化工原理第一章流体流动
化工原理—第一章流体流动
化工原理—第一章流体流动流体流动是化工工程中的重要内容之一，是指在一定的条件下，流体沿特定的路径进行移动的现象。
流体流动在化工工程中有着广泛的应用，例如在管道输送、搅拌、混合、分离等过程中都会涉及到流体的流动。
流体流动的研究内容主要包括流体的运动规律、流体的运动特性以及流体流动对设备和工艺的影响等方面。
在化工原理中，主要关注的是流体的运动规律和运动特性，以便更好地了解流体的性质和行为。
在理解流体流动性质前，首先需要了解流体分子的间隙结构。
一般来说，液体的分子之间距离较小，存在着较强的分子间吸引力，因此液体的分子有较强的凝聚力，可以形成一定的表面张力。
而气体的分子之间距离较大，分子间的相互作用力比较弱，因此气体的分子呈现无规则的运动状态。
流体流动有两种基本形式，即连续流动和非连续流动。
连续流动是指流体在管道或通道内以连续的形式流动，比较常见的有层流和湍流两种形式。
层流是指流体在管道中以层层相叠的方式流动，流速和流向都比较均匀，流线呈现平行或近似平行的形式。
层流特点是流动稳定，流速变化不大，并且流体分子之间相互滑动。
而湍流是指流体在管道中以旋转、交换和混合的方式流动，流速和流向变化较大，流线呈现随机分布的形式。
湍流特点是流动动荡，能量损失较大，并且流体分子之间会发生相互的碰撞。
流体流动的运动规律受到多种因素的影响，其中包括流体的黏度、密度、流速、管道尺寸、摩擦力等。
黏度是流体流动中的一个重要参数，它反映了流体内部分子之间相互作用的强度。
密度是流体流动中的另一个重要参数，它反映了单位体积内流体分子的数量。
流速是指流体单位时间内通过其中一横截面的体积。
流体流动对设备和工艺的影响也十分重要。
例如在管道输送过程中，流体的流速和流体动能的传递与损失会影响到输送效果和能耗；在搅拌过程中，流体的流动对传质和传热起着重要作用；在分离过程中，流体的流动会影响到分离设备的设计和操作。
因此，对流体流动的研究和掌握对于化工工程的设计和操作都具有重要意义。
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 流体流动
例1-10 20℃的水在内径为 50mm的管内流动,流速为 2m/s，是判断管内流体流动的 型态。
三.流体在圆管内的速度分布
(a)层流
(b)湍流
u umax / 2 u 0.82umax
hf
le
d
u2 2
三.管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 总摩擦阻力损失 =直管摩擦阻力损失+局部摩擦阻力损失
hf hf 直 hf局
l u2 ( le u2 z u2 )
d2 d 2
2
[
(
l
d
l
e
)
z
]
u2 2
管内流体流动的总摩擦阻力损失计算 直管管长 管件阀件当量长度法
hf
l
制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。 已知油品的密度为850 kg／m3。并铡得水 银压强计的读数R为150mm，同贮槽内的 液位 h等于多少?
（三）确定液封高度 h p ρg
H 2O
气体 压力 p(表压)
为了安全， 实际安装
水 的管子插入 液面的深度
h 比上式略低
第二节 流体流动中的基本方程式
截面突然变化的局部摩擦损失
突然扩大
突然缩小
A1 / A2 0
z (1 A1 )2
A2
z 0.5(1 A2 )2
A1
当流体从管路流入截面较 大的容器或气体从管路排 到大气中时z1.0
当流体从容器进入管的入 口，是自很大截面突然缩 小到很小的截面z=0.5
局部阻力系数法
hf
z
u2 2
化工原理 第一章 流体的流动现象
/
m3
m0kg0s0
2019/8/3
4、流动形态的判别方法 大量的实验结果表明，流体在直管内流动时：
（1）当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； （2）当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流 区； （3）当2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可 能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过 渡区。
2019/8/3
【例】20℃的水在内径为50mm的管内流动，流速为 2m/s，试分别用SI制和CGS制计算Re数的数值。
注意：在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位 必须统一。
【解】（1）用SI制计算：从附录五查得20℃时：
ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，
已知：管径d=0.05m，流速u=2m/s，
2019/8/3
【剪应力】 【定义】单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表 示，单位为Pa。
前式可改变为： du
dy
【结论】 流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度 梯度成正比。
2019/8/3
（6）牛顿型流体非牛顿型流体
【牛顿型流体】剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体，包括所有气体和大多数液体； 【非牛顿型流体】不符合牛顿粘性定律的流体，如 高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。
2019/8/3
飞机的“隐形杀手”－晴空湍流
1999年10月17日中午一架由昆明飞往香港的南方 航空公司的班机在香港上空突然遇到一股强大气流 ，在5至10秒内飞机急坠2000英尺，导致45人撞向机 舱顶部受伤。导致这场飞行事故的“罪魁祸首” 就 是人称飞机的“隐形杀手”－晴空湍流。
一般来说，飞机在穿越云层或遇到强大气流时， 会出现颠簸。在万里晴空中，有时也会像平静的海 面下藏有汹涌的暗流一样，偶尔会出现强烈的扰动 气流，使飞机产生剧烈颤簸，航空气象专家称这种 来无影去无踪的气流为晴空湍流。
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
化工原理第一章
PV P V 0 T T
0
0
0
P
m
P
0
m
0
T0
T
0
T p 0 T p
10
化工生产中常遇到各种气体或液体混合物，在无实测 数据时，可用些近似公式进行估算 7. 液体混合物的密度 m : 假设混合液体为理想溶液， 以1kg混合物为基准，则1kg混合物的体积等于各组分 单独存在时体积之和，
28
（3）若液面上方所受压强p0 变化时，p将随之同步 增减，即液面上方所受压强能以同样大小传递到液 体内部的任一点上(巴斯噶原理)。 （4）若各项除以g，则方程变为
p p0 z1 z2 h g
此式说明，压强差(或压强)的大小可以用一定 高度h的流体柱来表示。
29
（5） 在工程上，也常以下列形式出现：
6
1–1–1 质量力与密度
1. 流体的密度 : 单位体积流体所具有的质量称为 流体的密度，其表示式为 m V 式中 m----- 流体的质量 ，kg； V---- 流体的体积， m3； ----流体的密度, kg ／m3 2、流体的比容：单位质量流体所具有的体积 。 单位 m3／kg，在数值上等于密度的倒数
1
第一章 流体流动
2
3
一、流体： 气体和液体具有流动性，且可以几乎毫无 阻力的分割，故统称为流体。
二、流体质点(微团)： 由大量分子构成的流体集团(或称流体微 团)，其大小与容器或管道的尺寸相比是微不 足道的，但比起分子平均自由程则要大得多。
4
三、流体的连续介质模型:
流体是由许多离散的即彼此间有一定间隙的、 作随机热运动的单个分子构成的。但从工程实际 出发讨论流体流动问题时，常把流体当作无数流 体质点组成的、完全充满所占空间的连续介质， 流体质点之间不存在间隙，因而质点的性质是连 续变化的。
化工原理第一章_流体流动
非标准状态下气体的密度： 混合气体的密度，可用平均摩尔质量Mm代替M。 式中yi ---各组分的摩尔分数（体积分数或压强分数）
比体积
• 单位质量流体的体积称为流体的比体积，用v表示， 单位：m3/kg
• v=V/m=1/ρ
5 流体的压强及其特性
垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简 称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上将压强 称之为压力。
R
a
b
0
2. 倒置 U 型管压差计
用于测量液体的压差，指示剂密度 0 小于被测液体密度 ， U 型管内位于同 一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一 静止流体内，两点处静压强相等
p1 p2 R 0 g
由指示液高度差 R 计算压差
若 >>0
p1 p2 Rg
0
a
b
R
p1 p2
3. 微差压差计
p1 p2 R 01 02 g
对一定的压差 p，R 值的大小与 所用的指示剂密度有关，密度差越小， R 值就越大，读数精度也越高。
p1 p2
02
a
b
01
4. 液封高度
液封在化工生产中被广泛应用：通过液封装置的液柱高度 ， 控制器内压力不变或者防止气体泄漏。
为了控制器内气体压力不超过给定的数值，常常使用安全液 封装置（或称水封装置），其目的是确保设备的安全，若气体压 力超过给定值，气体则从液封装置排出。
传递定律（巴斯葛原理）：当液面上方有变化时，必 将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。
液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。
静力学基本方程式的应用
1.普通 U 型管压差计
U 型管内位于同一水平面上 的 a、b 两点在相连通的同一静 止流体内，两点处静压强相等
化工原理——流体流动
第一章 流体流动知识目标:本章要求熟悉流体主要物性(密度， 黏度)数据的求取及影响因素， 压强的定义、表示方法、单位及单位换算，连续性和稳定性的概念，管内流体速度分布，流体的流动类型， 雷诺准数及其计算。
理解流体在管内流动时产生阻力损失的原因，测速管、孔板流量计、转子流量计的基本结构， 测量原理及使用要求。
掌握静力学方程， 连续性方程，柏努利方程， 管路阻力计算公式，简单管路的计算方法。
了解湍流时的流速分布， 复杂管路计算。
能力目标:通过对本章的学习，学会能应用静力学原理和动力学原理处理工程过程的设计型计算和操作型计算。
气体和液体通称为流体，原来是固体的物料，有时也可以做成溶液以便于输送或处理。
流体具有流动性，其形状随容器的形状而变化，一般将液体视为不可压缩性流体，与此相反，气体的压缩性很强，受热时体积膨胀很大，因此将气体视为可压缩的流体。
流体流动是化工生产过程中是普遍的现象，研究流体流动的目的是要能解决以下几个工程问题：（1）流体的输送、输送管路的设计与所需功率的计算、输送设备的选型与操作；2）流速、流量的计算，系统中的压强或压强差的测量，设备液位及液封高度的确定；（3）根据流体流动规律减少输送能耗，强化化工设备中传热、传质过程等。
工程上研究流体流动的方法是：只研究流体的宏观运动，不考虑流体分子间的微观运动，也就是说，将流体视为有许多分子组成的“微团”，又把“微团”称作质点，质点的大小与它所处的空间相比是微不足道的，但比分子运动的自由程度要大得多。
在流体的内部各个质点相互紧挨着，他们之间没有任何空隙而成为连续体。
因此将流体视为有无数质点组成的其间无任何空隙的连续介质，即所谓的连续性假定。
第一节 流体静力学流体静力学是研究流体在外力作用下处于静止或相对静止状态下的规律，本节讨论静止流体在重力场中内部的压力变化规律，在讨论此规律之前，先对与此有关的物理量做些说明。
一、密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表示式为mv ρ=（1－1）式中： m —— 流体的质量，kg ； v —— 流体的体积，m 3。
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2）当液面上方的压强 p0 改变时，液体内部各点的 压强 p 也发生同样大小的改变（巴斯葛原理）。
3）式 p = p0 + gh 可该写为：(p－p0)/g = h，说明
压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必须 标明是何种液体液柱。
例题:1.判断下面各式是否成立 PA=PA′ PB=PB′ PC=PC′
真空度=大气压-绝对压 =101330 - 5300 =96030[Pa]
二、流体的密度与比体积
1.定义：单位体积流体所具有的质量，kg/m3。
lim
m
V 0 V
2.求取： (1)液体： 一般可在物理化学手册或有关资料中查
得，教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度。
(2)气体 —为可压缩性的流体，通常（压力不太高， 温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体 状态方程处理
Pa- Pb= R g ( 汞 - 水 )
= 0.19.81(13600 -1000)
= 1.24 103 Pa
2.液位的测量
1
2
h
1-容器
2-平衡的小室
3-U管差压计
R
3 A-指示剂
A
h A R
3.液封高度的计算
化工生产中一些设备需要液封，液封高度的 确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的。
ρ=MP/RT
ρ=ρ0T0P/TP0
（3）混合物密度
气体
ρm=MmP/RT Mm=y1M1+y2M2+…ymMm
液体混合物密度
ρ 1m=ρ w 11+ρ w 22+…+ρ w n n
w — 质量分率
应用条件： 混合物体积等于各组分单独存在时的体积之和。
3、比体积
单位质量的流体所具有的体积。
v=V/m=1/ρ
2.细管液面高度 h
油 H1
水
H2
C C'
A h A'
1 = 800kg/m3 2 =1000kg/m3
H1= 0.7m
B B' H2= 0.6m
3.当细管水位下降到多高时,槽内水将放净?
解:利用等压面原理求解
油 H1
C C' A A'
水
H2 B
B'
1. PA=PA’ PB=PB’
2. 2 g h+p0= 1 gH1+ 2 gH2+p0 h=H2+H1ρ1/ρ2 h=1.16m
化工原理第一章流体流动
要求：
1.掌握流体静力学基本方程式及应用； 2.掌握连续性方程及应用； 3.掌握柏努利方程式及应用； 4.掌握流动阻力的计算； 5.掌握管路计算。
重点：
1.柏努利方程式及应用； 2.流动阻力的计算； 3.管路计算。
流体：液体和气体统称为流体。
可压缩性流体— 气体 不可压缩性流体— 液体
3. 2 g h’= 1 gH1 h’=0.56m
四、流体静力学基本方程式的应用
1.压强与压强差的测量
测量压强的仪表种类很多，其中以流体静力 学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计， 它可测量流体的压强或压强差，其中较典型的有 下述两种。
1.U型管压差计
P1 P2
H
R A A'
'
A-A’为等压面 PA=PA’ PA= P1+ g ( H+R ) PA’=P2+ 0 g R+ gH P1 - P2= R g (0- ) 如测量气体 0 P1 - P2= R g 0
例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数 为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知 兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。
解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据 兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。
绝对压=大气压 - 真空度 = 85300 – 80000 = 5300[Pa]
P1-P2=（a- c）Rg
A
例1-4：常温水在管道中流动，用双U型管测两
点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计
算两处压力差如图：
2
1'' 1 1'
2'
R
x
ab
P1= P1’
P2= P2’
Pa= P1’+水 g x
P1’= 汞 g R+ P2
Pb = 水 g x +水 g R + P2’
3.表示方法
绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，是 流体的真实压强；以绝对真空为基准 表压强：绝对压强比大气压强高出的数值；以 当时当地压力为基准 真空度：绝对压强低于大气压强的数值。
绝对压
表压 真空度 绝压（余压）
实测压力
大气压 实测压力
绝对零压
表压＝绝对压-大气压 真空度＝大气压 - 绝对压
第一节 流体静力学
研究外力作用下的平衡规律
一、流体的压力
1.定义： 流体垂直作用于单位面积上的力。
2.单位：
lim P
p A0 A
Pa（帕斯卡，SI制）, atm（标准大气压）, 某流体柱高度, kgf/cm2(工程大气压) , bar（巴）等
其之间换算关系为：
1 atm = 760 mmHg = 1.0133×105 Pa = 1.033 kgf/cm2 = 10.33 mH2O = 1.0133 bar
三、 流体静力学基本方程式
1.内容
描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数 学表达式。
流体静力学基本方程式的推导（自学）
p1
gz1
p2
gz2
p2 p1 g z1 z2
p p0 gh
使用条件：
静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。
由流体静力学基本方程式可得到以下结论：
1）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任 一点压强 p 的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面 的深度 h 有关。因此，在静止的、连续的同一液体 内，处于同一水平面上各点的压强都相等。
倒U型管压差计？ P15
U管压差计 指示液要与被测流体不互溶，不起化学反
应，且其密度应大于被测流体。
2.倾斜液柱压差计
R1
R
R1=R/sin R= R1 sin
3. 微差压差计— 放大读数p1p2C R
特点： （1）内装两种密度相近 且不互溶的指示剂； （2）U型管两臂各装扩 大室（水库）。
在研究流体流动时，通常将流体视为由无数分子集 团所组成的连续介质，每个分子集团称为质点。
流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中 具有一定的规律性，这些规律对化工生产具有一定 的指导作用，具体表现在以下几个方面：
（1）流体的输送 管径的确定、输送设备的负荷； （2）压强、流速和流量的测量 为仪表测量提供依据； （3）为强化设备提供适宜的流动条件 设备的操作效率 与流体流动状况有密切关系。