化工流体流动与传热
流体流动中的相变现象和传热问题
流体流动中的相变现象和传热问题在流体力学中，相变现象和传热问题是非常重要的研究课题。
相变是指物质在一定条件下从一个相态转变为另一个相态的现象，而传热则是指热能在物体之间传播的过程。
本文将探讨流体流动中的相变现象和传热问题，并分析其在工程应用中的重要性。
一、相变现象1. 物质相变的基本概念相变是物质从一个相态转变为另一个相态的过程。
常见的相变有凝固、熔化、沸腾和凝结等。
在相变过程中，物质的温度和压力保持不变，只有物质的热量发生变化。
2. 相变的分类相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指相变过程中物质的热容变化，例如凝固和熔化。
二级相变是指相变过程中物质的熵变化，例如沸腾和凝结。
3. 相变的影响因素相变的发生与温度、压力和物质的性质密切相关。
当温度和压力达到一定条件时，相变才会发生。
不同的物质具有不同的相变温度和相变压力，这取决于物质的性质。
4. 相变的应用相变在许多工程领域中具有广泛的应用。
例如，利用相变储能技术可以在低温蓄热，并在需要时释放热能。
相变材料也用于制造高效的热交换器和冷却设备，提高能源利用效率。
二、传热问题1. 传热的基本概念传热是指热量在物体之间传递的过程。
根据传热方式的不同，可以分为导热、对流和辐射传热。
导热是指热量通过物质的传递，对流是指热量通过流体的流动传递，辐射是指热量通过电磁辐射传递。
2. 传热的计算方法传热过程的计算是工程应用中的重要问题。
对于导热和对流传热，可以利用传热方程来计算热传导和热对流的热量传递。
而辐射传热的计算则需要考虑辐射传热系数和物体之间的相互作用。
3. 传热问题的应用传热问题在许多工程领域中都有广泛的应用。
例如，在能源工程中，传热问题是热能转化和利用的关键。
在化工工程中，传热问题是反应器设计和热交换器设计的基础。
在航空航天工程中，传热问题是飞行器的热保护和热管理的关键。
三、流体流动中的相变和传热问题1. 流体流动中的相变问题在流体流动中，相变问题通常涉及到气液两相的相互转化。
1 流体流动与传热
流体静压力的计算
如图所示，采用一复式U形压差计测量容器中O点处的压力，两段U形 管A和B中水银柱读数分别为60、70cm，中间一段充满水，求O点处 的压力
pO p2 0.8 w g
200
O
pa
RB=700
' p2 p2 p1' 0.6 Hg g
1 1’ 1’’
RA=600
P+dp
dp
dz
gdz 0
p
z
对于不可压缩流体，密度为常数
p
gz 常数
0
1 2
0
p1
gz1
p2
gz2
h z1 z2
p2 p1 g z1 z2
或
p2 p1 gh
注：上式只适用于重力场中静止的不可压缩的单一连续流体； 静压力只与各点的垂直位置有关，而与水平位置无关； 只有在压力变化不大时，气体才可适用上式。
聚合反应器与聚合反应操作
课程的教学内容
化工原理（流体流动与传热） 化学反应工程基础
聚合反应工程分析
搅拌聚合釜内的传递过程 搅拌聚合釜的放大 聚合过程与聚合反应器
第1章
流体流动与传热
1.1 流体流动
泵
水
水 池
水 封
连续介质假定：将流体视为由无数质点组成的、彼 此间没有空隙的连续介质。
R
d
2 1 u1
D
2
u2
1
管道两测点间连接压差计读数代表什么意义?
B
p1 pA gh1 p2
n
lg m xi lg i
i 1
化工原理总结
（5）流体在非圆形直管内的流动阻力 当流体在非圆型管内湍流流动时，计算阻力时d用当 量直径de代替。
当量直径：4倍的流通截面积除以流体润湿周边长度
de——当量直径，m； rH——水力半径，m。
de
4A
4rH
对于矩形管长为a,宽为b
（4）轴功率 离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电 动机带动时，它即是电机传给泵轴的功率，以N表 示，其单位为W或KW。泵的有效功率可写成
Ne QHg
由于有容积损失、水力损失与机 械损失，所以泵的轴功率N要大 于液体实际得到的有效功率，即
N Ne
泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比 泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功 率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。
0
T0 p Tp 0
上式中的ρ0为标准状态下气体的密度，T0、p0分别为标准 状态下气体的绝对温度和绝对压强。
混合气体的密度：
m
pM m RT
M m M A yA M B yB M n yn
（2）流体的粘度
液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升 高而增大。
压强变化时，液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强 增加而增加的很少，在一般工程计算中可忽略不计。
Re≤2000时，流动类型为层流； Re≥4000时，流动类型为湍流； 2000＜Re＜4000，过渡区，流动类型不稳定。
层流特点：质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运 动，质点之间互不混合。圆管中的流体就如一层一层 的同心圆筒在平行地流动。（滞流） 湍流特点：流体质点除了沿着管道向前流动外，各质 点还作剧烈的径向脉动。（紊流）
简述化工设计中热传递的主要方式及特点
简述化工设计中热传递的主要方式及特点下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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化工原理(上册)—化工流体流动与传热第三版柴诚敬习题答案
化工原理(上册) - 化工流体流动与传热第三版柴诚敬习题答案第一章：引言习题1.1答案：该题为综合性问题，回答如下：根据流体力学原理，液体在容器中的自由表面是一个等势面，即在平衡时，液体表面上各点处的压力均相等。
所以整个液体处于静止状态。
习题1.2答案：该题为计算题。
首先，根据流速的定义：流体通过某个截面的单位时间内通过的体积与截面积之比，可得流速的公式为：v = Q / A，其中v表示流速，Q表示流体通过该截面的体积，A表示截面积。
已知流速v为10m/s，截面积A为0.5m²，代入公式计算得：Q = v × A = 10m/s × 0.5m² = 5m³/s。
所以，该管道内的流体通过的体积为5立方米每秒。
习题1.3答案：该题为基础性知识题。
流体静压头表示流体的静压差所能提供的相当于重力势能的高度。
根据流体的静压力与流体的高度关系可知，流体静压力可以通过将流体的重力势能转化为压力单位得到。
由于重力势能的单位可以表示为m·g·h，其中m为流体的质量，g为重力加速度，h为高度。
而流体的静压头就是将流体静压力除以流体的质量得到的，即流体静压力除以流体的质量。
所以，流体静压头是等于流体的高度。
第二章：流体动力学方程习题2.1答案：该题是一个计算题。
根据题意，已知流体的密度ρ为1.2 kg/m³，截面积A为0.4 m²，流速v为2 m/s，求流体的质量流量。
根据质量流量公式：Q = ρ × A × v，代入已知数值计算得：Q = 1.2 kg/m³ × 0.4 m² × 2 m/s = 0.96 kg/s。
所以，流体的质量流量为0.96 kg/s。
习题2.2答案：该题为综合性问题，回答如下：流体动量方程是描述流体运动的一个重要方程，其中包含了流体的质量流量、速度和压力等参数。
化工流体流动与传热课后习题答案-柴诚敬编
17．如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m ，水从φ108 mm ×4 mm 的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m 。
已知水流经系统的能量损失可按∑h f =5.5u 2计算，其中u 为水在管内的平均流速（m/s ）。
设流动为稳态，试计算（1）A -A '截面处水的平均流速；（2）水的流量（m 3/h ）。
解：（1）A - A '截面处水的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得22121b12b2f 1122p p gz u gz u h ρρ++=+++∑ （1）式中 z 1=7 m ，u b1～0，p 1=0（表压） z 2=1.5 m ，p 2=0（表压），u b2 =5.5 u 2 代入式（1）得22b2b219.8179.81 1.5 5.52u u ⨯=⨯++ s m 0.3b =u（2）水的流量（以m 3/h 计）()h m 78.84s m 02355.0004.02018.0414.30.3332b2s ==⨯-⨯⨯==A u V 18. 20℃ 水以2.5m/s 的流速流经φ38×2.5mm 的水平管，此管以锥形管和另一φ53×3m 的水平管相连。
如本题附图所示，在锥形管两侧A 、B 处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压强。
若水流经A ﹑B 两截面的能量损失为1.5J/㎏，求两玻璃管的水面差（以ｍｍ计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。
分析:根据水流过A 、B 两截面的体积流量相同和此两截面处的伯努利方程列等式求解 解：设水流经Ａ﹑Ｂ两截面处的流速分别为u A 、 u B u A A A = u B A B∴ u B = （A A /A B ）u A = （33/47）2×2.5 = 1.23m/s 在Ａ﹑Ｂ两截面处列柏努力方程Z 1ｇ + ｕ12／2 + Ｐ1/ρ = Z 2ｇ+ ｕ22／2 + Ｐ2/ρ + Σｈf∵ Z 1 = Z 2∴ （Ｐ1-Ｐ2）/ρ = Σｈf +（ｕ12-ｕ22）／2 g （h 1-h 2）= 1.5 + (1.232-2.52) /2 h 1-h 2 = 0.0882 m = 88.2 mm19.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。
流体流动与传热的数值计算
12
三、本课程的目的
❖ 数值求解有关过程的方法很多，但本课程不 打算介绍所有现成的方法，这样只会把同学 们搞糊涂，感到茫然、不知所措。
❖ 本课程主要介绍由Patankar教授与Spalding教 授所开创的（通用）数值计算方法。学习和 掌握这一套方法后即可用以计算分析在科研 工作中可能遇到的实际问题，并可在此基础 上学习、掌握其他数值计算方法。
❖ 但试验的代价→昂贵，某些时候甚至不可能实现，尤 其是在大型工业化装置上进行实验更为困难。
❖ →只能针对已有的现象或装置做→很难用于开发。1： 1，逐渐放大→大大影响了我国化学工业的发展。
❖ 对一些基本物理现象的规律并不都能从实物试验中获 得。
20.8.16
15
②相似理论指导下的实验
缩小规模：或取一局部物体作模型试验。如 裂解炉的开发：单管试验、多管缩小尺寸、 传热试验、加热时间等；再如降膜结晶法：a. 短单管→物理现象观察分析；b. 长、单管， 中间实验；c. 多根管的放大试验；d工业装置。 但即使如此，有时也存在不同程度的困难。
2. R.B. Bird & W.E.Steward，Transport Phenomena
3. E.R.G. Eckert，Analysis of heat and mass transfer
4. Jacob，Heat Transfer 5. 王补宣，工程传热与传质学
6. O.C. Zienkiewieg，The finite element method , by 7. H. Schlichting，Boundary layer theory
→所有这些都要求更细的过程、更精密的控制 →有必要预测有关的过程。
20.8.16
天津大学《化工流体流动与传热》教学大纲
★面向21世纪课程教材★化工流体流动与传热教学大纲天津大学化工学院化工系2003年4月《化工流体流动与传热》课程教学大纲64 学时4 学分一、课程性质、目的和任务本课程及其后续课程《化工传质与分离过程》，是为培养面向21世纪高等化工创新人才的需要而建立的新课程体系中的主干课程。
本课程将传统的《化工原理》与《化工传递过程基础》有机地融为一体，依据传递过程的理论体系和单元操作的共性组合而成。
本课程属于化工类及其相近专业的一门主干课，为学生在具备了必要的高等数学、物理、物理化学、计算技术等基础知识之后必修的技术基础课。
本课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，是化工类及其相近专业许多专业课程的重要基础课程，本课程教学水平的高低，对化工类及相近专业学生的业务素质和工程能力的培养起着至关重要的作用。
本课程属工科科学，用自然科学的原理（主要为动量、热量传递理论）考察、解释和处理化学工程中的实际问题，研究方法主要是理论解析和在理论指导下的实验研究。
本课程强调工程观点、定量运算和设计能力的训练；强调理论与实际相结合；强调提高分析问题、解决问题的能力和综合能力。
学生通过本课程学习，应能够运用动量和热量传递的基本理论，解决流体流动、流体输送、沉降分离、过滤分离、液体搅拌、过程传热、蒸发等单元操作过程的计算及设备选择等问题，并为后续专业课程的学习奠定基础。
二、教学基本要求本课程在第五学期(四年制)开设。
教材内容分为课堂讲授、学生自学和学生选读三部分，其中课堂讲授部分由教师在教学计划学时内进行课堂教学，作为基本要求内容；学生自学部分由学生在教师的指导下，利用课外时间进行自学，作为一般要求内容；学生选读部分由学生根据自己的兴趣及能力，进行课外选读，不作要求。
本课程教学计划总学时64学时（其中课堂讲授62学时，机动2学时）；学生自学12学时；课程设计1周。
本课程采用课后习题，每次课后留2～3个练习题，由学生独立完成，教师可根据情况布置综合练习题和安排习题讨论课。
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1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程 1.3 流体流动的基本概念 1.4 流体流动的基本方程 1.5 动量传递与流动阻力导论 1.6 流体流动的微分方程 1.6.1 概述
一、微分衡算方程与微分衡算方法
1. 微分衡算方程
连续性
对微单分组质分量流衡体算进方行程√微分质量衡方算程
f ( , r,, z)
时间 径向 坐标
方位角 坐标
轴向 坐标
直角坐标与柱坐标的关系
三、柱坐标与球坐标的连续性方程
柱坐标的连续性方程为
1 r
r
(rur
)
1 r
(u
)
z
( u z
)
0
轴对称
0
r
三、柱坐标与球坐标的连续性方程
2. 球坐标的连续性方程 柱坐标系的坐标分量
f ( , r,, )
Du
D
dFx
dxdydz
Du x
D
dF
dFy
dxdydz Du y D
动量守恒定 律表达式
dFz
dxdydz
Du z
D
一、运动方程的推导
（2）作用在流体微元上的外力 ① 体积力 作用在流体微元整体上的力 只考虑重力场的影响
设 dFg —流体微元所受的重力，N
dFgx Xdxdydz dFg dFgy Ydxdydz
方法1
偏导数表示观察者位置固定，此时测得的温度
随时间的变化率。 （2）全导数 dt
d
方法2
全导数表示观察者与流体各以任意的速度运动，
此时测得的温度随时间的变化率。
二、物理量的时间导数
由 t t(x, y, z, )
全微分得
dt t d t dx t dy t dz
x y z
除以d 得
全导数 定义式
在流体运动的空间中选一质量固定的流体微元， 该流体微元随流体一起运动，对此流体微元依据守 恒定律作相应的衡算，以得到相应的微分衡算方程。
流
质量固定
体
流体 微元
位置变化
微 元
u
体积随密度变化
二、物理量的时间导数
1. 时间导数的测定方法 示例 测定大气温度随时间的变化。
设大气的温度场 t t(x, y, z, )
随体导数 定义式
dt t
t
t
t
d ux x u y y uz z
随体导数
随波逐流导数
第一章 流体流动
1.6 流体流动的微分方程 1.6.1 概述 1.6.2 连续性方程
一、连续性方程的推导
采用欧拉方法推导
边长 dx、dy、dz
流体 微元
体积 dxdydz
质量 dxdydz
点（x, y, z）处的速度
在 x 方向
y
输入的质量速率 ux
u x dydz
输出的质量速率
z
[u
x
( u x
x
)
dx]dydz
dx
dy
dz
u x
( u x
x
)
dx
x
质量速率差
（输出-
输入）x
( u x
x
)
dxdydz
一、连续性方程的推导
同理，在 y 和 z 方向
（输出-
输入）y
(u y
y
)
dxdydz
（输出-
输入）z
( u z
微分质量 衡算方程
二、连续性方程的分析
1. 以随体导数表示的连续性方程
展开得
( ux
x
u y y
u z z
) ux
x
uy
y
uz
z
0
D ( ux uy uz ) 0 以随体导数表示
D x y z
的连续性方程
D
( u )
0
D
二、连续性方程的分析
由 1 v 1
v
比容
Dv v D 0 D D
稳态流动的 连续性方程
(u) 0
二、连续性方程的分析
3. 不可压缩流体的连续性方程
(ux ) (u y ) (uz ) 0
x
y
z
0(不可压缩流体)
ux u y uz 0 x y z
u 0
不可压缩流体 的连续性方程
三、柱坐标与球坐标的连续性方程
1. 柱坐标的连续性方程 柱坐标系的坐标分量
一、微分衡算方程与微分衡算方法
（1） 欧拉（Euler）方法
在流体运动的空间中选一位置固定、体积固定
的流体微元，对此流体微元依据守恒定律作相应的
衡算，以得到相应的微分衡算方程。
流y
位置固定
体
流体 微元
体积固定
微 元
质量随密度变化
dy
dz
dx
x
z
一、微分衡算方程与微分衡算方法
（2） 拉格朗日（Lagrange）方法
一、运动方程的推导
1.以应力表示的运动方程
y
（1）动量守恒定律表达式 采用拉格朗日方法推导
dy u
流体 微元
边长 dx、dy、dz
dx dz
体积 dxdydz
x
质量 dxdydz z 微分动量衡算
由动量守恒定律
F
Ma
M
du
d
一、运动方程的推导
应用于流体微元
作用在流体微元上的合外力
dF
dxdydz
位置随 时 间变化 相对的位率置随 时间变化率
线性形变速率
结论 体积形变速率 = 线性形变速率之和 体积形变速率 = 速度向量的散度
二、连续性方程的分析
2. 稳态流动的连续性方程
(ux ) (u y ) (uz ) 0
x
y
z
0(稳态)
(ux ) (u y ) (uz ) 0
x
y
z
z
)
dxdydz
流体微元质量速率差
(输出)-(输入) ( (ux ) (u y ) (uz ) )dxdydz
x
y
z
一、连续性方程的推导
流体微元内累积的质量速率
M (dxdydz) dxdydz
代入衡算方程得
(ux ) (u y ) (uz ) 0
散度 x
y
z
(u)
0
通用的连 续性方程
dFgZ Zdxdydz
一、运动方程的推导
设 x 轴与重力加速度
y
方向夹角为
X g cos Y g sin
z
X
x
Z 0
Y
g
一、运动方程的推导
y
若 x、z 轴水平
X 0
x
Y g
z
Z 0
g
由此可知，只要坐标方位确定，dFg 即为已知。
练习题目
思考题 1.进行微分衡算有哪两种方法，二者有何区别？ 2.偏导数、全导数和随体导数各有何物理意义？ 3.连续性方程推导的原则是什么? 4.何为体积形变速率和线性形变速率？ 5.轴对称和球心对称各表示何概念？
时间 径向 坐标
方位角 坐标
余纬 度坐 标
直角坐标与球坐标的关系
三、柱坐标与球坐标的连续性方程
球坐标的连续性方程为
1 r2
r
(r 2ur )
1
r sin
(u
sin )
1
r sin
(u )
0
r
球心 0
对称
0
第一章 流体流动
1.6 流体流动的微分方程 1.6.1 概述 1.6.2 连续性方程 1.6.3 运动方程
ux u uy
uz
（x, y, z）
y
dy
dz
dx
x z
微分质量衡算
一、连续性方程的推导
点（x, y, z）处的质量通量
ux
u u s
)
kg m2 s
根据质量守恒定律
(输入质量流率)=(输出质量流率)+(累积质量速率)
(输出)-(输入)+(累积)= 0
一、连续性方程的推导
作业题: 20、21
方法1：观察者手持测温表，站在空间某固定位置
处，记录不同时刻大气的温度。 方法2：观察者手持测温表，以任意速度 v 在空间
移动，记录不同时刻大气的温度。
方法3：观察者手持测温表，乘坐热气球随大气以 速度 u运动，记录不同时刻大气的温度。
二、物理量的时间导数
2. 时间导数的表示方法
（1）偏导数 t
微分 衡算 方程
微 对分流体动进量行衡算微分方动程√量衡算
传热微分方程 对流体进行微分能量衡算
运动 方程
能量 方程
传质微分方程
对流扩 散方程
对多组分流体进行微分质量衡算
一、微分衡算方程与微分衡算方法
2. 微分衡算方法
选择衡 算范围
依据守 恒定律
进行微 分衡算
流体 微元
微分衡 算方程
选择流 体微元
欧拉方法 拉格朗日方法
dt t t dx t dy t dz
d x d y d z d
二、物理量的时间导数
式中
vx
dx
d
vy
dy
d
观察者的速度 v
vz
dz
d
ux 流体的速度 u u y
uz
二、物理量的时间导数
（3）随体导数
Dt
D
方法3
随体导数表示观察者与流体运动速度相等，此
时测得的温度随时间的变化率。
u v
1 Dv 1 D 0 v D D 1 Dv ( ux u y uz ) 0