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。
第一章流体流动
1.2 流体的黏度
本节的目的是了解流体流动的内部结构， 以便为阻力损失计算打下基础。 1、牛顿黏定律
流体的粘性 流体在运动的状态下,有一种抗拒 内在的向前运动的特性。粘性是流动性的反面。 流体的内摩擦力 运动着的流体内部相邻两流体 层间的相互作用力。是流体粘性的表现, 又称为 粘滞力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流体在管内流动时，管内任一截 面上各点的速度并不相同,如图1-12所示。
SI制 N/m2或Pa
压力的单位：Pa、Kgf/m2、atm、at、H2O、mmHg、 bar、torr等。
关系：1atm = 1.0336 at = 1.013×105 Pa = 1.0336 Kgf/m2 = 10.336 mH2O
= 760 mmHg = 1.013 bar = 760 torr
μ ── 比例系数，其值随流体的不同而异，流 体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或 动力粘度,简称为粘度。 式(1-6)或(1-6a)所显示的关系,称为牛顿粘性定 律。 （2）物理意义 牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所 产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无 关。
流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。
（2）运动粘度γ (a)定义
v
运动粘度γ 为粘度μ 与密度ρ 的比值
m d u du d u v d m u dy dy dy v dy
即为单位体积流体的动量梯度
2、比重（相对密度）
d
H 2 O
277 K
3、 比容：ν = 1/ρ 即：单位质量流体所占有的体积， m3/Kg 4、重度：r = ρ·g 式中单位：r — kgf/m3 ；（工程制） N/m3 （SI制） ρ — kgf· 2/m4 s kg/m3 g—9.81m/s2 9.81m/s2
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
第一章-流体`流动
⊿ p～ R 一 一 对 应
U型测压管
•指示液与被测流体 物化学反应且不互溶； •密度大于流体密度
pA
A
h R
p1 p A gh p2 pa i gR
1
2
p A pa i gR gh A点的表压 p A pa i gR gh
第 二 节
流 体 静 力 解:（1） pA = p1 + ρH2O g(1.2 - R) 学 p1 = p2 = p3 = pa + ρHg g R 基 pA = pa + ρHg g R + ρH2O g(1.2 - R) 本 方 = pa + ( ρHg - ρH2O) g R + ρH2O g×1.2 程 = 1.279×105N/m2 式 （2） pA = [(1.279×105 ÷ 1.013×105) －1] ×1.033 = 0.271kgf/cm2
— 连续性假定
第 一 节 概 论
从微观上，流体是由大量的彼此之间有一定间隙 的单个分子所组成的，并且各单个分子作着随机的、混 乱的运动，如果以单个分子作为考察对象，那么流体将 是一种不连续的介质，所需处理的运动将是一种随机的 运动，问题将是非常复杂的。 但是，在研究流动规律时，人们感兴趣的不是单 个分子的微观运动，而是流体宏观的机械运动。
内能 流体所含的能量包括 动能
机械能
势能
位能 压能
○压能（静压能、压强能以及弹簧的势能等）
● 流体流动时存在着三种机械能（即动能、 位能和压能）之间的相互转换。
第 一 节 概 论
● 流体粘性所造成的剪力是一种内摩擦力， 它将消耗部分机械能使之转化为热能（即 内能）。输送机械提供能量补偿。 ● 气体在流动过程中因压强的变化而发生 体积变化时，存在着内能与机械能之间的 相互转换。
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
化工原理第一章流体流动课件
流体静力学基本方程
STEP 02
STEP 01
流体静力学基本方程是流 体静压强与其密度和重力 加速度的关系式。
STEP 03
该方程是流体静力学中的 基础方程，对于理解流体 静力学中的各种现象非常 重要。
该方程可以用来计算流体 的静压强、流体的密度和 重力加速度之间的关系。
静压力对流体的作用力
流体在静压力作用下会产生压缩或膨 胀，这与其弹性有关。
Part
04
流体流动的阻力
流动阻力的产生与分类
流动阻力
流体在管道中流动时，由于流体内部及 流体与管壁之间的摩擦而产生的阻力。
VS
阻力分类
直管阻力和局部阻力。直管阻力是流体在 管道中流动时，由于流体的粘性和管壁的 粗糙度引起的摩擦阻力；局部阻力则是流 体流经管路中的阀门、弯头等局部结构时 ，由于流体的方向和速度发生急剧变化而 引起的阻力。
流体微团的运动分析
流体微团的定义
流体微团是指流体中无限接近的、密合在一起的若干分子组成的微小团体。
流体微团的运动分析
通过对流体微团的运动分析，可以研究流体的宏观运动规律，如速度场、加速 度、角速度等。这些参数对于理解流体动力学的基本原理和工程应用非常重要 。
牛顿粘性定律及流体的分类
牛顿粘性定律的定义
绝对压力
以完全真空为零点测量的 压力，单位为帕斯卡（Pa ）。
表压
以当地大气压为基准测量 的压力，单位也为帕斯卡 （Pa）。
真空度
与大气压相比的压力差值 ，单位为帕斯卡（Pa）。
流体静压强分布规律
流体静压强大小与流体的 密度、重力加速度和高度 有关。
在重力场中，流体静压强 随高度增加而减小。
在同一高度上，不同流体 的静压强不同。
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一、填空题（每空1分，共20分）1、牛顿粘性定律的数学表达式为 _____________，粘度在SI 制中的单位是__________，服从此定律的流体称为 _______________________________________。
2、实际流体与理想流体的主要区别在于 ，实际流体柏努利方程与理想流体柏努利方程的主要区别在于 。
3、某设备上，真空度的读数为80mmHg ，其绝压=________02mH ,__________Pa. 该地区的大气压为720mmHg 。
8.7m 02H ,pa 41053.8⨯.4、常温下水的密度为10003mKg，粘度为1cp ，在mm d 100=内的管内以s m 3 速度流动，其流动类型为 ______________。
5310310.11000.3.1.0⨯===-μρdu R e 。
湍流。
5、在流动糸统中，若截面上流体的流速、压强、密度等仅随__________而变，不随__________而变，称为稳定流动。
若以上各量既随__________而变，又随__________而变，称为不稳定流动。
6、流体在粗糙管内作湍流流动时，摩擦系数λ与 和 有关；若其作完全湍流（阻力平方区），则λ仅与 有关。
7、因次分析的依据是____。
8、从液面恒定的高位槽向常压容器加水，若将放水管路上的阀门开度关小，则9、管内水流量将____，管路的局部阻力将____，直管阻力将____，管路总阻力将____。
等边三角形的边长为a ，其当量直径为____________________。
10、用阻力系数法来计算突然扩大和突然缩小的损失时，按_____管内的流速来计算动能项。
二．选择题（每小题2分，共30分）1、通常流体的粘度随温度的变化规律为（ ）。
A. 温度升高，粘度减小B. 温度升高，粘度增大C. 对液体温度升高粘度减小，气体反之D. 对液体温度升高粘度增大，气体反之2、装在某设备进口处的真空表读数为50 kPa ，出口处压强表的读数为100 kPa ，此设备进出口处的绝对压强差为（）kPa。
A. 150B. 50C. 75D. 以上都不对3、层流和湍流的本质区别是（）。
A. 流速不同B. 流通截面积不同C. 雷诺数不同D. 层流无径向脉动，湍流有径向脉动4、液体在两截面间的管道内流动时, 其流动方向是（）。
A. 从位能大的截面流向位能小的截面B. 从静压能大的截面流向静压能小的截面C. 从动能大的截面流向动能小的截面D. 从总能量大的截面流向总能量小的截面5、某流体在内径为d0的水平直管中稳定流动，其流速为u0，当它以相同的体积流量通过等长的内径为d1（d1=d0/2）的直管时，其流速为原来的（）倍。
A. 2B. 4C. 8D. 166．流体是由无数分子集团所组成的连续（）介质。
A. 空白B. 连续C. 辐射D.漂流。
7．流体在圆管内层流流动时，平均速度是最大速度的（）。
A. 四分之一B.一半C.二倍；D. 四倍。
8、流体在长为3m、高为2m的矩形管道内流动，则该矩形管道的当量直径为。
A. 1.2m；B. 0.6m；C. 2.4m；D. 4.8m。
9、用离心泵在两个敞口容器间输送液体。
若维持两容器的液面高度不变，则当输送管道上的阀门关小后，管路总阻力将。
A. 增加；B. 不变；C. 减小；D. 不确定。
10、流体在圆形直管中流动时，若其已进入阻力平方区，则摩擦系数λ与雷诺数Re的关系为( )。
A. Re增加，λ增大B. Re增加，λ减小C. Re增加，λ基本上不变D. Re增加，λ先增加大后减小11、因次方析的目的在于( )。
A．得到各变量间的确切定量关系. B．用无因次数群代替变量,使实验与关联简化.C．得到无因次数群间定量关系. D．无需进行实验，即可得到关联式.12、流体流过两个并联管路管1和2，两管内均呈滞流。
两管的管长L1=L2、管内径d1=4d2，则体积流量V2/V1为（ ）。
A ．1/2B ．1/4C ．1/8D ．1/16三 计算题1. 如附图所示，水在水平管道内流动。
为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U 形压差计，指示液为水银，读数R ＝250mm ，h ＝900mm 。
已知当地大气压为101.3kPa ，水的密度1000=ρkg/m 3，水银的密度136000=ρ kg/m 3。
试计算该截面处的压力。
解：图中A-A′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即'A A p p =而 a A p p =' gR gm p p A 0ρρ++=于是 gR gm p p a 0ρρ++=则截面处绝对压力Pa5911725.081.9136009.081.910001013000=⨯⨯-⨯⨯-=--=gRgm p p a ρρ或直接计算该处的真空度Pa4218325.081.9136009.081.910000=⨯⨯+⨯⨯=+=-gRgm p p a ρρ由此可见，当U 形管一端与大气相通时，U 形压差计实际反映的就是该处的表压或真空度。
U 形压差计在使用时为防止水银蒸汽向空气中扩散，通常在与大气相通的一侧水银液面上充入少量水，计算时其高度可忽略不计。
2. 如附图所示，水在管道中流动。
为测得A-A′、B-B′截面的压力差，在管路上方安装一U 形压差计，指示液为水银。
已知压差计的读数R ＝150mm ，试计算A-A′、B-B′截面的压力差。
已知水与水银的密度分别为1000kg/m 3和13600 kg/m 3。
解：图中，1-1′面与2-2′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即'11p p =， '22p p =又 gm p p A ρ-=11gR R m g p gRp gR p p B 002021)('ρρρρ++-=+=+=所以 gR R m g p gm p B A 0)(ρρρ++-=-整理得 gR p p B A )(0ρρ-=-此结果与式（1-9）相同，由此可见， U 形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数R 有关，而与U 形压差计放置的位置无关。
代入数据 Pa 1854015.081.9)100013600(=⨯⨯-=-B A p p3. 从一水池中用虹吸管吸水，系统尺寸如图所示。
所用的虹吸管直径为Φ38mm×2.5mm ，管路的阻力忽略不计。
计算：1）水在虹吸管中的流速。
2）水管每小时的输水量。
4. 如附图所示，管路由一段φ89×4mm 的管1、一段φ108×4mm 的管2和两段φ57×3.5mm 的分支管3a 及3b 连接而成。
若水以9×10－3m/s 的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。
解： 管1的内径为 m m 8142891=⨯-=d则水在管1中的流速为m/s 75.1081.0785.010*******=⨯⨯==-d V u S π管2的内径为 m m 100421082=⨯-=d由式（1-20d ），则水在管2中的流速为 m/s 15.1)10081(75.1)(222112=⨯==d d u u 管3a 及3b 的内径为 m m 505.32573=⨯-=d又水在分支管路3a 、3b 中的流量相等，则有 33222A u A u =即水在管3a 和3b 中的流速为m/s 30.2)50100(215.1)(2223223===d d u u 5. 容器间相对位置的计算如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。
送液管为φ45×2.5mm 的钢管，要求送液量为3.6m 3/h 。
设料液在1 2 3b 3a附图管内的压头损失为1.2m （不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？解：如图所示，取高位槽液面为1-1′截面，进料管出口内侧为2-2′截面，以过2-2′截面中心线的水平面0-0′为基准面。
在1-1′和2-2′截面间列柏努利方程（由于题中已知压头损失，用式（1-22a ）以单位重量流体为基准计算比较方便）f e hg p u gz H g p u g z ∑+++=+++ρρ222212112121 其中： z 1=h ； 因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流速比管内流速小得多，可以忽略不计， 即u 1≈0； p 1=0（表压）； H e =0z 2=0； p 2=0（表压）； Σh f =1.2m796.004.0785.036006.34222=⨯==d V u s π m/s 将以上各值代入上式中，可确定高位槽液位的高度23.12.1796.081.9212=+⨯⨯=h m 计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。
解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此2-2′截面应取管出口内侧。
若选2-2′截面为管出口外侧，计算过程有所不同。
6. 管内流体压力的计算如附图所示，某厂利用喷射泵输送氨。
管中稀氨水的质量流量为1×104kg/h ，密度为1000kg/m 3，入口处的表压为147kPa 。
管道的内径为53mm ，喷嘴出口处内径为13mm ，喷嘴能量损失可忽略不计，试求喷嘴出口处的压力。
解：取稀氨水入口为1-1′截面，喷嘴出口为2-2′截面，管中心线为基准水平面。
在1-1′和2-2′截面间列柏努利方程f e W p ug z W p u g z ∑+++=+++ρρ222212112121其中： z 1=0； p 1=147×103 Pa （表压）；26.11000053.0785.036001000042211=⨯⨯==ρπd m u sm/s z 2=0；喷嘴出口速度u 2可直接计算或由连续性方程计算94.20)013.0053.0(26.1)(222112===d d u u m/s W e =0； ΣW f =0 将以上各值代入上式100094.202110001014726.1212232p +⨯=⨯+⨯ 解得 p 2=－71.45 kPa （表压） 即喷嘴出口处的真空度为71.45kPa 。
喷射泵是利用流体流动时静压能与动能的转换原理进行吸、送流体的设备。
当一种流体经过喷嘴时，由于喷嘴的截面积比管道的截面积小得多，流体流过喷嘴时速度迅速增大，使该处的静压力急速减小，造成真空，从而可将支管中的另一种流体吸入，二者混合后在扩大管中速度逐渐降低，压力随之升高，最后将混合流体送出。
7. 流体输送机械功率的计算某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为100kg/m 3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。