流体流动
流体流动基本规律
ρ
We
=ρ
gZ2+
ρ u22 2
+
p2
+
ρ
∑h
f
（ Pa ）
1.3 流体流动旳基本方程
1牛顿流体所具有旳能量称为压头head，单位为m。 Z-----位压头Potential head； u2/2g----动压头dynamic head； p/ρg-----静压头hydrostatic head。 He = We /g -----由泵对单位重量流体提供旳能量， 外加压头或泵旳扬程 Hf=∑hf / g——损失旳能量或称损失压头Hf
1.3 流体流动旳基本方程
∵ Vs = u A=
π 4
d2u
√ ∴ d= 4 Vs =0.0997m=99.7mm πu
查表选择：外径=108 mm，壁厚=4 mm旳管子 d=108-4×2=100 mm
将内径d=100 mm代入上式得到实际流速u=1.49 m/s。
1.3 流体流动旳基本方程
1.3.2 稳定流动与非稳定流动 steady flow and unsteady flow
1.3 流体流动旳基本方程
√ u2 =
2Rg ( ρ -ρ ) 0
ρ[1（- dd21 ）4 ]
则体积流量
Vs =
π d22 4
u2 =
π 4
2
d2
质量流量ws =ρ Vs
2R g
(
ρ
0
-
ρ)
ρ [1-
(
d2 d1
)4
]
=
π 4
ρ
2
d2
2R g (ρ - ρ )
0
ρ
[1 -
(
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。
流体流动性的定义
流体流动性的定义流体流动性是指流体的性质，能够在容器内顺畅地运动和流动。
流体流动性属于动力学，通常与流体的压力、温度、物质的分布、密度等有关。
一般来说，流体越柔软，流动性就越好，因为这种属性可以使流体更容易在管道或容器内流动。
流体流动性是指物质在处于特定流体状态下的运动性能。
物料运动性受物质的性质、管道及容器的性质、物料流速及其强度、物料的温度及其变化率、物料的配置形态乃至同类物质在流体中的存在等多种因素的影响。
在特定的外力条件下，上述因素决定了流体的流动性。
从粘度的角度来看，流体越柔软，流动性就越好，而粘度则是决定流体流动性的重要指标之一。
粘度是描述一块物体一段时间内分层变形量的物理量。
当流体在管道内流动时，减小粘度就可以改善流体的流动性，尤其是对于高粘度的流体。
此外，流体中的悬浮物也会影响流体的流动性，因此如果流体中的悬浮物过高，其粘度会变得过大，从而影响流动性。
流体流动性还与流体的压力和温度有关，当压力降低或温度升高时，油粘度会降低，流动性也会提升。
此外，当流体温度较高时，流体中的汽化会对流动性产生影响。
流体流动性在许多工业生产过程中至关重要。
当流体处于低粘性状态时，在一定温度和压力下流体就可以保持一定的流动状态，从而可以实现各种物料的精准输送。
因此，企业在优化设备时都应该重视流体流动性，以提高设备的效率。
总之，流体流动性是指物质在处于特定流体状态下的运动性能，它是由物料的性质、管道及容器的性质、物料流速及其强度、物料的温度及其变化率、物料的配置形态、物料的粘度以及物料中悬浮物的存在而决定的，可以通过减少粘度和温度来改善流体流动性，是许多工业生产过程中不可缺少的重要因素。
流体流动
流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。
如气体和液体。
流体的特征：具有流动性。
即●抗剪和抗张的能力很小；●无固定形状，随容器的形状而变化；●在外力作用下其内部发生相对运动。
在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。
连续性的假设➢流体介质是由连续的质点组成的；➢质点运动过程的连续性。
流体的压缩性不可压缩流体：流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。
可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。
实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。
但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。
流体的几个物理性质1 密度单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为ρ——流体的密度，kg/m3；m——流体的质量，kg；v ——流体的体积，m3。
影响流体密度的因素：物性（组成）、T、P通常液体视为不可压缩流体，压力对密度的影响不大（可查手册）互溶性混合物的密度最好是用实验的方法测定，当体积混合后变化不大时，可用下式计算：式中α1、α2、…，αn ——液体混合物中各组分的质量分率；ρ1、ρ2、…，ρn——液体混合物中各组分的密度，kg/m3；ρm——液体混合物的平均密度，kg/m3。
当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：ρ＝M/22.4 kg/m3式中p ——气体的压力，kN/m2或kPa；T ——气体的绝对温度，K；M ——气体的分子量，kg/kmol；R ——通用气体常数，8.314kJ/kmol·K。
气体密度也可按下式计算上式中的ρ＝M/22.4 kg/m3为标准状态（即T0=273K及p=101.3kPa）下气体的密度。
在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。
气体混合物: 当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用上述公式计算气体的密度。
化工原理之流体流动概述
化工原理之流体流动概述引言流体流动是化工领域中至关重要的一部分，它涉及到许多的应用，比如管道输送、泵的设计、混合和分离等等。
在化工工程中，流体的流动特性对于工艺的操作和效率至关重要。
本文将简要介绍化工原理中流体流动的概念、分类、流动参数以及相关的实际应用。
流体的定义流体是指无固定形状和容积，可以流动的物质。
在化工领域中，常见的流体包括气体和液体。
与固体不同，流体具有较弱的分子间相互作用力，因此可以在容器内自由地流动。
流体流动的分类根据物质流动的性质，流体流动可以分为稳定流动和非稳定流动。
稳定流动是指流体在相同截面上的流速分布保持恒定，其特点是流速和流量均随位置不变。
非稳定流动则相反，流速和流量随位置而变化。
另外，流体流动还可以分为层流和湍流。
层流是指流体沿着平行层面流动，并且每一层内的流速分布保持均匀。
在层流中，不同层之间的流体不相互混合。
湍流则是指流体流动时出现的紊乱不规则的状态，流速分布不均匀且经常发生变化。
流体流动的参数对于流体流动的描述，常用的参数包括流速、流量、雷诺数和黏度等。
流速流速是指流体在单位时间内通过某一截面的体积。
流速可以通过体积流量和截面积之间的关系计算得出。
流量流量是指单位时间内通过某一截面的流体体积。
它可以通过以下公式计算：流量 = 流速 × 截面积雷诺数雷诺数是判断流体流动状态的重要参数，它描述了流体内部的分子相互作用和流体流动的惯性之间的比例关系。
当雷诺数小于临界值时，流体流动属于层流状态；当雷诺数大于临界值时，流体流动属于湍流状态。
黏度黏度是流体流动性质的重要指标，它表示流体内部分子之间黏附力的大小。
黏度越大，流体的粘稠度就越高，流动阻力也越大。
在化工工程中，黏度是设计和操作过程中需要考虑的一个重要参数。
流体流动的应用流体流动在化工工程中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：管道输送在化工领域中，流体常常需要从一个地方输送到另一个地方。
管道输送是一种常见的方法，通过合理地设计管道系统、选择适当的泵和控制流量，可以实现高效、稳定的流体输送。
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
化工原理流体流动
化工原理流体流动化工原理是化学工程领域的基础，其中包括了化工原理流体流动。
通过深入理解和掌握流体流动的原理，我们可以更好地设计、优化和控制化工流程的运行。
本文将介绍流体流动的基本概念、流体的运动方式、流场的描述和流体运动的控制等内容。
一、流体流动的基本概念流体是指能够流动的物质，包括了气体和液体。
流体流动是指流体在空间或管道中的运动过程。
在流体流动中，流体分子与周围分子不断碰撞，产生微小的能量转移和动量转移，从而引起流体的整体运动。
流体流动可分为定常流、非定常流和稳定流等几种类型。
其中，定常流指的是流动过程中各种物理量（如质量、能量、动量等）随时间不变的情况；非定常流则与定常流相反，各种物理量会随时间或空间变化；稳定流是指虽然物理量会随时间变化，但整个流动过程仍然是稳定的，即不出现突然的萎缩或涌流等现象。
流体流动过程中会出现速度、压力、密度等物理量的变化，这些变化可用流体力学方程式来描述和计算。
其中，质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律是描述流体流动的基本方程式。
二、流体的运动方式流体的运动方式包括了分子运动、分子间相互作用和运动量转移等几种。
在分子运动方面，气体分子之间距离较大，运动自由度高；而液体分子之间距离较近，分子运动更加有限。
流体的运动始终与分子相互作用有关。
在空气中，分子间间隔很大，因此分子之间的相互作用不太重要。
但在液体中，分子之间的相互作用较为紧密，从而导致液体的可压缩性低于气体。
在运动量转移方面，流体运动时会发生质量、能量和动量的转移。
其中，质量转移是指流体中的物质在空间中的传递过程，能量转移则是指流体在不同地点和不同形态之间转移热能，而动量转移则是指流体分子的运动量在不同地点之间的转移。
三、流场的描述流场是指流体的物理状态和运动状态。
在流动过程中，流体分子会产生不同的物理量变化，因此需要对流场进行描述。
在描述流场时，可使用不同的数学工具和方法。
其中，流线、等势线、流函数、速度势和压力势是比较常用的方法。
流体流动
流体流动规律是本课程的重要基础，因为： ①流体的输送 需要研究流体的流动规律以 便进行管路的设计、输送机械的选择及所 需功率的计算。 ②压强、流速及流量的测 量 为了了解和控制生产过程，需要对管路 或设备内的压强、流量及流速等一系列的 参数进行测量，而测量仪表的操作原理多 以流体的静止或流动规律为依据。 ③为强 化设备提供适宜的流动条件 化工生产中的 传热、传质过程都是在流体流动的情况下 进行的。
qm Au w u A A
由于气体的体积与温度、压力有关， 当温度、压力变化时，气体的体积流量 及流速亦随之改变，但其质量流量及质 量流速是不变的。
3.管道直径的估算：以d表示管道的内径
qv qv qv ∵ u 2 2 A 4d 0.785d
qv ∴ d 0.785u
上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。 但对于气体，若压强变化不大，密度可近似取平均 值而视为常数，则上式亦适用。
静止流体内部静压强仅与垂直位置有关，而与水 平位置无关。水越深压强越大，天空越高气压越低。
p= p0＋ρgh
①当p0 一定，任一点压力p∝ρ、h，∴在 同一液体内，同一水平面上的各点压力相等， 为等压面。等压面：静止的，连续的同种流 体内处于同一水平面上的各点压强处处相等。
1
m
i 1
n
wi
i
0.2 0.3 0.5 0.001236 700 760 900
m 809kg / m
3
（2）忽略混合时的体积效应，
m 700 0.2 760 0.3 900 0.5 m 818kg / m 3 V 1
三 、流体静力学基本方程式
测量气体时， ∵
0 0
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第一章．流体流动
1．计算空气在-40℃和310mmHg真空度下的密度和重度（用SI制和工程单位制表示）。
2．在大气压为760[毫米汞柱]的地区，某真空蒸馏塔塔顶真空表的读数为738[毫米汞柱]。
若在大气压为655[毫米汞柱]的地区使塔内绝对压力维持相同的数值，则真空度读数应为多少。
3．敞口容器底部有一层深0.52m的水，（ρ=1000kg/m3），其上为深3.46m的油（ρ=916kg/m3）。
求器底的压力，以Pa，atm及mH2O三种单位表示。
这个压力是绝压还是表压？
4．如附图所示，封闭的罐内存有密度为1000kg/m3的水，
水面上所装的压力表读数为42kPa。
又在水面以下装一
压力表，表中心线在测压口以上0.55m，其读数为58kPa。
求管内水面至下方测压口的距离。
5．图示的汽液直接接触混合式冷凝器，蒸汽被水冷凝
后冷凝液和水一道沿气压管流至地沟排出，现已知器内
真空度为0.85kgf/cm2，问其表压和绝压各为多少mmHg、
kgf/cm2和Pa？并估计气压管内的液柱高度H为多少米？（大气
压为752mmHg）
6．用一复式U管差压计测定水流管道A、B两点的压差，压差
计的指示液为汞，两段汞柱之间放的是水，今若测得h1=1.2m，
h2=1.3m，R1=0.9m，R2=0.95m，问管道中A、B两点间的压差
ΔP AB为多少？（先推导关系式，再进行数学运算）。
7．用双液体U管差压计测定两点间空气的压差，读数为320
mm。
由于侧壁上的两个小室不够大，致使小室内两液面产生
4mm的高差。
求实际的压差为多少Pa。
若计算时不考虑两小室
内液面有高差，会造成多大的误差？两液体的密度如附图所示。
8．硫酸流经由大小管组成的串联管路，硫酸相对密度为1.83，
体积流量为150 l/min，大小管尺寸分别为φ57x3.5mm和φ
76x4mm，试分别求硫酸在小管和大管中的（1）质量流量；（2）
平均流速；（3）质量流速。
9．如图在槽A中装有NaOH和NaCl的混合水溶液，现须将该溶液
放入反应槽B 中，阀C 和D 同时打开。
问如槽A 液面降至0.3m 需要
多少时间。
已知槽A 与槽B 的直径为2m ，管道尺寸为φ32x2.5mm ，溶液在管中的瞬时流速z u ∆=7.0 m/s ，式中△z 该瞬时两槽的液
面高差。
10．一高位槽向喷头供应液体，液体密度为1050kg/m 3。
为了达到所要求的喷洒条件，喷头入口处要维持0.4 atm （表
压）的压力。
液体在管路内的速度为2.2m/s ，管路损失估计为
25J/kg （从高位槽算至喷头入口为止）。
求高位槽内的液面至
少要在喷头入口以上几米。
11．从容器A 用泵B 将密度为890kg/m 3的液体
送入塔C 。
容器内与塔内的表压如附图所示。
输
送量为15kg/s 。
流体流经管路的机械能损耗为
122J/kg 。
求泵的有效功率。
12．图示一冷冻盐水的循环系统。
盐水的循环量为45[米
3/小时]。
流体流经管路的压头损失为：自A 至B 的一段
为9[米]，自B 至A 的一段为12[米]。
盐水的重度为
1100[千克(力)/米3]。
求：
（a ）泵的功率[千瓦]设其效率为0.65。
（b ）若A 处的压力表读数为1.5[千克(力)/厘米2]，
则B 处的压力表读数应为多少[千克(力)/厘米2]?
13．根据例1—9中所列的油在100mm 管内流动的速度分布表达式，在直角坐标上描出速度分布曲线（u 与r 的关系）与剪应力分布曲线（τ与r 的关系）。
14．一水平管由内径分别为33及47毫米的两段直管接成，水在小管内以2.5m/s 的速度流向大管，在接头两侧相距1m 的A 、B 两截面处各接一测压管，已知A-B 两截面间的压头损失为70mmH 2O
15．如图所示，水由高位水箱经管道从喷嘴流出，已知d 1=125mm ，d 2=100mm ，喷嘴d 3=75mm ，差压计读数R=80mm 汞柱，若忽略阻力损失，求H 和pa[表压Pa]。
16．某列管式换热器中共有250根换热管。
流经管内的总水量为144[吨/小时]，平均水温10℃，为了保证换热器的冷却效果，需使管内水流处于湍流状态，问对管径有何要求？
17．90℃的水流进内径20mm 的管内，问水的流速不超过那一数值时流动才一定为层流？若管内流动的是90℃的空气，则此一数值应为多少？
18．在内径为100mm 的钢管内输送一种溶液，流速为1.8m/s 。
溶液的密度为1100kg/m 3，粘度为2.1cP 。
求每100m 钢管的压力损失，又求压头损失。
若管由于腐蚀，其绝对粗糙度增至原来的10倍，求压力损失增大的百分率。
19．其它条件不变，若管内流速愈大，则湍动程度愈大，其摩擦损失应愈大。
然而，雷诺数增大时摩擦因数却变小，两者是否有矛盾？应如何解释？
20．有一供粗略估计的规则：湍流条件下，管长每等于管径的50倍，则压头损失约等于一个速度头。
试根据范宁公式论证其合理否。
21．已知钢管的价格与其直径的1.37次方成正比，现拟将一定体积流量的流体输送某一段距离，试对采用两根小直径管道输送和一根大直径管道输送两种方案，作如下比较：
（1）所需的设备费（两种方案管内流速相同）；
（2）若流体在大管中为层流，则改用上述两根小管后其克服管路阻力所消耗的功率将为大管的几倍？若管内均为湍流，则情况又将如何（λ按柏拉修斯公式计算？）
22．鼓风机将车间空气抽入截面为200mm x 300mm 、长155m 的风道内（粗糙度e=0.1mm ），然后排至大气中，体积流量为0.5m 3/s 。
大气压力为750mmHg ，温度为15℃。
求鼓风机的功率，设其效率为0.6。
23．在20℃下将苯液从贮槽中用泵送到反应器，经过长40m 的φ
钢管，管路上有两个90℃弯头，一个标准阀(按1/2开启计算)。
贮槽的液面以上12m 。
贮槽与大气相通，而反应器是在500kPa 要维持0.5 1/s 的体积流量，求泵所需的功率。
泵的效率取0.5。
24．一酸贮槽通过管道向其下方的反应器送酸，槽内液面在
管出口以上2.5m 。
管路由φ38 x 2.5mm 无缝钢管组成，全长(包括
管件的当量长度)为25m 。
粗糙度取为0.15mm 。
贮槽内及反应器
内均为大气压。
求每分钟可送酸多少m 3。
酸的密度ρ=1650kg/m 3，
粘度μ=12cP 。
25．30℃的空气从风机送出后流经—段直径200mm 长20m 的管，然后在并联的管内分成两股，两段并联管的直径均为150mm ，其一长40m ，另—长80m ；合拢后又流经一段直径200mm 长30m 的管，最后排到大气。
若空气在200mm 管内的流速为10m/s ，求在两段并联管内的流速各为多少，又求风机出口的空气压力为多少。
和吸收塔C中，器B内压力为0.5atm（表压），塔C
中真空度为0.1atm，总管为φ57 x 3.5mm，管长
（20+z A）m，通向器B的管路为φ25 x 2.5mm，长15m。
通向塔C的管路为φ25 x 2.5mm，长20m（以上管长
包括各种局部阻力的当量长度在内）。
管道皆为无缝钢
管，粗糙度可取为0.15mm。
如果要求向反应器供应
0.314kg/s的水，向吸收塔供应0.471kg/s水，问高位槽液面至少高于地面多少？
27．为测定空气流量，将毕托管插入直径为1米的空气管道中心，其压差大小用双液体微压计测定，指示液为氯苯（ρ=1106kg/m3）和水（ρ=1000kg/m3），空气温度为40℃，压力为101kPa，试求
（1）微压计读数为48mm时的空气质量流量kg/s；
（2）管道截面上相当于平均流速的测量点离管壁多深?
28．在φ160 x 5mm的空气管道上安装有一孔径为75mm的标准孔板，孔板前空气压力为0.12MPa，温度为25℃。
问当u型液柱差压计上指示的读数为145mmH2O时，流经管道
空气的质量为多少kg/h？。