1_流体力学及传热学基础知识
化工原理知识点总结
化工原理知识点总结1. 流体力学- 流体静力学：压力的概念、流体静力学平衡、马里奥特原理、流体静压力的测量。
- 流体动力学：连续性方程、伯努利方程、动量守恒、流动类型（层流与湍流）、雷诺数。
- 管道流动：管道摩擦损失、达西-韦斯巴赫方程、摩擦因子的确定、管道网络分析。
2. 传热学- 热传导：傅里叶定律、导热系数、热阻、稳态与非稳态导热。
- 对流热传递：对流热流密度、牛顿冷却定律、对流给热系数。
- 辐射传热：斯特藩-玻尔兹曼定律、黑体辐射、角系数、有效辐射面积。
- 热交换器：热交换器类型、效能-NTU方法、传热强化技术。
3. 物质分离- 蒸馏：基本原理、平衡曲线、麦卡布-锡尔比法、塔板理论、塔内设备。
- 萃取：液-液萃取、固-液萃取、溶剂萃取、萃取平衡、萃取过程设计。
- 过滤与沉降：沉降原理、过滤操作、离心分离、膜分离技术。
- 色谱与电泳：色谱原理、色谱柱、电泳分离、毛细管电泳。
4. 化学反应工程- 化学反应动力学：反应速率、速率方程、活化能、催化剂。
- 反应器设计：批式反应器、半连续反应器、连续搅拌槽式反应器（CSTR）、管式反应器。
- 反应器分析：稳态操作、非稳态操作、反应器的稳定性分析。
- 催化反应工程：催化剂特性、催化剂制备、催化剂失活与再生。
5. 质量传递- 扩散现象：菲克定律、扩散系数、分子扩散与对流扩散。
- 质量传递原理：质量守恒、质量传递微分方程、边界条件。
- 吸收与解吸：气液平衡、吸收塔操作、解吸过程。
- 干燥过程：湿空气系统、干燥过程分析、干燥器设计。
6. 过程控制- 控制系统基础：控制系统组成、开环与闭环系统、控制器类型。
- 控制器设计：PID控制器、串级控制系统、比值控制系统。
- 过程动态分析：拉普拉斯变换、传递函数、系统稳定性分析。
- 先进控制策略：模糊控制、自适应控制、预测控制。
7. 化工热力学- 热力学第一定律：能量守恒、热力学过程、热力学循环。
- 热力学第二定律：熵的概念、熵增原理、卡诺循环。
工程热力学和传热学和流体力学初级
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2.状态参数分类
强度量 尺度量
压力、温度 比容、热力学能（内能）、焓、熵
基本参数 导出参数
压力、温度、比容 热力学能（内能） 、焓、熵
（√）状态参数的变化只与系统的初、终状态有关，而与变 化途径无关。 （×）功也是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。 （×）热量是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。
热量多于定容过程吸收热量。
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第四节 混合气体
工程实际应用的气体通常是混合气体，如空气、 烟气等等。混合气体的性质取决于各组分气体的成 份及热力性质。
混合物的性质与各种混合物的性质以及各组元在整个 混合物中所占的份额有关。
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一、混合气体分压力和道尔顿分压力定律
分压力是各组成气体在混合气体的温度下单独 占据混合气体的容积时所呈现的压力。
p1v1 p2v2
p1V1 p2V2
2.查理斯定律
对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压
力与绝对温度成反比。
p1 p2 T1 T2
3.给•吕萨克定律
对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压
力与绝对温度成反比。V1 V2 或 v1 v2
T1 T2 T1 T2
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4.理想气体状态方程的另外一种表示
（√）一切热力系统连同 与之相互作用的外界可 以抽象为孤立系统。
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第二节 工质及基本状态参数
一、工质(working substance; working medium)
1.定义：实现热能和机械能相互转化，或 传递热能的媒介物质
例如：
电站锅炉的水蒸气 燃烧形成的烟气 气缸中的燃气
流体力学与传热学-1
2、连续介质假设（1753年欧拉）
假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连续不断的流体质点所构 成的一种绝无间隙的连续介质。 流体状态的宏观物理量如速度、压强、密度、温度等都可以作为空间和 时间的连续函数
§1.4 流体的主要物理性质
1、流体的密度与重度
密度： 单位体积内流体的质量
lim
流体之间或流体与固体之间的相互作用力；
流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。
2、流体力学的发展简况 1、经验阶段（十七世纪前）
大禹治水 4000多年前的大禹治水 古代已有大规模的治河工程。 (公元前256～210年) 秦代，修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程对明槽水流和堰 流流动规律的认识已经达到相当水平。 (公元前156～前87） 西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠 创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防 止了黄土的塌方。 真州船闸（960-1126） 北宋时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船相 比,约早三百多年。
两层气体之间的黏性力主要由分子动量交换形成
一般仅随温度变化，液体温度升高黏度减小，气体温度升高黏度增大。
8) 黏性流体和理想流体
黏性流体 实际中的流体都具有粘性，因为都是由分子组成，都存在分子间的 引力和分子的热运动，故都具有黏性。 理想流体（假想没有黏性的流体） 一些情况下基本上符合粘性不大的实际流体的运动规律，可用来描 述实际流体的运动规律，如空气绕流圆柱体时，边界层以外的势流就可 以用理想流体的理论进行描述。 还由于一些黏性流体力学的问题往往是根据理想流体力学的理论进 行分析和研究的。 再者，在有些问题中流体的黏性显示不出来，如均匀流动、流体静 止状态，这时实际流体可以看成理想流体。
流体力学基本知识
牛顿试验研究提出与粘滞性有关的内摩擦 定律为
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பைடு நூலகம்
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四、计量单位
1、国际单位
1）基本单位：长度、质量、时间、热力
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3、沿程损失和局部损失 1）沿程损失
流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量
称为沿程损失。沿程阻力损失与长度、粗糙 度及流速的平方成正比，而与管径成反比， 通常采用达西一维斯巴赫公式计算：
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2）局部损失 流体运动过程中，通过断面变化处、转向 处、分支或其他使流体流动情况改变时，
阻力损失值视流体的流行形态而 不同，因此计算流体的阻力损
失．应了解水流的形态。
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在一一端、装有流阀体门的的流长玻动璃形态
管放色中水水流充，流种体满 并 ，不在水 由 则同， 小 可流的稍 管 见动流开 注 管中动启 入 内，阀有颜形由门颜色态于—流—速层不流同和而紊呈流现。出两
传递的能量，是物体间（内）通过分子 运动相传递的能量。给物体加热，实
际就是增加使物体分子运动的能量，物 体的温度就将升高，反之使物体散热减 小分子运动的能量，物体温度降低。
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3、温度
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4、热膨胀
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1.1流体力学基本知识
Z1 , Z 2 位置水头, 单位重量液体的位能 ; P P2 1 ， 压强水头; g g
2 1v12 2 v2
， 流速水头； 2g 2g
hw1 2 过流断面 1 - 2的水头损失；
动能修正系数。
总水头线
P αv2 Z ρg 2 g
:各端面上的总水头顶点连成的一条线
实验条件：液面高度恒定 水温恒定
雷诺实验
当水流速较低时
明晰的细小着色流束
不与周围的水混合 管内的整个流场呈一簇互相平行的流线
层流
雷诺实验
水的流速逐渐增大
开始时着色流束仍呈清晰的细线。 流速增大到一定数值，着色流束开始振荡，处于不稳定状态。
过渡流
雷诺实验
水的流速增大到一定数值
hl ,12 hf hj
1.5.2流动的两种型态——层流和紊流 实际流体的运动存在有两种不同的状态，即层流和紊流。
判断流动状态，雷诺用雷诺数Re来判别，对于圆形管道
Re
vd
1.5.2 粘性流体的两种流动状态
雷诺实验
1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对粘性流体进行实验 ，提出了流体运动存在两种型态：层流和紊流。
p=P'-Pa
相对压强为负值时，流体处于低压状态，通常用真空度(或真空 压强)来度量流体的真空程度。用pk表示，即
pk=Pa-P'=- p
真空度实际上等于负的相对压强的绝对值，有时也称为“负压 ”。某点的真空度愈大，说明它的绝对压强越小。真空度达到 最大值时，绝对压强为零，处于完全真空状态；真空度的最小 值为零,即绝对压强等于当地大气压强。真空度在0～98KN/m2 的范围内变动。 1.2.4压强的测量 ⒈液柱测压计 ⒉压力表和真空表
流体力学与传热学详解
Q Q1 Q2 Q3
hw1 hw2 hw3
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5. 管路特性曲线
泵
风机
所谓管路特性曲线，就是管路中通过的 流量与所需要消耗的能头之间的关系曲线
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减小流动损失的措施 1. 减小管长、增大直径、降低粗糙度； 2. 减少附加管件、平滑过渡、弯头导流； 3. 管路特性与驱动机械内特性相匹配。
tw1 tw,n1 1 n 1 ln di1
2L i1 i di
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2.对流换热
基本概念 热对流——流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相 对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。 对流的形式 自然对流：因流体的密度差而引起的流动； 强制对流：流体的流动是由水泵、风机或其他外力 所引起的； 对流换热——流体流过物体表面时的热量传递过程；
1
2
3
i1 i
通过n层平壁的热流密度：
q
tw1
tw,n1
n i
tw1
tw,n1 Ri
i1 i
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1.稳态导热
圆筒壁的稳态导热
单层圆筒壁的稳态导热： 对于长度为L、无内热源的内、外
径分别为d1、d2的单层圆筒壁，若 其内、外壁温度为tw1和tw2，导热
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（3）k/de，k=0.15mm
k 5.62 104 de
（4）λ Re = 1.7×105 在湍流过渡区
用希弗林松公式
0.11 k
68
0.25
d Re
（5）R
Rp l de 8.31
λ=0.0194
（6）Δp
1_流体力学与传热学
P p lim A
A 0
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第二节 流体静力学
一、流体静压强及其特性
P Z dA n
流体静压强的方向与受 压面垂直并指向受压面
Y X 0
作用于同一点上各方 向的静压强大小相等
流体静 压强的 特性
第二节 流体静力学
二、流体静压强的分布规律
分析静止液体中压强分布 作用于轴向的外力有：
可忽略。 2、气体有显著的压缩性和膨胀性，t与P的变化对v 影响很大。 3、当气体的温度不过低压强不过高时，T、P、v三
者关系服从理想气体状态方程。
第二节 流体静力学
目的：学习和讨论流体静止状态下 的力学规律及其应用
流体静止时的特点：
不显示其粘滞性，不存在切相应力
流体静止是运动中的一种特殊状态
流体静力学研究的中心问题：
流体静压强的分布规律
第二节 流体静力学
一、流体静压强及其特性
静水压力与静水压强
静止液体作用在与之接触的表面上的水压力称为 静水压力P.
在静水中表面积为A的水体，微小面积△A所受作 用力△P， P P 该微小面积上的平均压强为 A 当△A无限缩小至趋于点K时，K点的静水压强
p1
2
2
图2-5
圆管中有压流动的总水头线与测压管水头线
第四节 流动阻力和水头损失
能量损失的计算
沿程损失
hf
l v2 d 2g
沿管长 均匀发 生
局部损失
局部障 碍引起 的
hm
v2 2g
整个管路的能量损失等于：
各管段的沿程损失和局部 损失之和
第五节 流动阻力和水头损失
整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和局部损失之和.
第三部分流体力学、传热学知识
第三部分流体⼒学、传热学知识第三部分—流体⼒学、传热学知识⼀、单项选择题1、在⽔⼒学中，单位质量⼒是指（C）□A.单位⾯积液体受到的质量⼒；□B.单位体积液体受到的质量⼒；□C.单位质量液体受到的质量⼒；□D.单位重量液体受到的质量⼒。
2、液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为( B ) □A.1 kN/m2 □B.2 kN/m2 □C.5 kN/m2 □D.10 kN/m23、有压管道的管径d与管流⽔⼒半径的⽐值d /R=（B）□A.8 □B.4 □C.2 □D.1 4、已知液体流动的沿程⽔⼒摩擦系数与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于( C )□A.层流区□B.紊流光滑区□C.紊流过渡粗糙区□D.紊流粗糙区5、现有以下⼏种措施：①对燃烧煤时产⽣的尾⽓进⾏除硫处理；②少⽤原煤做燃料；③燃煤时⿎⼊⾜量空⽓；④开发清洁能源。
其中能减少酸⾬产⽣的措施是（C）□A.①②③□B.②③④□C.①②④□D.①③④6、“能源分类相关图”如下图所⽰，下列四组能源选项中，全部符合图中阴影部分的能源是（C）□A.煤炭、⽯油、潮汐能□B.⽔能、⽣物能、天然⽓□C.太阳能、风能、沼⽓□D.地热能、海洋能、核能7、热量传递的⽅式是什么？（D）□A.导热□B.对流□C.热辐射□D.以上三项都是8、流体运动的连续性⽅程是根据（C）原理导出的？□A.动量守恒□B.质量守恒□C.能量守恒□D.⼒的平衡9、当控制阀的开⼝⼀定，阀的进、出⼝压⼒差Δp（B）□A.增加□B.减少□C.基本不变□D.⽆法判断10、热流密度q与热流量的关系为（以下式⼦A为传热⾯积，λ为导热系数，h为对流传热系数）（B）□A.q＝φA □B.q＝φ/A □C.q=λφ□D.q＝hφ11、如果在⽔冷壁的管⼦⾥结了⼀层⽔垢，其他条件不变，管壁温度与⽆⽔垢时相⽐将( B )□A.不变□B.提⾼□C.降低□D.随机改变12、在传热过程中，系统传热量与下列哪⼀个参数成反⽐? ( D )□A.传热⾯积□B.流体温差□C.传热系数□D.传热热阻13、下列哪个不是增强传热的有效措施？（D）□A.波纹管□B.逆流□C.板翅式换热器□D.在对流传热系数较⼤侧安装肋⽚14、临界热绝缘直径是指：（A )□A.管道热损失最⼤时的热绝缘直径；□B.管道热损失最⼩时的热绝缘直径；□C.管道完全没有热损失时的热绝缘直径；□D.管道热阻最⼤时的热绝缘直径。
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1.2 流体静力学基本概念
1.2.2 流体静力学平衡方程
1.2.2.1 静力学基本方程
假如一容器内装有密度为ρ的液体，液体 可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变化。 在静止的液体中取一段液柱，其截面积为A， 以容器底面为基准水平面，液柱的上、下端面 与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，那么 作用在上、下两端面的压力分别为p1和p2。
单体面积上流体的静压力称为流体的静压 强。
若流体的密度为ρ，则液柱高度h与压力p 的关系为：
p=ρgh
1.2 流体静力学基本概念
1.2.1 绝对压强、表压强和大气压强
以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力， 它是流体的真实压力；以大气压为基准测得的 压力称为表压或真空度、相对压力，它是在把 大气压强视为零压强的基础上得出来的。
目录
1 流体主要的力学性质 2 流体静力学基本概念 3 流体动力学基础 4 流动阻力与能量损失 53 稳态传热的基本概念 6 传热的基本方式 7 传热过程及传热的增强与削弱
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1.1 流体主要的力学性质
1.1.1 连续介质假设
从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定 间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随 机运动状态。
4. 粘性
表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或 流层间相对运动的特性称为粘性，内摩擦力称为粘 滞力。
粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流 动性越小。
平板间液体速度变化如图1.1所示。 实际流体在管内的速度分布如图1.2所示。
1.1 流体主要的力学性质
实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流 体层的速度差du成正比，与两层之间的垂直距离dy 成反比，与两层间的接触面积A成正比，即
F=μAdu/dy
（1-4）
通常情况下，单位面积上的内摩擦力称为剪应 力，以τ表示，单位为Pa，则式（1-4）变为
τ=μdu/dy
（1-5）
式（1-4）、式（1-5）称为牛顿粘性定律，表明 流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正 比。
Hale Waihona Puke 1.1 流体主要的力学性质1. 易流动性
流体这种在静止时不能承受切应力和抵抗剪切 变形的性质称为易流动性
2. 质量密度
单位体积流体的质量称为流体的密度，即ρ=m/V
3. 重量密度
流体单位体积内所具有的重量称为重度或容重， 以γ表示。γ=G/V
1.1 流体主要的力学性质
质量密度与重量密度的关系为： γ=G/V=mg/V=ρg
p2=pa+ρgh
（1-10）
式（1-8）、式（1-9）及式（1-10）均称为静力学基本
方程，其物理意义在于：在静止流体中任何一点的单位位能
与单位压能之和(即单位势能)为常数。
1.2 流体静力学基本概念
1.2.2.2 静压强的特性
静压强的方向性流体具有各个方向上的静压强。 流体内部任意一点的静压强的大小与其作用的
p2A-p1A-ρgA(z1-z2)=0
整理并消去A，得 p2=p1+ρg(z1-z2) (压力形式)
（1-8）
1.2 流体静力学基本概念
变形得
p1/ρ+z1g=p2/ρ+z2g (能量形式)（1-9）
若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的
压力为pa，液柱高度为h，则式（1-8）可改写为
图1.1 平板间液体速度变化
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1.1 流体主要的力学性质
图1.2 实际流体在管内的速度分布
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1.2 流体静力学基本概念
处于相对静止状态下的流体，由于本身的 重力或其他外力的作用，在流体内部及流体与 容器壁面之间存在着垂直于接触面的作用力， 这种作用力称为静压力。
1.2 流体静力学基本概念
重力场中在垂直方向上对液柱进行受力分析：
(1) 上端面所受总压力P1=p1A，方向向下； (2) 下端面所受总压力P2=p2A，方向向上； (3) 液柱的重力G=ρgA(z1-z2), 方向向下。 液柱处于静止时，上述三项力的合力应为零，即
绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零 压强）为基准计量的压强;表压强简称表压， 是指以当时当地大气压为起点计算的压强。两 者的关系为： 绝对压=大气压+表压
1.2 流体静力学基本概念
图1.3 绝对压力、表压与真空度的关系
从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微 团）组成的连续介质。
所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远 小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。
这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，
即流体充满所占空间，称为连续介质。
1.1 流体主要的力学性质
1.1.2 流体的主要力学性质
图1.4
1.3 流体动力学基础
2. 流管、过流断面、元流和总流
在流场内作一非流线且不自闭相交的封闭曲线， 在某一瞬时通过该曲线上各点的流线构成一个管状 表面，称流管。
方向无关。 流体的静压强仅与其高度或深度有关，而与容
器的形状及放置位置、方式无关。
1.3 流体动力学基础
1.3.1 流体运动的基本概念
1. 流线和迹线
流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向 线。
迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运 动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点在不同时间 的速度的方向。
5.压缩性和膨胀性
流体体积随着压力的增大而缩小的性质，称为 流体的压缩性。
流体体积随着温度的增大而增大的性质，称为 流体的膨胀性。
液体与气体的压缩性和膨胀性的区别： （1）液体是不可压缩流体，液体具有膨胀性 ； （2）气体具有显著的压缩性和膨胀性。
1.1 流体主要的力学性质