化工原理-第1章
化工原理第一章第二节
第一章流体流动第一章流体流动第三节流体流动的基本方程一、流量与流速二、稳态流动与非稳态流动三、连续性方程式四、柏努利方程式五、柏努利方程式的应用1.3.1 流量与流速1、流量流量: 单位时间内流过管道任一截面的流体量。
体积流量V S:若流量用体积来计量，单位为：m 3/s 质量流量W S:若流量用质量来计量，单位：kg/s 。
体积流量和质量流量的关系是：ρS S V W =2、流速流速u : 单位时间内流体在流动方向上流过的距离,单位为：m/s数学表达式为：AV u S =流量与流速的关系为：uAV S=ρuA W S =对于圆形管道，24dA π=24d V u S π=uV d S π4=——管道直径的计算式质量流速：单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量用G 表示，单位为kg/(m 2.s)。
数学表达式为：A W G s =AV S ρ=ρu = 1.3.2 稳态流动与非稳态流动稳定流动：描述流动的物理量与时间无关的流动稳定流动u =f (x ，y ，z )非稳定流动u =f (x ，y ，z ，θ )1.3.2 稳态流动与非稳态流动流动系统稳态流动流动系统中流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变非稳态流动上述物理量不仅随位置而且随时间变化的流动。
1.3.3 连续性方程在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算衡算范围：取管内壁截面1-1’与截面2-2’间的管段。
衡算基准：1s对于连续稳定系统：21SSWW=ρuAWs=222111ρρAuAu=如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：常数=====ρρρuAAuAuWS L222111若流体为不可压缩流体常数======uAAuAuWV SS L2211ρ——一维稳定流动的连续性方程对于圆形管道，22221144duduππ=21221⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=∴dduu表明：当体积流量VS一定时，管内流体的流速与管道直径的平方成反比。
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(1)
本门课程主要讨论的内容
1、研究遵循流体动力学基本规律的单元操 作，包括流体流动、流体输送、流体通过 颗粒层的流动。 2、研究遵循热量传递基本规律的单元操 作，包括加热、冷却、冷凝。 3、研究遵循质量传递基本规律的单元操 作，包括蒸馏、吸收、萃取。 4、研究同时遵循热质传递规律的单元操 作，包括气体的增湿与减湿、干燥。
21
p1 表压 当地大气压 p2 真空度 绝对压强 绝对真空 压强的基准和度量
22
绝对压强
1-2-3流体静力学基本方程式 ——研究流体柱内压强沿高度变化的规律
1、推导 在垂直方向上，力的平衡：
p2=p1+ρg（Z1−Z2）
p2A=p1A+W=p1A+ρgA（Z1−Z2）
若Z1面在水平面上
p2=p0+ρgh
p1 = p A + ρgh1
p2 = p B + ρg (h2 − R) + ρ I gR
( p A + ρgz A ) − ( p B − ρgz B ) = Rg ( ρ i − ρ )
(℘ A − ℘B ) = Rg ( ρ i − ρ )
U形压差计直接测得的读数R不是 真正的压差，而是虚拟压强差。
PM m ρm = RT
体积分率表示
yA、yB…yn—气体混合物中各组分的体积分率。
或
M m = M A y A + M B y B + LL + M n y n
19
1-2-2 流体的静压强
1、 静压强 定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。
P p = A
2、压强的单位 （1）直接按压强定义：N/m2，Pa（帕斯卡） （2）间接按流体柱高度表示：m H2O柱，mm Hg柱 （3）以大气压作为计量单位：标准大气压(atm)， 工程大气压（at）kgf/cm2
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
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湍 流 的 实 验 现 象
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（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
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【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(
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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
dp gdz 0
dp
g dz 0
设流体不可压缩，即密度ρ 与压力无关，可将上式积 分得：
p
gz 常数
对于静止流体中任意两点1和2，如图1-7所示：
p1
或
gz1
p2
gz2
p2 p1 g ( z1 z2 ) p1 gh
（1）位能
在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为 液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相
当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的 功。
单位质量流体所具有的位能gz
[ gz ] m m m Nm m=Kg 2 = =J/Kg 2 s s Kg Kg
（2）动能
避免混淆，p=0.5atm(表压
或真空度)。
PB,绝
1.2.4压强的测量
两类: 利用机械原理制成的；应用流体静力学原理
设计的。 (1)简单测压管
pa R A 1• ..
p１=pa+ρ gR
１点表压：p１-pa=ρ gR
装置简单，只适用于测高于大气压的液体，不 适合测气体，且p１很大，R很高，不方便。
欧拉平衡方程 左边表示单位质量流体所受的力
若将该微元流体移动dl距离，此距离对x,y,z轴的分量 为dx、dy、dz，将上列方程组分别乘以dx、dy、dz并
相加得：
1 p p p ( dx dy dz ) ( Xdx Ydy ２=(ρ 0-ρ )gR
(4)倒U形管压差计 A—空气 B—被测液 pa=p1-ρ Bg(R+m) pa, =p2-ρ Bgm-ρ 空gR 因 pa= pa, 故 p1-ρ Bg(R+m)=p2-ρ Bgm-ρ p1-p2=(ρ B-ρ 空)gR =ρ BgR
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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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
•牛顿运动定律：
yx d ( ux )
3 dy d ( ux ) du x du x dy dy dy
dux dy
•傅里叶定律：
q
d ( c pT )
3 dy
d ( c pT ) dy
m V
理想气体密度
[kg/m 3 ]
MP RT
可压缩性流体：气体
f ( P, T )
混合气体密度
不可压缩性流体：液体
M mP M m M i xi RT
流体的黏性
黏性反映流体流动性大小，粘度愈大，反抗流体变形的力愈 大，流动性愈差，反之亦反。 流体黏度随温度而变，对于液体，温度升高，粘度减小，流 动性增强；对于气体，温度升高，粘度增大，流动性变差。
扩散现象与现象方程 动量扩散与牛顿粘性定律 热量扩散与傅立叶热传导定律 质量扩散与费克定律
欧姆定律：
U I R
通式：
传输推动力 传输速率 传输阻力
dI dU dA dl
欧姆定律微分形式：
［扩散通量］＝－［系数］· ［扩散推动力］ ——唯象方程(Phenomenological equation)
g—cm—s：
du dy
dyn/cm2 dyn s P(泊) 2 cm/s cm cm
1P 100cP( 厘泊)
1Pa s 10 P 1000cP
导热系数k－反映物体导热能力大小的物理量
导热系数单位： W/(m K) k=f(组成，结构，温度，压力)
dT dT c p k dy dy
dT q k dy
•费克定律：
JA
d ( wA )
3 dy
DAB
d ( wA ) dwA dcA DAB D dy dy dy
dcA J A D dy
• 剪切应力
内摩擦力，反抗变形，阻止速度差进一步加大。
cAM
3
y
cA
3
u x ( y)
ux
du x u x dy
λ λ
x
• 动量变化
d ( u x ) du x u x u x 3 3 dy dy
准数特点
• 无因次 • 其值不因自变量单位而异
其他形式
Re
du
dG
du
流动边界层
层流与湍流可共存于同一流动体系：管中心部位充分 湍动，管壁一薄层流体被管壁粘附处于层流-层流底层
uo
Xo
d
圆管入口处的流动边界层发展
uo
y
uo
u(x,y) x
平板上的流动边界层发展
扩散现象与扩散定律
流体的黏度用μ表示，其国际单位是Pa· S
理想流体和非理想流体
理想流体：μ=0，极易流动，极易变形，流动无阻力 实际流体：μ＞0，不易流动，反抗变形，流动有阻力
流体静压力
• 静压力定义 • 压力基准 • 两个基准： 零压基准：绝压 大气压基准：表压 • 压力单位及换算 1atm=101325N/m2=760mmHg=10.33mH2O 1at=1kgf/cm2=9.81×104N/m2=10mH2O 1mmHg=133.32N/m2 1mmH2O=9.81N/m2
y
u x ( y)
ux
dux u x dy
y
T ( y)
λ λ
λ λ
T
dT T dy
x
x
动量扩散示意图
y
wA ( y )
热量扩散示意图
wA
dwA wA dy
x
质量扩散示意图
两种运动：宏观运动ux，微观运动νλ 分子交换： 3 1 c A 3 (两点说明) 质量交换：
• 热焓变化
dT d ( c pT ) c p T T 3 3 dy dy
• A组分浓度变化
dwA d ( wA ) wA wA 3 3 dy dy