第一章流体流动与输送
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流速u—— m/s , u=qv/A 质量流速G——kg/m2s;
G=qm/A=qvρ/A 管内适宜流速范围：液体 0.5~3 m/s
气体 10~30m/s
1.5 流体动力学
稳态流动与非稳态流动 连续性方程 柏努力（Bernoulli）方程 柏努力方程的应用
稳态流动与非稳态流动
稳态流动——流动系 统中，描述过程的各 物理量只随位置变化， 不随时间变化。
| 黏性流体 |
|
|
| 触变性流体
|
|与时间有关|
非牛顿性流体|
| 流凝性（负触变性）流体
| 黏弹性流体
非牛顿流体的性质（视频)
1.4 流体静力学
流体静力学研究什么内容？ 研究流体在外力的作用下处于平衡时规律 及应用。
采用什么研究方法？ 得出什么结论？ 如何应用结论解决实际问题？
1.4 流体静力学
符合牛顿黏性定 撞产生的阻力为
律
主
边界层（Boundary Layer)
边界层——当流体流经固体壁面时，由于流体的粘性，在 垂直于流体流动方向上产生速度梯度。在固体壁面附近存 在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层，简称边界 层。 边界层以外的区域称为主流区。 边界层内，粘性摩擦力为主；主流区，速度均一，无速度 梯度，粘性力为零，但涡流阻力较大。 边界层有层流边界层，也有湍流边界层。
流体静力学应用（二）
液位测量 液位测量举例 远距离液位测量
流体静力学应用（三）
液封—用液体密封气 体的装置。
设备中压力要保持， 液体要排出，须用液 封。
流体静力学应用（三）
如何取出负压下物 料？ “工程大气腿” 如何计算液封高度？
1.5 流体动力学
流量——体积流量qv，m3/s 质量流量qm ,kg/s 摩尔流量, kmol/s
流体受力：重力、压力。 由于重力是恒定不变的，实际上是讨论静 止流体内部压力（压强）的变化规律。
重点关注：流体的宏观机械运动，在连续 介质假定的前提下，可选定一流体质点跟 踪考察，找出各个参数的关系。
静力学方程的推导
静力学方程
p+ρgz=常数
或
p1
gz1
p2
gz2
p2 pa g(z1 z2 ) pa gh
损失之和相等。
流量测量
皮托管 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计
1直管阻力计算通式
管壁粗糙度对摩擦系 数的影响
摩擦系数与雷诺数、粗糙度
1层流区， Re ≤2000 ，摩擦系数与粗糙度无关， 与Re呈直线关系
2过渡区，Re=2000-4000,一般以湍流去延伸求得 3湍流区，Re ≥4000，相对粗糙度一定，摩擦系
数随Re增大而减小，但Re增至一定程度后，摩擦 系数下降缓慢 4 完全湍流区，摩擦系数与Re呈直线关系，称为 阻力平方区。
流体在管内的流动阻力
流体有黏性，流动是产生内摩擦，是流动 阻力产生的根本原因。
流动阻力包括直管阻力和局部阻力，采用 不同的计算方法。流动阻力也称为总阻力 损失
1kg流体——∑hf ,J/kg 1N流体——∑hf /ρ=∑Hf m 1m3流体——ρ∑hf =ΔPf ,Pa 称为压降
流体在直管中的流动阻力
边界层的发展——如平板上流动的流体，摩擦力对外流区 流体持续作用，促使更多的流体层速度减慢，从而使边界 层的厚度增大。
边界层分离与局部阻力
边界层脱体（分离）——产生于流体垂直 流过某一物体时。
产生边界层分离的条件——流体有粘性内 摩擦和逆压差的作用
黏性流体绕过固体物表面时的阻力为摩擦 力与形体阻力之和，又称为局部阻力。流 体流过管件、阀门、管子进出口、突然扩 大、缩小等局部地方，会发生边界层分离。
非稳态流动——各物 理量不仅随位置变化 也随时间变化。
连续性方程
在稳态流动中，若 流体流过一均匀管，流速因摩擦降低吗？ 流体由粗管流入细管，流速如何变化？
变化多少？
连续性方程
流体在流动过程中，
1、流体不会因摩擦的崔 在而降速
2、不可压缩流体，流速 与流通截面积成反比， 与管径的平方成反比。
Leabharlann BaiduRe=3×105, ε/d=0.0005时的λ=0.018
查Re=104, ε/d=0.0001时的λ=0.03。
管路上的局部阻力计算法
阻力系数法 当量长度法
h' f
u2 2
hf
l d
u2 2
局部阻力损失
• 管件阀件处流道变化大，多发生边界层脱 体,产生大量旋涡，消耗了机械能。
查截止阀全开, 接管内径 d=100mm时 的当量长度le
流动状态密切相关
1.1 流体流动基本概念
连续介质假定——流体由无数质点组成， 质点的大小比分子间距离大得多，比设备 尺寸小得多。
系统与控制体
系统-包含众多质点的集合。 控制体-考察问题的对象。
定态流动（连续稳定过程）与非定态流动
流体的压强
单位
N/m2=Pa 106Pa=1MPa
流体柱高度 ( p=ρgh ) 1 atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O
查管道出口 损失ζ值
1.7简单管路计算
简单管路的数学方程:柏努力方程、连续性方程、 能量损失计算式，分别为
p1
u12 2
gz1 we
p2
u22 2
gz2
hf
2
u1
d2
u2
d1
hf
l le d
u2 2
复杂管路的特点
并联管路 1、总流量等于分流量之和 2、单位质量流体流过各支路的阻力损失相等 分支管路的特点 1、总流量等于分流量之和 2、在流动终了时，单位质量流体的总机械能与阻力
特性。 粘性体现在黏滞力或粘性摩擦力 粘性摩擦力—运动着的流体内部相邻的两流体层 （同一层的流体流速相同）间的相互作用力。流 体运动时必须克服内摩擦力消耗到一部分能量。
牛顿黏性定律
黏性的物理本质：分子间引力和分子热运 动、碰撞。
牛顿黏性定律
表明①流体受剪切力必运动。 ②牛顿型流体与非牛顿型流体的区别。
流体的黏度
黏度 μ物理意义：促使流体产生单位速度 梯度的剪应力大小
μ=f（P,T) 气体μ，温度升高，黏度增大（分子运动碰 撞起决定作用）； 液体μ，温度升高黏度减小（分子间力决定 作用）。
流体的黏度
黏性与黏度—定性与定量的关系 理想流体μ=0 静止流体μ=？0} 均无粘性 实际流体μ≠0
1 bar=105Pa
1 at=1kg(f)/cm2=9.81×104Pa
表示法
绝对压强 相对压强
真空度 表压
表压=绝对压-大气压
真空度=大气压-绝对压
1.2 流体的性质
一、 流体的密度 一般地： 纯物质的密度可查相关资料 混合物的密度需计算
1.2 流体的性质
二、 流体的黏度(viscosity) 黏性(viscousness)—流体内在的抗拒向前运动的
B-eq.的解题要点
作出工艺流程图，划定衡算范围。 选取截面。截面应与流向垂直，截面间流
体是连续的。界面或界面间应包括尽可能 多的已知量或可求量。 选择基准面 列出方程。注意压强表示方要一直；单位 统一
B-eq.应用举例
例1 虹吸管问题
用虹吸管从高位槽向反 应器加料。反应器与储槽 均通大气，要求料液速度 达1m/s，料液在管内的能 量损失为20J/kg（不包括 出口损失），求高位槽液 面比管出口应高出多少？
第一章
流体流动与输送
第一章 流体流动与输送
流体输送是研究单元操作的基础 什么是流体？具有流动性，气体液体统称流
体 研究的内容 1、流体静力学 2、动力学 3、流体输送机械
第一章流体流动与输送
主要解决的问题 1、流体输送，速度？管径？外加能量？ 2、压强、流量的测量？ 3、设备的强化？传热、传质的好坏与流体的
静力学方程应用条件
应用条件：
①同种流体且不可压缩(气体高差不大时仍可用)
②静止
③重力场
④单连通
流体的总势能
总势能
（压强能与位能之和）
虚拟压强
静力学应用（一）
压强、压差的测量——U型压差计，测压 差时，两端分别与测压点相连；测压强时， 一端接测压点，一端通大气。
应用举例 1、U型压差计 2、微差压差计
柏努力（Bernoulli)方程—能量守恒
p1
gz1
p2
gz2
z1g
p1
u12 2
z2g
p2
u22 2
z1 g
p1
u12 2
z2g
p2
u22 2
hf
B-eq.的推导
柏式方程应用条件
稳态流动，不可压缩流体 可压缩流体，压力变化不大于20%，以平
均密度代入 非稳态流动的某一瞬间B-eq.仍然成立
无因次数群——凡是几个有内在联系的物理 量按无量纲条件组成的数群，称为准数或 无因次数群。不论采用何单位制，其数值 相等。
层流与湍流的区别
层流
湍流
质点运动方式 速度分布 流动阻力
沿轴向作有规则 除轴向运动外，
的平行运动
产生径向位移，
质点碰撞
管内分布呈抛物 抛物线顶部变得
线状
平坦
黏性摩擦力为主，因漩涡、质点碰
1.6 流体流动现象
流动类型与雷诺实验 1、雷诺（Reynolds)实验与雷诺准数(Re)
实验现象 2、Re的物理意义：反映惯性力与黏滞力的
比值(Re=ρud/μ) 3、Re ≤2000 层流（Laminar flow)
Re ≥4000 湍流（Turbluent flow）
层流与湍流的区别
层流与湍流的根本区别——湍流产生速度脉 动（velocity fluctuation)
黏度的单位 SI制：Pa S 物理制 P（泊） 习惯用厘泊（cP)——百分之一泊表示 1 Pa S =1000 cP 1 P =100 cP
黏度的测量方法：旋转式黏度计、毛细管黏度计、 落球式黏度计。
1.3 非牛顿型流体
分类
| 假塑性流体
| 无屈服应力 |
|与时间无关|
| 涨塑性流体
|
| 有屈服应力 宾汉塑性流体
B-eq.讨论
1、we=0,理想流体机械能守恒。 u2/2+gz+p/ρ=const
2、若u1=u2=0,则 gz+p/ρ=const ——流体静力学方程。 3物、理u量2/2。，gz，p/ρ为各截面上的物理量，而we,∑hf 为过程 4、衡算基准不同，方程形式不同。 1kg流体：u2/2，gz，p/ρ，we, ,∑hf 1N流体： u2/（2g），z，p/（ρg），He,, ,∑Hf 1m3流体：ρu 2/2， ρ gz，p，HT, , ρ ∑hf
G=qm/A=qvρ/A 管内适宜流速范围：液体 0.5~3 m/s
气体 10~30m/s
1.5 流体动力学
稳态流动与非稳态流动 连续性方程 柏努力（Bernoulli）方程 柏努力方程的应用
稳态流动与非稳态流动
稳态流动——流动系 统中，描述过程的各 物理量只随位置变化， 不随时间变化。
| 黏性流体 |
|
|
| 触变性流体
|
|与时间有关|
非牛顿性流体|
| 流凝性（负触变性）流体
| 黏弹性流体
非牛顿流体的性质（视频)
1.4 流体静力学
流体静力学研究什么内容？ 研究流体在外力的作用下处于平衡时规律 及应用。
采用什么研究方法？ 得出什么结论？ 如何应用结论解决实际问题？
1.4 流体静力学
符合牛顿黏性定 撞产生的阻力为
律
主
边界层（Boundary Layer)
边界层——当流体流经固体壁面时，由于流体的粘性，在 垂直于流体流动方向上产生速度梯度。在固体壁面附近存 在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层，简称边界 层。 边界层以外的区域称为主流区。 边界层内，粘性摩擦力为主；主流区，速度均一，无速度 梯度，粘性力为零，但涡流阻力较大。 边界层有层流边界层，也有湍流边界层。
流体静力学应用（二）
液位测量 液位测量举例 远距离液位测量
流体静力学应用（三）
液封—用液体密封气 体的装置。
设备中压力要保持， 液体要排出，须用液 封。
流体静力学应用（三）
如何取出负压下物 料？ “工程大气腿” 如何计算液封高度？
1.5 流体动力学
流量——体积流量qv，m3/s 质量流量qm ,kg/s 摩尔流量, kmol/s
流体受力：重力、压力。 由于重力是恒定不变的，实际上是讨论静 止流体内部压力（压强）的变化规律。
重点关注：流体的宏观机械运动，在连续 介质假定的前提下，可选定一流体质点跟 踪考察，找出各个参数的关系。
静力学方程的推导
静力学方程
p+ρgz=常数
或
p1
gz1
p2
gz2
p2 pa g(z1 z2 ) pa gh
损失之和相等。
流量测量
皮托管 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计
1直管阻力计算通式
管壁粗糙度对摩擦系 数的影响
摩擦系数与雷诺数、粗糙度
1层流区， Re ≤2000 ，摩擦系数与粗糙度无关， 与Re呈直线关系
2过渡区，Re=2000-4000,一般以湍流去延伸求得 3湍流区，Re ≥4000，相对粗糙度一定，摩擦系
数随Re增大而减小，但Re增至一定程度后，摩擦 系数下降缓慢 4 完全湍流区，摩擦系数与Re呈直线关系，称为 阻力平方区。
流体在管内的流动阻力
流体有黏性，流动是产生内摩擦，是流动 阻力产生的根本原因。
流动阻力包括直管阻力和局部阻力，采用 不同的计算方法。流动阻力也称为总阻力 损失
1kg流体——∑hf ,J/kg 1N流体——∑hf /ρ=∑Hf m 1m3流体——ρ∑hf =ΔPf ,Pa 称为压降
流体在直管中的流动阻力
边界层的发展——如平板上流动的流体，摩擦力对外流区 流体持续作用，促使更多的流体层速度减慢，从而使边界 层的厚度增大。
边界层分离与局部阻力
边界层脱体（分离）——产生于流体垂直 流过某一物体时。
产生边界层分离的条件——流体有粘性内 摩擦和逆压差的作用
黏性流体绕过固体物表面时的阻力为摩擦 力与形体阻力之和，又称为局部阻力。流 体流过管件、阀门、管子进出口、突然扩 大、缩小等局部地方，会发生边界层分离。
非稳态流动——各物 理量不仅随位置变化 也随时间变化。
连续性方程
在稳态流动中，若 流体流过一均匀管，流速因摩擦降低吗？ 流体由粗管流入细管，流速如何变化？
变化多少？
连续性方程
流体在流动过程中，
1、流体不会因摩擦的崔 在而降速
2、不可压缩流体，流速 与流通截面积成反比， 与管径的平方成反比。
Leabharlann BaiduRe=3×105, ε/d=0.0005时的λ=0.018
查Re=104, ε/d=0.0001时的λ=0.03。
管路上的局部阻力计算法
阻力系数法 当量长度法
h' f
u2 2
hf
l d
u2 2
局部阻力损失
• 管件阀件处流道变化大，多发生边界层脱 体,产生大量旋涡，消耗了机械能。
查截止阀全开, 接管内径 d=100mm时 的当量长度le
流动状态密切相关
1.1 流体流动基本概念
连续介质假定——流体由无数质点组成， 质点的大小比分子间距离大得多，比设备 尺寸小得多。
系统与控制体
系统-包含众多质点的集合。 控制体-考察问题的对象。
定态流动（连续稳定过程）与非定态流动
流体的压强
单位
N/m2=Pa 106Pa=1MPa
流体柱高度 ( p=ρgh ) 1 atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O
查管道出口 损失ζ值
1.7简单管路计算
简单管路的数学方程:柏努力方程、连续性方程、 能量损失计算式，分别为
p1
u12 2
gz1 we
p2
u22 2
gz2
hf
2
u1
d2
u2
d1
hf
l le d
u2 2
复杂管路的特点
并联管路 1、总流量等于分流量之和 2、单位质量流体流过各支路的阻力损失相等 分支管路的特点 1、总流量等于分流量之和 2、在流动终了时，单位质量流体的总机械能与阻力
特性。 粘性体现在黏滞力或粘性摩擦力 粘性摩擦力—运动着的流体内部相邻的两流体层 （同一层的流体流速相同）间的相互作用力。流 体运动时必须克服内摩擦力消耗到一部分能量。
牛顿黏性定律
黏性的物理本质：分子间引力和分子热运 动、碰撞。
牛顿黏性定律
表明①流体受剪切力必运动。 ②牛顿型流体与非牛顿型流体的区别。
流体的黏度
黏度 μ物理意义：促使流体产生单位速度 梯度的剪应力大小
μ=f（P,T) 气体μ，温度升高，黏度增大（分子运动碰 撞起决定作用）； 液体μ，温度升高黏度减小（分子间力决定 作用）。
流体的黏度
黏性与黏度—定性与定量的关系 理想流体μ=0 静止流体μ=？0} 均无粘性 实际流体μ≠0
1 bar=105Pa
1 at=1kg(f)/cm2=9.81×104Pa
表示法
绝对压强 相对压强
真空度 表压
表压=绝对压-大气压
真空度=大气压-绝对压
1.2 流体的性质
一、 流体的密度 一般地： 纯物质的密度可查相关资料 混合物的密度需计算
1.2 流体的性质
二、 流体的黏度(viscosity) 黏性(viscousness)—流体内在的抗拒向前运动的
B-eq.的解题要点
作出工艺流程图，划定衡算范围。 选取截面。截面应与流向垂直，截面间流
体是连续的。界面或界面间应包括尽可能 多的已知量或可求量。 选择基准面 列出方程。注意压强表示方要一直；单位 统一
B-eq.应用举例
例1 虹吸管问题
用虹吸管从高位槽向反 应器加料。反应器与储槽 均通大气，要求料液速度 达1m/s，料液在管内的能 量损失为20J/kg（不包括 出口损失），求高位槽液 面比管出口应高出多少？
第一章
流体流动与输送
第一章 流体流动与输送
流体输送是研究单元操作的基础 什么是流体？具有流动性，气体液体统称流
体 研究的内容 1、流体静力学 2、动力学 3、流体输送机械
第一章流体流动与输送
主要解决的问题 1、流体输送，速度？管径？外加能量？ 2、压强、流量的测量？ 3、设备的强化？传热、传质的好坏与流体的
静力学方程应用条件
应用条件：
①同种流体且不可压缩(气体高差不大时仍可用)
②静止
③重力场
④单连通
流体的总势能
总势能
（压强能与位能之和）
虚拟压强
静力学应用（一）
压强、压差的测量——U型压差计，测压 差时，两端分别与测压点相连；测压强时， 一端接测压点，一端通大气。
应用举例 1、U型压差计 2、微差压差计
柏努力（Bernoulli)方程—能量守恒
p1
gz1
p2
gz2
z1g
p1
u12 2
z2g
p2
u22 2
z1 g
p1
u12 2
z2g
p2
u22 2
hf
B-eq.的推导
柏式方程应用条件
稳态流动，不可压缩流体 可压缩流体，压力变化不大于20%，以平
均密度代入 非稳态流动的某一瞬间B-eq.仍然成立
无因次数群——凡是几个有内在联系的物理 量按无量纲条件组成的数群，称为准数或 无因次数群。不论采用何单位制，其数值 相等。
层流与湍流的区别
层流
湍流
质点运动方式 速度分布 流动阻力
沿轴向作有规则 除轴向运动外，
的平行运动
产生径向位移，
质点碰撞
管内分布呈抛物 抛物线顶部变得
线状
平坦
黏性摩擦力为主，因漩涡、质点碰
1.6 流体流动现象
流动类型与雷诺实验 1、雷诺（Reynolds)实验与雷诺准数(Re)
实验现象 2、Re的物理意义：反映惯性力与黏滞力的
比值(Re=ρud/μ) 3、Re ≤2000 层流（Laminar flow)
Re ≥4000 湍流（Turbluent flow）
层流与湍流的区别
层流与湍流的根本区别——湍流产生速度脉 动（velocity fluctuation)
黏度的单位 SI制：Pa S 物理制 P（泊） 习惯用厘泊（cP)——百分之一泊表示 1 Pa S =1000 cP 1 P =100 cP
黏度的测量方法：旋转式黏度计、毛细管黏度计、 落球式黏度计。
1.3 非牛顿型流体
分类
| 假塑性流体
| 无屈服应力 |
|与时间无关|
| 涨塑性流体
|
| 有屈服应力 宾汉塑性流体
B-eq.讨论
1、we=0,理想流体机械能守恒。 u2/2+gz+p/ρ=const
2、若u1=u2=0,则 gz+p/ρ=const ——流体静力学方程。 3物、理u量2/2。，gz，p/ρ为各截面上的物理量，而we,∑hf 为过程 4、衡算基准不同，方程形式不同。 1kg流体：u2/2，gz，p/ρ，we, ,∑hf 1N流体： u2/（2g），z，p/（ρg），He,, ,∑Hf 1m3流体：ρu 2/2， ρ gz，p，HT, , ρ ∑hf