4-2流体的状态方程
《过程流体机械第二版》思考题答案_完整版
《过程流体机械》思考题参考解答2 容积式压缩机☆思考题 往复压缩机的理论循环与实际循环的差异是什么☆思考题 写出容积系数λV 的表达式，并解释各字母的意义。
容积系数λV （最重要系数）λV ＝1－α（n1ε－1）＝1－⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫⎝⎛110ns d S p p V V （2-12）式中：α ——相对余隙容积，α ＝V 0（余隙容积）/ V s （行程容积）；α ＝～（低压），～（中压），～（高压），＞(超高压)。
ε ——名义压力比（进排气管口可测点参数），ε ＝p d / p s ＝p 2 /p 1 ，一般单级ε ＝3～4；n ——膨胀过程指数，一般n ≤m （压缩过程指数）。
☆思考题 比较飞溅润滑与压力润滑的优缺点。
飞溅润滑（曲轴或油环甩油飞溅至缸壁和润滑表面），结构简单，耗油量不稳定，供油量难控制，用于小型单作用压缩机；压力润滑（注油器注油润滑气缸，油泵强制输送润滑运动部件），结构复杂（增加油泵、动力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站），可控制气缸注油量和注油点以及运动部件压力润滑油压力和润滑油量，适用大中型固定式动力或工艺压缩机，注意润滑油压和润滑油量的设定和设计计算。
☆思考题 多级压缩的好处是什么多级压缩优点：①.节省功耗（有冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程）；②.降低排气温度（单级压力比小）；③.增加容积流量（排气量，吸气量）（单级压力比ε降低，一级容积系数λV 提高）；④.降低活塞力（单级活塞面积减少，活塞表面压力降低）。
缺点：需要冷却设备（否则无法省功）、结构复杂（增加气缸和传动部件以及级间连接管道等）。
☆思考题分析活塞环的密封原理。
活塞环原理：阻塞和节流作用，密封面为活塞环外环面和侧端面（内环面受压预紧）；关键技术：材料（耐磨、强度）、环数量（密封要求）、形状（尺寸、切口）、加工质量等。
☆思考题动力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法，以两级压缩机为例，分析一级切断进气，对机器排气温度，压力比等的影响。
4工程流体力学 第四章流体动力学基础
Fy F V•n dS = -V0 dS
= =
=
ρ vV n dS ρ vV n dS ρ vV n dS ρ vV n dS
CS
S0
S1
S2
v = -V0 sin
0
0
§4-2 对控制体的流体力学积分方程（续18）
由于V1，V2在y方向上无分量，
忽略粘性摩擦力，控制体所受表面力包括两
端面及流管侧表面所受的压力，沿流线方向总压
力为：
FSl
pS p δpS δS
p
δp 2
δS
Sδ p 1 δpδS 2
流管侧表面所受压力在流 线方向分量，平均压强
§4-2 对控制体的流体力学积分方程（续27z）
控制体所受质量力只有重力，沿流线方向分
Q2
Q0 2
1 cosθ
注意：同一个问题，控制体可以有不同的取法，
合理恰当的选取控制体可以简化解题过程。
§4-2 对控制体的流体力学积分方程（续23）
微元控制体的连续 方程和动量方程
从流场中取一段长度为l 的流管元，因
为流管侧面由流线组成，因此无流体穿过；流 体只能从流管一端流入，从另一端流出。
CS
定义在系统上 的变量N对时 间的变化率
定义在固定控制 体上的变量N对 时间的变化率
N变量流出控制 体的净流率
——雷诺输运定理的数学表达式，它提供了对
于系统的物质导数和定义在控制体上的物理量
变化之间的联系。
§4-2 对控制体的流体力学积分方程 一、连续方程
在流场内取一系统其体积为 ，则系统内
的流体质量为：
根据物质导数的定义，有：
流体的状态方程和物性参数
流体的状态方程和物性参数流体的状态方程和物性参数是描述流体性质和行为的重要理论基础。
本文将介绍流体的状态方程和物性参数的基本概念、作用及其在实际应用中的重要性。
一、流体的状态方程流体的状态方程是描述流体各种性质随压力、温度和密度等变化关系的数学表达式。
常见的流体状态方程有理想气体状态方程、实际气体状态方程和液体状态方程等。
1. 理想气体状态方程理想气体状态方程是描述理想气体性质的基本方程。
根据理想气体状态方程，气体的压力、体积和温度之间存在一定的定量关系，即PV=nRT，其中P为气体的压力，V为气体的体积，n为气体的物质量，R为气体常数，T为气体的温度。
理想气体状态方程对描述气体的性质和行为具有较高的精度和适用性，但在高压缩度和低温度条件下存在一定的误差。
2. 实际气体状态方程实际气体状态方程是描述实际气体性质的方程，它考虑了气体分子之间的相互作用和占据体积，常见的实际气体状态方程有范德华方程和本德方程等。
实际气体状态方程对于描述高压缩度和低温度条件下气体的性质和行为具有较高的准确性，但需要更多的实验数据和参数。
3. 液体状态方程液体状态方程是描述液体性质的方程，液体的状态方程通常采用复杂的经验公式或拟合曲线来描述。
液体状态方程的研究对于液体的物性计算和流体力学分析具有重要意义。
二、流体的物性参数流体的物性参数是描述流体性质的各种物理和化学属性的量化指标。
常见的流体物性参数有密度、粘度、热导率和表面张力等。
1. 密度流体的密度是定义为单位体积内流体质量的物理量，通常用符号ρ表示。
密度是衡量流体惯性和压缩性的重要参量，是描述流体运动和变形行为的基础。
2. 粘度粘度是流体内部分子间摩擦力的体现，是描述流体阻力和粘性特性的物性参数。
粘度的大小直接影响流体的流动特性和能量转移过程。
3. 热导率热导率是流体导热性能的物性参数，它描述了单位时间内流体传导热量的能力。
热导率的大小决定了流体的散热能力和热传导速率。
化工热力学第二章 流体的p-V-T关系和状态方程
第二章 内 容
§2.1 纯流体的p-V-T相图 §2.2 气体状态方程（EOS） §2.3 对应态原理和普遍化关联式 §2.4 液体的p-V-T性质 §2.5 真实气体混合物p-V-T关系
§2.6 状态方程的比较和选用
§2.1 纯流体的p-V-T相图
§2.1.1 T –V 图 §2.1.2 p-V 图 §2.1.3 p-T 图 §2.1.4 p-V-T 立体相图 §2.1.5 纯流体p-V-T关系的应用及思考
§2.1.4 P-V-T立体相图
P-V-T立体相图
§2.1.4 P-V-T立体相图
水的P-V-T立体相图
【例2-1】 将下列纯物质经历的过程表 示在p-V图上：
1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体； 2）过冷液体等压加热成过热蒸汽； 3）饱和液体恒容加热； 4）在临界点进行的恒温膨胀
P
C
1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体； 2）过冷液体等压加热成过热蒸汽； 3）饱和蒸汽可逆绝热膨胀； 4）饱和液体恒容加热； 5）在临界点进行的恒温膨胀
• 1）由于刚性容器体积保持不变， 因此加热过程在等容线上变化，到 达B1时，汽液共存相变为液相单相； 继续加热，当T>Tc，则最终单相为 超临界流体，即C1点。
• 2）当水慢慢加热后，则状态从位 于汽液共存区的A2，变为汽相单相 B2，继续加热，当T>Tc，则最终单 相为临界流体C2。
§2.1 纯流体的P-V-T相图
P-T图
液相区
8atm下变成液体
气相区
1atm下变成气体
液化气的p-T 图
-82.62 ℃
室温10~40℃
乙烯、丙烯、 丁烯能做液化 气吗？
96.59℃
TC = 196.46 Tb =36.05 ℃
工程流体力学423粘性流体的伯努利方程
工程流体力学
2. 物理意义
式（4.4）每一项都表示单位重量流体具有的某种能量。
z是单位重量流体具有的位置势能；
p
是单位重量流体具有的压强势能；
v2 是单位重量流体具有的动能；
2g
z
p
是单位重量流体具有的总势能；
z p v2 是单位重量流体具有的总机械能。
2g
伯努利方程表示理想流体恒定流动，沿同一条流 线，各点单位重量流体的机械能守恒 。
Cl
式（4.4）就是沿流线的伯努利方程，这是水力 学中最常用的方程之一。
伯努利方程的限制条件包括：（1）理想流体； （2）恒定流动；（3）不可压缩流体；（4）质量力 仅为重力；（5）沿流线。
在同一条流线上取1，2两点，则式（4.4）可表
达成 ：
z1
p1
v12 2g
z2
p2
v22 2g
dt
即为静力学基本方程。
(2)对于恒定流动， v 0 。
t
（3）在方程中有8个物理量：u 、v 、w 、fx 、f y 、 f z ， 和p。一般情况下，表示重力的 fx 、f y 、f z是已
知的，这个方程组和连续性方程及流体的状态方程， 在一定条件下积分便可得到压强p的分布规律。
工程流体力学
工程流体力学
【解】（1）管中流动若不计损失，则管中流动为均 流。现要测量过流断面上A点的流速，用水银比压计 来测量，其原理是：由于来流在A点受比压计的阻滞， 该处的速度为零（或者A点为两条流线相交的前驻 点）；该处动能全部转化成势能，而水银比压计另一 端B点在管壁，该处的流速是管中均流每一点的速度， 也可看成A点前方某一点的速度。
第二章——流体流动的数学模型
u u p 2u (u v ) Fx 2 x y x y
如果定解条件选择不合理， 将产生违背物理真实的伪解
第二章 流体流动的数学模型
流动现象分类：
（1）按流态不同：层流和湍流
（2）流动速度级别：蠕动流、低速流、高速流、 超声速流。高超声速 （3）流体受阻现象：自由流和剪切流
p RK
第二章 流体流动的数学模型
湍流雷诺方程（u向）
Du p u u u Fx ( ) ( ) ( ) D x x x y y z z
u u u
'
Du p u u u u 'u ' u 'v ' u ' w' Fx ( ) ( ) ( ) D x x x y y z z x y z
（4）流线形态：直线流、旋转流、分离流
（5）参考物尺度：大尺度、中尺度、小尺度及 微纳米尺度
第二章 流体流动的数学模型
• 接触较多的是中尺度的低速流 • 尺度是相对的 • 小尺度中的边界效应非常明显诺数小于10，认为是蠕动流动
第二章 流体流动的数学模型
第二章流体流动的数学模型1连续方程2运动方程3能量方程4状态方程0????????zwyvxu222222ztytxtcddtp??????rkp???zuzyuyxuxxpfddux???????????????第二章流体流动的数学模型湍流雷诺方程u向uuuzwuyvuxuuzuzyuyxuxxpfdudx??????????????????????????????zuzyuyxuxxpfddux???????????????第二章流体流动的数学模型fluent中指定各种方程的位置和方法第二章流体流动的数学模型方程是否可以简化如何判断方程解的情况
第2章 流体的PVT关系-状态方程式(3版)
流体的压力、体积、温度关系： 状态方程式
流体的P-V-T关系
2.1
纯物质的P-V-T行为
2.2
2.3
流体的状态方程式
对应态原理的应用
2.4
2.5
液体的P-V-T关系
真实气体混合物
2.1 纯物质的P-V-T关系
固 固 液
液
临界点 气 汽
纯物质的P-V-T相图
P-V-T相图的投影图
偏心因子的物理意义为：其值的大小，是反
映物质分子形状与物质极性大小的量度。球形
分子(Ar、Kr、Xe等)ω=0；非球形分子ω>0。 根据以上结论，Pitzer提出了两个非常有用
的普遍化关系式。一种是以压缩因子的多项式
表示的普遍化关系式(简称普压法)，一种是以
两项维里方程表示的普遍化第二维里系数关系
液体对比密度的定义：
Vc r L c V
L
液体的摩尔体积计算：
r1 V V r2
L 2 L 1
2.5
真实气体混合物
非理想性的两个原因。 用纯物质性质来预测或推算混合物性质 的函数式称为混合规则，纯气体的关系 式借助于混合规则变可推广到气体混合 物。 关键问题是求解混合物的虚拟特征参数。
2.2 流体的状态方程式
纯流体的状态方程(EoS) 是描述流体P-V-T性质 的关系式。 f( P, T, V ) = 0 混合物的状态方程中还包括混合物的组成（通常 是摩尔分数）。
理想气体方程式
pV RT pV Z 1 RT
p为气体压力；V为摩尔体积； T为绝对温度；R为通用气体常数。
Zc=0.307，更接近于实际情况，虽较真实
流体力学-04-2 伯努利方程的应用.
伯努利方程的应用伯努利方程对于流动体系除了掌握体系的对于流动体系，除了掌握体系的物料衡算关系以外，还必须找出体系各种形式能量之间的转换关系系各种形式能量之间的转换关系。
伯努利(Bernoulli)方程：描述了流体流动过程中各种形式能量之间的转换关系，是流体在定常流动情。
是热力学第一Daniel Bernoulli ，1700-1782况下的能量衡算式是热力学第定律对流体流动过程的具体描述。
流动系统的能量流动系统的能量：流动系统的能量流动系统的能量：(3) 动能：流体以一定的速度运动时便具有一定的动能，大时所需要的功小等于流体从静止加速到流速v时所需要的功。
(4) 静压能：流体进入划定体积时需要对抗压力所做的功。
流体进入划定体积时需要对抗压力所做的功若质量为m的流体体积为，某截面处的静压强为p，截面面积为A，则将质量为m的流体压入划定体积的功为：则将质量为的流体压入划定体积的功为质量为能量还可以通过其他外界条件与流动系统进行交换，包括：：流体通过换热器吸热或放热Q e吸热时为正，放热时为负。
：泵等流体输送机械向系统做功W em 的流体交换热量=m Q e流体接受外功为正流体对外作功为负作功为负的流体所接受的功= mW e以截面两边同除以m单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式，流动系统的力学第一定律表达式系统内能变化系统内能变化：是单位质量流体从截面1-1到截面是单位质量流体从截面1-1到截面2-2流体通过环境直接获得的热量，Q e(1)流体通过环境直接获得的热量流体流动时需克服阻力做功，因而消耗机械能转化为热量，若流体等温流动，这部分热量则散失到系统外部。
设单位流体因克服阻力而损失的，则则不可压缩流体ρ=const=0无外加功W e=0理想流体，Σhf伯努力方程努力方程的有关伯努力方程的讨论(1)伯努力方程的适用条件：不可压缩的理想流体做定常流动而无外功输入的情况，选取截面符合缓变流条件。
单位质量流体在任一截面上所具有的势能、动能和静压能之和是一常数。
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段 远 源
RTc b 0.08664 pc
pc vc 1 Zc RTc 3
Soave G. Chem Eng Sci, 1972, 27: 1197
流 体 的 状 态 方 程
PR方程
RT a p v b v (v b ) b (v b )
a ac
( RTc )2 ac 0.457235 pc
流体的状态方程
热能系工程热物理研究所 段远源
流 体 的 状 态 方 程
§4.2 状态方程
四、立方型状态方程 五、多参数状态方程 六、压缩因子的通用化关联
段 远 源
流 体 的 状 态 方 程
状态方程的简单回顾
理想气体方程 维里方程 van der Waals方程
段 远 源
流 体 的 状 态 方 程
1937年，Mayer根据巨正则系综导出virial系 数的理论展开式
段 远 源
B(T ) 2 N A (e
0
2 8 2 N A C 3 0 0
u (l ) kT
1)l 2 d l
f12 f 23 f13l12l13l23dl12 dl13dl23
u12 u23 u12 u23
段 远 源
流 体 的 状 态 方 程
PR方程
6000 5000 4000
NIST PR EOS
p / kPa
3000 2000 1000
段 远 源
0 150 200
T/K
250
300
350
图1 CH2F2饱和蒸气压和温度关系
流 体 的 状 态 方 程
PR方程
350 300
T/K
250
200
段 远 源
理想气体状态方程
1660年，Robert Boyle(1627-1691)： V=f(T)/p Isaac Newton(1642-1727)，Edme Mariotte (1620-1684)也独立发现 Jacques Charles(1746-1823)：定压过程 1811年，Amedeo Avogadro(1776-1856)， Avogadro假说 1840年，E. Clapeyron以此为基础得到： pv=RT
1965年，Wilson方程
1972年，RKS方程
1976年，PR方程
段 远 源
Peng D, Robinson D. Ind Eng Chem Fundam, 1976, 15: 59 Patel N, Teja A. Chem Eng Sci, 1982, 37: 463
1982年，PT方程
150 0 500 1000 1500
/ kg. m
-3
图2 CH2F2的饱和气液密度的计算值和实验值比较
流 体 的 状 态 方 程
RK方程
RT a p 0.5 v b T v (v b )
RT a 0.42748 pc
2 2.5 c
RTc b 0.08664 pc
段 远 源
pc vc 1 Zc RTc 3
Redlich O, Kwong J N S. Chem Rev, 1949,44:233
段 远 源
流 体 的 状 态 方 程
1901年，Heike Kamerlingh Onnes提出 virial型状态方程
B(T ) C (T ) D(T ) Z 1 2 3 v v v
Virial方程
Z 1 B' (T ) p C ' (T ) p 2 D' (T ) p 3
段 远 源
流 体 的 状 态 方 程
立方型状态方程
1949 年，RK方程
Redlich O, Kwong J N S. Chem Rev, 1949,44:233 Wilson G M. Adv Cryog Eng, 1966, 11:392 Soave G. Chem Eng Sci, 1972, 27: 1197
Wilson G M. Adv Cryog Eng, 1966, 11:392
流 体 的 状 态 方 程
SRK方程
RT a p v b v (v b )
a ac
( RTc ) ac 0.42748 pc
2
0.5 1 (0.480 1.574 0.176 2 )(1 Tr0.5 )
0.5 1 (0.37646 1.54226 0.26992 2 )(1 Tr0.5 )
pc vc Zc 0.3074013 RTc
段 远 源
RTc b 0.077796 pc
Peng D, Robinson D. Ind Eng Chem Fundam, 1976, 15: 59
流 体 的 状 态 方 程
Wilson方程
RT a p v b v (v b )
a ac
( RTc ) ac 0.42748 pc
1 Tr [1 (1.57 1.62)(Tr
1)]
段 远 源
RTc b 0.08664 pc
pc vc 1 Zc RTc 3
Patel N, Teja A. Chem Eng Sci, 1982, 37: 463
流 体 的 状 态 方 程
立方型状态方程改进-PR方程为例
优点：1、相平衡计算精度高 2、形式简单 3、气相密度计算精确
缺陷：1、 Zc= pcvc/RTc =0.3074 2、对液相密度的计算精度比较差 3、近临界区计算精度差
流 体 的 状 态 方 程
van der Waals方程
1873年，荷兰人van der Waals发表了 “论气体和液体的连续性”的论文，提 RT a 出了该方程： p 2 v b v Maxwell在《Nature》撰文介绍，并依据 相平衡时化学势相等提出了“等面积原 理”，以改进其两相区计算
流 体 的 状 态 方 程
PT方程
RT a p v b v (v b ) c (v b )
( RTc ) 2 a a pc
0.5 1 (0.45241 1.30982 0.295937 2 )(1 Tr0.5 )
段 远 源
RTc b b pc RTc c c pc