王志魁 化工原理 第三版 第一章1

流体是由大量彼此之间有一定间隙的单个分子所组成， 流体 是由大量彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，且各单 是由大量彼此之间有一定间隙的单个分子所组成 个分子作着随机的、混乱的运动。 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，则流体是一种不连续的介质， 如果以单个分子作为考察对象 ， 则流体是一种不连续的介质 ， 要处理的运动是一种随机运动，问题非常复杂。 要处理的运动是一种随机运动，问题非常复杂。 但在流动规律的研究中， 但在流动规律的研究中 ， 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。 ，而是流体宏观的机械运动。 流体质点 流体质点——由大量分子构成的微团 ， 其尺寸远小于设备尺寸 ， 由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸， 流体质点
选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、 选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、速度 与时间的关系。可见， 等）与时间的关系。可见，拉格朗日法描述的是同一质点在不同时 刻的状态。 刻的状态。
轨线——某一流体质点的运动轨迹 ； 是采用拉格朗日法考 某一流体质点的运动轨迹； 轨线 某一流体质点的运动轨迹 察流体运动的结果。 察流体运动的结果。
图1-1 煤气洗涤装置
一、 流体的分类和特性
气体和液体统称流体 气体和液体统称流体。
1、流体有多种分类方法： 流体有多种分类方法： （1） 按状态分为气体、液体和超临界流体等； ） 按状态分为气体、液体和超临界流体等； （2）按流变特性可分为牛顿型和非牛顿型流体； ）按流变特性可分为牛顿型和非牛顿型流体； （3） 按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与黏性 ） 流体（或实际流体） 流体（或实际流体）； （4）按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体； ）按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体；
2、 流体主要特征 、 （1）流动性； ）流动性； （2）无固定形状，随容器形状而变化； ）无固定形状，随容器形状而变化； （3）受外力作用时内部产生相对运动。 ）受外力作用时内部产生相对运动。
二、流体流动的考察方法
流体包括液体和气体。 流体连续吗？ 流体包括液体和气体。 流体连续吗？ 液体
1、连续性假设(Continuum hypotheses) 、连续性假设(
流线——同一瞬间不同质点的速度方向 流线——同一瞬间不同质点的速度方向；流线上各点的切线 ——同一瞬间不同质点的速度方向； 表示同一时刻各点的速度方向。 表示同一时刻各点的速度方向。
流线与轨线是什么关系？ 思考：流线与轨线是什么关系？
在定态流动时流线和轨线重合； ① 在定态流动时流线和轨线重合； ② 由于同一点在指定某一时刻只有一 个速度，各流线不会相交。 个速度，各流线不会相交。 ③流体输送管路中包含大量流线。 流体输送管路中包含大量流线。
煤气中的一氧化碳和氢气是重要的化工原料，可用于合成氨、 煤气中的一氧化碳和氢气是重要的化工原料，可用于合成氨、 合成甲醇等。为此，将用作化工原料的煤气称为合成气， 合成甲醇等。为此，将用作化工原料的煤气称为合成气，它也 可 用 天 然 气 、 轻 质 油 和 重 质 油 制 得 。
通过本章的学习要解决如下问题： 通过本章的学习要解决如下问题： （1）确定流体输送管路的直径， 确定流体输送管路的直径， 计算流动过程产生的 流动过程产生的阻力和输 计算流动过程产生的阻力和输 送流体所需的动力。 送流体所需的动力。 （2）根据阻力与流量等参数选 ）根据阻力与流量等参数选 择输送设备的类型和型号。 择输送设备的类型和型号。 （3）测定流体的流量和压强等。 ）测定流体的流量和压强等。 流体流动将影响过程系统中的 传热、传质过程等， 传热、传质过程等，是其他单 元操作的主要基础。 元操作的主要基础。
2 . 本章应掌握的内容
（1）流体静力学基本方程式的应用； 流体静力学基本方程式的应用； 连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、 （2）连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点 ； 两种流型的比较和工程处理方法； （3）两种流型的比较和工程处理方法； 流动阻力的计算； （4）流动阻力的计算； 管路计算。 （5）管路计算。
四、流体流动中的机械能
内能
流体所含能量包括
机械能 位能
固体质点运动时的 机 固体 质点运动时的机 质点运动时的 械能有 械能有：
动能 位能
流体流动中的机械能： 流体流动中的机械能ຫໍສະໝຸດ 流动中的机械能动能 压强能
流体流动时存在三种机械能的相互转换。 流体流动时存在三种机械能的相互转换。
注意： 注意：
实践证明， 实践证明，这样的连续性假定在绝大多数情况下是适合 但在高真空稀薄气体的情况下，这样的假定不成立。 但在高真空稀薄气体的情况下，这样的假定不成立。 在今后学习中，凡是不特别说明，都指的是流体质点。 在今后学习中，凡是不特别说明，都指的是流体质点。 的，
2、流体流动的考察方法 （1）拉格朗日法 ）
三、流体流动中的作用力
任取一微元体积流体作为研究对象，进行受力分析， 任取一微元体积流体作为研究对象，进行受力分析，受 到的力有质量力（体积力）和表面力两类。 到的力有质量力（体积力）和表面力两类。 （ 1）质量力 （ 体积力 ） ： 与流体的质量成正比 ， 质量力 ） 质量力（体积力） 与流体的质量成正比， 对于均质流体也称为体积力。 对于均质流体也称为体积力。
不可压缩性流体：流体的体积不随压强而变化， ① 不可压缩性流体 ： 流体的体积不随压强而变化 ， 受热时体 积膨胀不显著。 积膨胀不显著。 可压缩性流体：流体的体积随压强和温度发生显著变化。 ②可压缩性流体：流体的体积随压强和温度发生显著变化。
一般液体的体积随压强和温度变化很小，可视为不可压缩性 一般液体的体积随压强和温度变化很小，可视为不可压缩性 液体的体积随压强和温度变化很小 流体；而对于气体 当压强和温度变化时，体积会有较大的变化， 气体， 流体；而对于气体，当压强和温度变化时，体积会有较大的变化， 常视为可压缩性流体，但如果压强和温度的变化率不大时， 常视为可压缩性流体，但如果压强和温度的变化率不大时，该气 体也可近似地按不可压缩性流体处理。 体也可近似地按不可压缩性流体处理。
第一节 概述
通过本章的学习要解决哪些问题？ 通过本章的学习要解决哪些问题？ 以图1-1煤气洗涤装置为例： 以图1 煤气洗涤装置为例： 洗涤装置为例
煤气洗涤装置 图1-1 煤气洗涤装置
煤气（ 煤气（coal gas）以煤为原料加工制得的含有可燃组分的气体。 ）以煤为原料加工制得的含有可燃组分的气体。
化工原理
Principles of Chemical Engineering
流体流动
第一章 流体流动
1. 本章学习目的
通过本章学习，重点掌握流体流动的基本原理、 管内流动的规 通过本章学习， 重点掌握流体流动的基本原理、 基本原理 律 ， 并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动过程的有关问题 诸如： ，诸如： 流体输送： 流速的选择、管径的计算、 （ 1 ） 流体输送 ： 流速的选择 、 管径的计算 、 流体输送机械选型 。 如压强、流速的测量等。 （2）流动参数的测量 ：如压强、流速的测量等。 建立最佳条件：选择适宜的流体流动参数，以建立传热、 （3）建立最佳条件：选择适宜的流体流动参数，以建立传热、传 质及化学反应的最佳条件。 质及化学反应的最佳条件。
如：流体在重力场运动时受到的重力，在离心力场运动时受到 流体在重力场运动时受到的重力， 的离心力。 的离心力。
（2）表面力：表面力与作用的表面积成正比。 ）表面力：表面力与作用的表面积成正比。 ①压力（法向力）——垂直于表面的力。 压力（法向力） 垂直于表面的力。 垂直于表面的力 单位表面上的压力称为压强 压强； 单位表面上的压力称为压强；
，又称为帕斯卡(Pa） 压强的单位： 按定义： 压强的单位： 按定义：N/m2，又称为帕斯卡 ）；
工程上常用兆帕： 工程上常用兆帕：1MPa=106Pa.
剪力（切力）——平行于表面的力 平行于表面的力。 ② 剪力（切力）——平行于表面的力。 单位面积上所受的剪力称为应力 。 单位面积上所受的剪力称为应力τ。 应力 其大小用牛顿黏性定律描述（见后） 其大小用牛顿黏性定律描述（见后）。 牛顿黏性定律描述
但却远大于分子自由程。 但却远大于分子自由程。
连续性假设: 连续性假设:
假定流体是由大量质点组成、彼此间没有间隙、 假定流体是由大量质点组成、彼此间没有间隙、完 全充满所占空间的连续介质， 全充满所占空间的连续介质，流体的物性及运动参数在 空间作连续分布， 空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加 以描述。 以描述。
（1） 流体质点 由大量分子构成的微团， ） 流体质点——由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但 由大量分子构成的微团 其尺寸远小于设备尺寸， 却远大于分子自由程。 却远大于分子自由程。 质点在流体内部紧紧相连， （2） 连续介质 ） 连续介质——质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流 质点在流体内部紧紧相连 彼此间没有间隙， 体充满所占空间。 体充满所占空间。
（2） 欧拉法 ）
在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况， 在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况，直接描述各有关参数 在空间各点的分布情况和随时间的变化，例如对速度u， 在空间各点的分布情况和随时间的变化，例如对速度 ，可作如下描 述：
ux = fx (x, y, z, t), uy = f y (x, y, z, t), uz = fz (x, y, z, t)