1 流体流动
第一章流体流动
第一章流体流动液体和气体统称为流体。
流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小。
流体流动的原理及其流动规律主要应用于这几个方面：1、流体的输送；2、压强、流速和流量的测量；3、为强化设备提供适宜的流动条件。
在研究流体流动时，常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质。
第一节流体静力学基本方程式1-1-1 流体的密度单位体积流体具有的质量称为流体的密度，其表达式为：对于一定质量的理想气体：某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：空气平均分子量的计算：M＝32×0.21+28×0.78＋40×0.01＝28.9629 （g/mol）1-1-2 流体的静压强法定单位制中，压强的单位是Pa，称为帕斯卡。
1atm 1.033kgf/cm2760mmHg 10.33mH2O 1.0133bar 1.0133×105 Pa工程上常将1kgf/cm2近似作为1个大气压，称为1工程大气压。
1at1kgf/cm2735.6mmHg10mH2O 0.9807bar9.807×105 PaP（表）＝P（绝）－P（大）P（真）＝P（大）－P（绝）＝－P（表）1-1-3 流体静力学基本方程式描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式称为流体静力学基本方程式。
对于不可压缩流体，常数；静止、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强相等（连通器）。
压强差的大小可用一定高度的液体柱表示（必需标注为何种液体）。
1-1-4 流体静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器统称为液柱压差计，可用来测量流体的压强或压强差。
1、U型管压差计2、倾斜液柱压差计（斜管压差计）3、微差压差计二、液位的测量三、液封高度的计算第二节流体在管内流动反映流体流动规律的有连续性方程式与柏努利方程式。
1-2-1 流量与流速单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。
化工原理ppt-第一章流体流动
其单位为J/kg。
2022/8/11
34
二、流体系统的质量守恒与能量守恒
2. 柏努利方程
(1) 总能量衡算
4）外加能量 流体输送机械（如泵或风机）向流体作功。单位质量流体所获得
的机械能。用We表示，单位J/kg。 5）能量损失
液体流动克服自身粘度而产生摩擦阻力，同时由于管路局部装置 引起的流动干扰、突然变化而产生的阻力。流体流动时必然要消耗 部分机械能来克服这些阻力。单位质量流体克服各种阻力消耗的机 械能称为能量损失。用Σhf ，单位J/kg。
2022/8/11
27
知识运用
【1-3】某自来水厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道，试选择一合 适的管子。
解：水的密度：1000kg/m3， 体积流量：Vs=30000/（3600×1000）=0.0083（m3/s）
查表水流速范围，取u=1.8m3/s
根据d 4Vs
u
d 4Vs 4 30 / 3600 0.077 m 77mm
22
一、流体流量和流速
2.流速
单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
（1）平均流速：u=Vs/A （m/s）
关系:G =u
（2）质量流速：G=Ws/A (kg/(m2·s))
2022/8/11
23
一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
2022/8/11
24
一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
2022/8/11
8
二、流体压力
2.表压与真空度
表压和真空度
p 当地大气压，
表压强=绝对压强-大气压强
p 当地大气压，
真空度=大气压强-绝对压强
化工原理第一章 流体流动
§1.3 流体流动的基本方程
质量守恒 三大守恒定律 动量守恒 能量守恒
§1.3.1 基本概念
一．稳态流动与非稳态流动 流动参数都不随时间而变化，就称这种流动为稳态流 动。否则就称为非稳态流动。 本课程介绍的均为稳态流动。
§1.3.1 基本概念
二、流速和流量
kg s 质量流量，用WS表示， 流量 3 体积流量，用 V 表示， m s S
＝0 的流体
位能 J/kg
动能 静压能 J/kg J/kg
流体出 2 2
实际流体流动时：
2 2 u1 p1 u2 p gz1 we gz2 2 wf 2 2
摩擦损失 J/kg 永远为正
流体入 ------机械能衡算方程（柏努利方程） 1
z2
有效轴功率J/kg
z1 1
二、 液体的密度
液体的密度基本上不随压强而变化，随温度略有改变。 获得方法：（1）纯液体查物性数据手册
（2）液体混合物用公式计算：
液体混合物：
1
m
xwA
A
xwB
B
xwn
n
三、气体的密度
气体是可压缩流体，其值随温度和压强而变，因此 必须标明其状态。当温度不太低，压强不太高，可当作理
想气体处理。
理想气体密度获得方法： （1）查物性数据手册 （2）公式计算： 或
注：下标0表示标准状态。
对于混合气体，也可用平均摩尔质量Mm代替M。
混合气体的密度，在忽略混合前后质量变化条件下， 可用下式估算（以1 m3混合气体为计算基准）：
m A x VA B x VB n x Vn
2
2
气体
第一章 流体流动
气体密度 一般温度不太低，压强不太高时气体可按理想气 体考虑，所以理想气体密度可由理想气体状态方程 导出： T0 p M pM m
v
RT
0
Tp 0
0 22.4 ，kg / m
3
混合气体密度
ρm= ρ1y1+ ρ2y2+ …+ ρnyn
MT0 p 22.4Tp 0
式 y1、y2……yn——气体混合物各组分的体积分数 ρ1、 ρ2、…、 ρn—气体混合物中各组分的密度，kg/m3; ρm——气体混合物的平均密度，kg/m3；
2.2 流体静力学基本方程的应用
1、压力的测量 (1) U型管压差计 构造： U型玻璃管内盛指示液A 指示液：指示液A(蓝色)与被测液B(白)互不相溶，且ρA＞ρB 原理：图中a、b两点在相连通的同一静止流体内，并且在 同一水平面上，故a、b两点静压力相等，pa=pb。 对a、b两点分别由静力学基本方程，可得 pa= p1+ρB· g(Z+R) pb= p2+ρB· gZ+ρAgR
三、流体的研究方法
连续介质假说：流体由无数个连续的质点组
成。﹠质点的运动过程是连 续的 质点：由许多个分子组成的微团，其尺寸比 容器小的多，比分子自由程大的多。 （宏观尺寸非常小，微观尺寸又足够大）
四、流体的物理性质
◆密度ρ 单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表 m 达式为
V
式中 ρ——流体的密度，kg/m3; m——流体的质量，kg; V——流体的体积，m3。 流体的密度除取决于自身的物性外，还与其温 度和压力有关。液体的密度随压力变化很小，可 忽略不计，但随温度稍有改变；气体的密度随温 度和压力变化较大。
pA=p0+ ρgz pB=p0+ ρi gR 又∵ pA=pB
第一章流体流动
五、阻力损失的计算
(1)阻力系数法 克服局部阻力所引起的能量损失，可以表示 为动能的倍数，即： Wf ´=0.5ζ u2 式中ζ称为局部阻力系数 突然扩大或突然缩小，式中的流速u应该以 小截面处的流速为准，根据小管与大管的截面 积之比，在图中查取进口与出口，流体从容器 中流出，或流入容器中，可按照大截面积与小 截面积之比为1或为0来计算
五、阻力损失的计算
1、概述 流体在管道中流动，受到阻力的作用，要克 服阻力而做功，即流体有能量损失。根据阻力 产生原因的不同，可以分为直管阻力和局部阻 力。直管阻力是流体流经一定管径的直管时， 由于流体的内摩擦力（即粘性力）而产生的阻 力。局部阻力主要是由于体流经管路中管件、 阀门及管截面形状和尺寸突然扩大和缩小等局 部地方引起流体边界层分离造成的阻力。
第一章 流体流动
主讲：高轶群
本章要点
一、静力学方程 二、连续性方程 三、柏努利方程 四、流体流动现象 五、阻力损失的计算 六、管路计算
一、静力学方程
知识要点：1、基本物理量 2、静力学方程 3、静力学方程的应用
一、静力学方程
1、基本物理量 （1）密度：用表示，属于物性，单位为 kg/m3
影响因素：气体------种类、压力、温度、浓度 液体------ 种类、温度、浓度
五、阻力损失的计算
范宁公式中λ 称为摩擦系数，摩擦应力τ 与流体流动类型有关，因此λ 也因流体不同的 流动类型而变化。 层流时： λ =64/ Re ；λ 只与Re值有关 ，和管壁粗糙度无关； 湍流时的λ 与Re值和相对粗糙度（ε /d） 有关，具体数据在关联图中查取。
五、阻力损失的计算
3、局部阻力损失 流体在管路中流动，在管件处由于流速、方 向的改变，使流体受到的阻力损失，为局部阻 力损失。表示为wf´
化工原理第一章 流体流动1
A
B
所以
下午6时51分
0 h R
8喻国华
3. 液封高度的计算
液封作用： 确保设备安全：当设备 内压力超过规定值时，气 体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。 液封高度：
p(表) h g
9喻国华
下午6时51分
管内流体流动基本方程式
流量与流速
稳定流动与不稳定流动 稳定流动系统的质量守恒 ——连续性方程 稳定流动流动系统的能量守恒 ——柏努利方程
p1 p2 pa Hg g ( z0 z2 ) p4 p3 p1 H2O g ( z4 z2 ) p6 p5 p4 Hg g ( z4 z6 ) p p6 H2O g ( z7 z6 )
p pa H 2O g z6 z2 z7 z4 H g g ( z0 z 4 z 2 z 6 ) 1000 9.81 (0.7 0.9 2.5 2.0) 13600 9.81 (2.0 2.1 0.9 0.7) 下午6时51分 305.91kPa
p ——静压头 g
He——外加压头或有效压头。
Σhf——压头损失
下午6时51分
26喻国华
（3）以单位体积流体为基准 将(1)式各项同乘以 :
z1g z1g 1 1 u12 p1 We z2 g u2 2 p2 W f 2 2 1 1 u12 p1 We z2 g u2 2 p2 p f 2 2
6喻国华
2. 液位测量
（1）近距离液位测量装置
压差计读数R反映出容器
内的液面高度。
0 h R
液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液 面达到最高时，h为零，R亦为零。
1流体流动基本知识
2011-8-26
定态流动：若在流动系统中，任意取两个截面 1 − 1' 及2 − 2' （排水管不同管径处），经测定发现，该两截面上的流速和 压强虽然不相等，但每一截面上的流速与压强并不随时间而 变化，这种情况属于定态流动。 非定态流动：若将水箱进 水管阀门关闭，箱内的水仍由 排水管不断排出，由于箱内无 水补充，则水位逐渐下降，各 截面上水的流速与压强也随之 而降低，此时各截面上水的流 速与压强不但随位置而变，还 随时间而变，这种情况属于非 定态流动。 后面的讨论都是基于定态流动 的问题。
m 其 xwi = i 中 m 总
V = 总
2011-8-26
xwA
ρ1
+
xwB
ρ2
+L +
xwn
ρn
=
m 总
ρm
∴
1
ρm
=
xwA
ρ1
+
xwB
ρ2
+L +
xwn
ρn
—液体混合物密度计算式 液体混合物密度计算式
4.与密度相关的几个物理量 与密度相关的几个物理量
1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位 为m3/kg。 在数值上:
S
=VS ρ
2011-8-26
2. 流速
流速：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，以u表示， 其单位为m/s。 实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道 横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大， 愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管 壁上，其速度等于零。 平均速度:在工程计算上为方便起见，流体的流速通常指 整个截面上的平均流速，用u表示；单位为：m/s。
化工原理第一章流体流动知识点总结
第一章流体流动一、流体静力学：压强，密度，静力学方程二、流体基本方程：流速流量，连续性方程，伯努利方程三、流体流动现象：牛顿粘性定律，雷诺数，速度分布四、摩擦阻力损失：直管，局部，总阻力，当量直径五、流量的测定：测速管，孔板流量计，文丘里流量计六、离心泵：概述，特性曲线，气蚀现象和安装高度8■绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力。
■表压/真空度 ：以大气压为基准测得的压力。
表 压 = 绝对压力 － 大气压力真空度 = 大气压力 － 绝对压力1.1流体静力学1.流体压力/压强表示方法绝对压力绝对压力绝对真空表压真空度1p 2p 大气压标准大气压：1atm = 1.013×105Pa =760mmHg =10.33m H 2O112.流体的密度Vm =ρ①单组分密度),(T p f =ρ■液体：密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。
■气体：当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度下之值，若条件不同，则需进行换算。
②混合物的密度■ 混合气体：各组分在混合前后质量不变，则有nn 2111m φρφρφρρ+++= RTpM m m=ρnn 2211m y M y M y M M +++= ■混合液体：假设各组分在混合前后体积不变，则有nmn12121w w w ρρρρ=+++①表达式—重力场中对液柱进行受力分析：液柱处于静止时，上述三力的合力为零:■下端面所受总压力 A p P 22=方向向上■上端面所受总压力 A p P 11=方向向下■液柱的重力)(21z z gA G -=ρ方向向下p 0p 2p 1z 1z 2G3.流体静力学基本方程式g z p g z p 2211+=+ρρ能量形式)(2112z z g p p -+=ρ压力形式②讨论：■适用范围：适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；■物理意义：在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MB——B组分的分子量；
yB——B组分的摩尔分率。 15
3.气体的密度
混合气体的密度：
根据质量守恒定律，有：
m V m m A m B . .A . V A B V B ...
m A V V AB V V B .. .A X V AB X V B ...
其中： X VA
4.连续介质假定
概述
△ V0 为质点特征体积，即此微元体积中的所有流 体分子的集合称为质点。
流体的连续介质模型：流体是由连续分布的流体质 点所组成，流体微团连续布满整个流体空间，从而 流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数。
注意：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。
X VB
A组分的体积分率； B组分的体积分率。
16
4.比容
单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。
vV 1
m
m3/kg
17
练习题目
思考题 1.何谓单元操作？如何分类？ 2.联系各单元操作的两条主线是什么？ 3.比较实验研究方法和数学模型的区别。 作业题:无
18
第1章 流体流动
1.1 流体的物理性质 1.1.1 流体的密度 1.1.2 流体的粘度
熟练掌握流体流动阻力的计算、简单管路的设计 型和操作型计算；
了解测速管、文丘里流量计、孔板流量计和转子 流量计的工作原理和基本计算。
3
概述
流体是气体与液体的总称。 1. 研究流体流动问题的重要性 流体流动是最普遍的化工单元操作之一；
4
化工厂原貌
5
化工厂原貌
6
概述
流体是气体与液体的总称。 1. 研究流体流动问题的重要性 流体流动是最普遍的化工单元操作之一； 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操 作的重要基础。
m2 / s
常用流体的粘度可以查表求得，见p341表14和p344表1255
2.流体的粘度
混合物粘度的估算： 1）常压气体混合物的粘度：
m
yi
M1/2
ii
yiMi1/2
其中：
yi——组分的摩尔分数；
µi——同温度下组分的粘度；
Mi——组分的摩尔质量
26
2.流体的粘度
混合物粘度的估算： 2）非缔合液体混合物的粘度：
19
1.牛顿粘性定律
❖流体所具有的抵抗相邻流体层相对运动的性质称为 流体的粘性。
❖粘性是流体固有的物理性质。
❖流 体 在 运 动 时 ， 任 意 相 邻 两 层 流 体 有 相 互 抵 抗 力 ,
这种相互抵抗的作用力称为内摩擦力（粘滞力，粘性
摩擦力）
20
1.牛顿粘性定律
粘滞力所产生的后果 1、流体在流动时有一定的速度分布
m A B
其中：xWA为A组分的质量分率 , xWB为B组分的质量分1率4
3.气体的密度
气体密度： f(p,T)
一般可当成理想气体处理: m pM
V RT
混合气体密度:
m
m V
pMm RT
其中：
M mM 气体的平均分子量；
MA——A组分的分子量； yA——A组分的摩尔分率。
29
基本概念
牛顿型流体：服从牛顿粘性定
律的流体，所有气体和大多数
塑型流体
液体属于牛顿型流体。
高分子熔体和溶液、表面活性 剂溶液、石油、食品以及含微 y
细颗粒较多的悬浮体、分散体、
乳浊液等流体在层流时并不服
从牛顿粘性定律，统称为非牛
顿流体。
（N/m2），方向：平行于作用面 凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 ( 如水、 空气等), 否则为非牛顿型流体。
23
2.流体的粘度
du
dy
物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力
粘度是流体的重要物理性质之一, 它是流体组成和状 态 ( 压力、温度) 的函数。
气体: f(T,p) 一般而言:f(T) T
1 流体流动
主要内容
1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程式 1.3 流体流动的基本方程 1.4 流体流动现象 1.5 流体在管内的流动阻力 1.6 管路计算 1.7 流量测量
2
本章要求
正确理解流体流动过程中的基本原理及流体在管 内的流动规律；
正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念； 重点掌握流体静力学基本方程式、连续性方程式 及柏努利方程式及其应用；
液体: f(T) T
24
2.流体的粘度
μ的单位:
1）SI制:
[][ ] PaP.sa
d/udy m .s1.m 1
2）工程制: 泊 (P); 厘泊 (cP 或 mPa.s)
Pdcym /n/csm2 dcym2ns
g cms
cm
关系:
1 c P 1 3 0 P.sa 1 2 0 P
运动粘度:
理想流体在管内的速度分布 粘性流体在管内的速度分布 2、流体流动的内摩擦力是流动阻力产生的依据。
21
1.牛顿粘性定律
F y 活动板
u
△y
△u 固定板
u＝0 x
F S u y
F S u
y
22
1.牛顿粘性定律 F S u
y F du 牛顿粘性定律
S dy
μ—粘度（粘滞系数，动力粘度）
τ—内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力，
lg m xilg i
其中： µm——液体混合物的粘度； µi——液体混合物组分的粘度；
xi——混合物组分的摩尔分数
27
3.理想流体
理想流体：粘度为零的流体； 粘性流体（实际流体）：粘度不为零的流体。 实际流体都具有粘性，引入理想流体的概念是为了 研究实际流体的需要。
28
第1章 流体流动
1.1 流体的物理性质 1.1.1 流体的密度 1.1.2 流体的粘度 1.1.3 非理想流体
11
第1章 流体流动
1.1 流体的物理性质 1.1.1 流体的密度
12
1.定义
单位体积流体的质量，称为流体的密度。
m
V
kg/m3
13
2.液体的密度
液体的密度: f(T)
混合液体的密度: 设定混合液体的体积= 分体积之和, 即:
VVAVB...
以 1 kg混合液体为基准，有
1 xWAxWB...
7
概述 2.流体的特征 流动性 无固定形状 受外力作用时内部发生相对运动
8
概述 3.流体的分类
可压缩性流体 不可压缩性流体
液体可视为不可压缩流体 气体在压力变化较小时视为不可压缩流体
9
概述
4.连续介质假定
z V
m V
m
P (x,y,z)
y
x
0
V0 V
VV0 随机波动 VV0
确定的极限值 10