2 层流速度分布 层流条件下： du 特征方程
问题：中试实验装置中有一真空管道，管内流动 着液体，若要取样，该怎么取？
问题：中试实验装置中有一真空管道，管内流动 着液体，若要取样，该怎么取？
24题提示：
本次讲课习题：
第一章 20~22, 24
雷诺实验
返回
边界层脱体
返回
管排边界层脱体
返回
du dy
du ( ') dy
⑥ h f与 无关 d
有关 h f与 d
⑦ ⑧ 传热、传质慢 传热、传质快 层流和湍流的本质区别: 是否存在速度、压强的脉动性 4.1.2 流型判据 Re<2000 层流 2000<<4000 或为层流，或为湍流 Re>4000 湍流
2 gh
dh h 0 dh D2 dt 2 0.5 h 200s 0 d 2g
问题： 1。行使的列车旁，人为什么不能靠得太近？ 2。飞机的升力如何来的？ 3。旋转的乒乓球为什么走弧线？ 4。穿堂风是什么？ 空气对流原理 5。山上的瀑布是如何形成的？
4 流体流动的内部结构 4.1 流动的型态
1
1
2
2
2
2
hf
直管，u1=u2， h f
P1 P2
P
5.1.2 泊谡叶方程 层流时，已得
得
应用条件：①牛顿流体 ②层流状态 ③圆直管速度分布稳定段（非入口段） 层流直管阻力也可写成
5.2 湍流直管阻力损失 实验研究方法: 基本要求：由小见大，由此及彼 量纲分析指导下的实验研究方法的主要步骤： ①析因实验---找出主要影响因素 hf= f (d, l,μ,ρ, u,ε) ②无量纲化----减少工作量 量纲分析法的基本依据：物理方程的量纲一致性 力学范围内基本量纲 质量[M]，长度[L]，时间[T] 其它量纲均为导出量纲，如密度[ML-3]
查Re=2×104, ε/d=0.01时的λ=0.041
查Re=3×105, ε/d=0.0005时的λ=0.018
查Re=104, ε/d=0.0001时的λ=0.03
问题：用高位槽向反应器内送水，Z至少多大？ 若厂房高度限于8m以内，不用泵，应该 如何设计管路？
问题：用高位槽向反应器内送水，Z至少多大？ 若厂房高度限于8m以内，不用泵，应该 如何设计管路？
拟定态处理 已知：D=1m, d=40mm, h=0.5m 求：放完水所需时间τ
解：从1至2截面排柏努利方程 2 任一瞬时 h g u ∴ u 2 gh
2
对桶内液体作质量衡算 输入+生成=输出+积累 2 2 dh
00 4 D 2 dh 2 u d dt D2 dt 2 d 2g d u 4 D dt
两点间的距离为 y
4.2.3 湍流粘度μ ’： du ( ')
dy
μ ’与流动状况有关，与物性无关
4.3 边界层及边界层脱体 4.3.1 边界层 实际流体μ ≠0，壁面无滑脱
边界层---流动流体受固体壁面阻滞而造成 速度梯度的区域
入口段阻力大、传热、传质快 4.3.2 边界层脱体 流体绕过 圆柱的流动 边界层脱体的后果： 1.产生大量的旋涡， 2.造成较大能量损失