化工流体流动 学时优秀课件
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化工原理课件第1章：流体流动
C.G.S制
dyn
cm2 P（泊 ） cm s cm
换算如下：
1厘泊（cP）＝10－2 泊（P）＝10－3 N· s/m2＝10－3 Pa· s 运动粘度：
化工原理——流体流动
1.3.1 流体流动的基本概念
• 温度对粘度的影响：
气体的粘度比液体的粘度大约小两个数量级。
•
压力对粘度的影响一般可以忽略不计 对于不缔合混合液体：lg m xi lg i
Y Fy / m Z Fz / m
其数值也就分别等于自由落体加速度g在x、y、z轴上的分 量，则： z X Y 0
Z m g / m g
x y
化工原理——流体流动
1.1.2 流体流动中的作用力
2. 表面力——与流体微元接触的外界（器壁、或指定的 流体微元周围的其他流体）施加于该流体微元之力。
化工原理——流体流动
B
p1 p A gh1 p2 pB g (h2 R) i gR
h2
A
p1 p2
整理得：
h1
( p A ghA ) ( pB ghB ) Rg ( i )
' ' pA pB Rg ( i )
i 1 n
• 混合物的粘度
对于低压混合气体：
m
y M
i 1 n i i
n
i
1 2
y M
i 1 i
i
1 2
化工原理——流体流动
1.3.1 流体流动的基本概念 4. 粘性流体与理想流体
自然界中的流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为粘性流体或 实际流体。完全没有粘性即μ＝0 的流体称为理想流体。 理想流体实际上不存在，但引入理想流体的概念在研究实际流体 流动时很重要。因为粘性的存在给流体流动的数学描述和处理带来很 大困难，因此对于粘度较小的流体如水和空气等，在某些情况下可首 先将其视为理想流体。但当粘性对流动起主导作用时，则实际流体不 能按理想流体处理。
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。
化工原理-第一章-流体流动PPT课件
.
4
第一节 流体静力学
研究外力作用下的平衡规律
一、流体的压力
1.定义： 流体垂直作用于单位面积上的力。
2.单位：
lim p
P
A0 A
Pa（帕斯卡，SI制）, atm（标准大气压）, 某流体柱高度, kgf/cm2(工程大气压) , bar（巴）等
.
5
其之间换算关系为：
1 atm = 760 mmHg = 1.0133×105 Pa = 1.033 kgf/cm2 = 10.33 mH2O = 1.0133 bar
.
6
3.表示方法
绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，是 流体的真实压强；以绝对真空为基准 表压强：绝对压强比大气压强高出的数值；以 当时当地压力为基准 真空度：绝对压强低于大气压强的数值。
.
7
绝对压
表压 真空度 绝压（余压）
实测压力
大气压 实测压力
绝对零压
表压＝绝对压-大气压 真空度＝大气压 - 绝对压
P1-P2=（a- c）Rg
A
.
23
例1-4：常温水在管道中流动，用双U型管测两
点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计
算两处压力差如图：
2
1'' 1 1'
2'
R
x
ab
P1= P1’
P2= P2’
Pa= P1’+水 g x
P1’= 汞 g R+ P2
Pb = 水 g x +水 g R + P2’
0
P1 - P2= R g 0
倒U型管压差计？ P15
.
20
U管压差计 指示液要与被测流体不互溶，不起化学反
大学化学《化工原理-流体流动》课件
3. 电解食盐水制烧碱
水
大块食盐
碾磨
加热、搅拌、溶解
Cl2
电解反应
澄清、过滤
浑盐水
H2
烧碱液
蒸发浓缩结晶
烧碱
•12
0.1 化工过程与单元操作
物理操作在生产过程中占极重要地位。 化工生产中普遍采用、遵循共同操作原理，设 备相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作， 称为“化工单元操作”。
•13
0.1 化工过程与单元操作
——各组分的体积分率。
•42
1.1 流体静力学基本方程式
已知各组分质量分率
1 xw1 xw2 xwn
m 1 2
n
(4)
xw1, xw2 xwn
——液体混合物中各组分的质量分率。
•43
1.1 流体静力学基本方程式
已知各组分摩尔分率
M i xi M1x1 M 2 x2 M n xn
(5)
化工原理
考核方式
• 提倡并鼓励同学之间讨论作业，但最终应独立完 成作业，作业1/3以上未交的不能参加考试。
• 缺勤3次以上的不能参加考试。 • 考核方式：期末（70%）+平时成绩（30%）（作
业+笔记+考勤+期中+实验）。
•2
参考书
• 化工原理(第三版) ， 陈敏恒。化学工业 出版社。
• 化工原理（新版），姚玉英主编。天津 大学出版社。
三、单位换算 1．定义：同一物理量若用不同单位度量时，其数值
需相应地改变，这种换算称为单位换算。 2．单位换算的基本方法 例：一标准大气压的压力等于1.033kgf/cm2，将其换
算成SI单位。
•25
0.4 单元操作中常用的基本概念
水
大块食盐
碾磨
加热、搅拌、溶解
Cl2
电解反应
澄清、过滤
浑盐水
H2
烧碱液
蒸发浓缩结晶
烧碱
•12
0.1 化工过程与单元操作
物理操作在生产过程中占极重要地位。 化工生产中普遍采用、遵循共同操作原理，设 备相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作， 称为“化工单元操作”。
•13
0.1 化工过程与单元操作
——各组分的体积分率。
•42
1.1 流体静力学基本方程式
已知各组分质量分率
1 xw1 xw2 xwn
m 1 2
n
(4)
xw1, xw2 xwn
——液体混合物中各组分的质量分率。
•43
1.1 流体静力学基本方程式
已知各组分摩尔分率
M i xi M1x1 M 2 x2 M n xn
(5)
化工原理
考核方式
• 提倡并鼓励同学之间讨论作业，但最终应独立完 成作业，作业1/3以上未交的不能参加考试。
• 缺勤3次以上的不能参加考试。 • 考核方式：期末（70%）+平时成绩（30%）（作
业+笔记+考勤+期中+实验）。
•2
参考书
• 化工原理(第三版) ， 陈敏恒。化学工业 出版社。
• 化工原理（新版），姚玉英主编。天津 大学出版社。
三、单位换算 1．定义：同一物理量若用不同单位度量时，其数值
需相应地改变，这种换算称为单位换算。 2．单位换算的基本方法 例：一标准大气压的压力等于1.033kgf/cm2，将其换
算成SI单位。
•25
0.4 单元操作中常用的基本概念
化工原理流体流动课件第1章 流体流动
22
二、复杂管路
并联管路与分支管路的计算内容有: ①已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管 的流量； ②已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置， 要求选择合适的管径； ③在已知的输送条件下，计算输送设备应提供的 功率。
23
二、复杂管路
并联管路：
1
在A、B 两截面之间列
伯努利方程。
对于支管1，有
18
管路计算
管路分类
简单管路 复杂管路
直径不变 异径管串联
分支管路 并联管路
19
一、简单管路
描述简单管路中各变量间关系的控制方程：
连续性方程
Vs πd 2u / 4 常数
伯努利(能量)方程
gz1
u12 2
p1
We
gz2
u22 2
p2
hf
能量损失计算式
hf
(
29
【例 1-3】解：
1
60000 g
u
2 A
2g
1
u12 2g
0.02 5 0.016
u12 2g
1
60000 g
u
2 A
2g
4
u
2 2
2g
0.02 5 0.016
u 22 2g
1
60000
u
2 A
7
u32
0.02
5
u32
g 2g
等总称为管件。不同管件或阀门的局部阻力系数
可从有关手册中查得。
6
二、当量长度法
将管件与阀门的局部阻力折算成一定长度的直 管阻力，如下式
二、复杂管路
并联管路与分支管路的计算内容有: ①已知总流量和各支管的尺寸，要求计算各支管 的流量； ②已知各支管的流量、管长及管件、阀门的设置， 要求选择合适的管径； ③在已知的输送条件下，计算输送设备应提供的 功率。
23
二、复杂管路
并联管路：
1
在A、B 两截面之间列
伯努利方程。
对于支管1，有
18
管路计算
管路分类
简单管路 复杂管路
直径不变 异径管串联
分支管路 并联管路
19
一、简单管路
描述简单管路中各变量间关系的控制方程：
连续性方程
Vs πd 2u / 4 常数
伯努利(能量)方程
gz1
u12 2
p1
We
gz2
u22 2
p2
hf
能量损失计算式
hf
(
29
【例 1-3】解：
1
60000 g
u
2 A
2g
1
u12 2g
0.02 5 0.016
u12 2g
1
60000 g
u
2 A
2g
4
u
2 2
2g
0.02 5 0.016
u 22 2g
1
60000
u
2 A
7
u32
0.02
5
u32
g 2g
等总称为管件。不同管件或阀门的局部阻力系数
可从有关手册中查得。
6
二、当量长度法
将管件与阀门的局部阻力折算成一定长度的直 管阻力，如下式
大学化学《化工原理-流体流动1》课件
第一章 第二节
对于Z方向微元
pA ( p dp) A gAdz dp gdz 0
不可压缩液体
const., p / gz const. p1 p2 g(z2 z1)
第一章 第二节
不可压缩流体
条件 静止
单一连续流体
结论
单一连续流体时→同一水平面静压力相等 间断、非单一流体→逐段传递压力关系
[确切标明 （表）、（绝）、（真）]
第一章 第一节
三、剪力、剪应力、粘度
流体沿固体表面流过存在速度分布
F du
A
dy
：动力粘度、粘性系数
第一章 第一节
牛顿型 非牛顿型
假塑性
塑性 涨塑性
＝ du
dy
＝
y
du dy
＝ du n
dy
＝ du n
dy
n n
第一章 第一节
ห้องสมุดไป่ตู้ 粘度
Pa s
N / m2 m/s/m
第一章 第二节
二 、流体静力学方程的应用
1、压差计
p1 p2 (A B )gR
微差压差计
(1)D : d 10 :1
(2)
B
与
很接近
A
第一章 第二节
2、液面计
3、液封
4、液体在离心力场内的静力学平衡
p
p
r
r
第一章 第二节
N s m2
T↑ 液体 ↓, 气体 ↑
P↑ 基本不变, 基本不变
40atm以上考虑变化
第一章 第一节
混合粘度
1、不缔合混合液体
log m
xi log i
2、低压下混合气体
m
yi
对于Z方向微元
pA ( p dp) A gAdz dp gdz 0
不可压缩液体
const., p / gz const. p1 p2 g(z2 z1)
第一章 第二节
不可压缩流体
条件 静止
单一连续流体
结论
单一连续流体时→同一水平面静压力相等 间断、非单一流体→逐段传递压力关系
[确切标明 （表）、（绝）、（真）]
第一章 第一节
三、剪力、剪应力、粘度
流体沿固体表面流过存在速度分布
F du
A
dy
：动力粘度、粘性系数
第一章 第一节
牛顿型 非牛顿型
假塑性
塑性 涨塑性
＝ du
dy
＝
y
du dy
＝ du n
dy
＝ du n
dy
n n
第一章 第一节
ห้องสมุดไป่ตู้ 粘度
Pa s
N / m2 m/s/m
第一章 第二节
二 、流体静力学方程的应用
1、压差计
p1 p2 (A B )gR
微差压差计
(1)D : d 10 :1
(2)
B
与
很接近
A
第一章 第二节
2、液面计
3、液封
4、液体在离心力场内的静力学平衡
p
p
r
r
第一章 第二节
N s m2
T↑ 液体 ↓, 气体 ↑
P↑ 基本不变, 基本不变
40atm以上考虑变化
第一章 第一节
混合粘度
1、不缔合混合液体
log m
xi log i
2、低压下混合气体
m
yi
大学化学《化工原理-流体流动1》课件
获得方法：（1）查物性数据手册 （2）公式计算：
液体混合物： 1 w1 w2 wn
m 1 2
n
w：质量分数 假定：混合前后总体积不变
气体： pM
RT
----------理想气体状态方程
§1.1 流体静止的基本方程
5
气体混合物：m 1x1 2 x2
n xn
x ：体积分数 假定：混合前后总质量不变
表面力
切向力（剪力）
静止的流体不存在剪力， 但存在压力和质量力。
§1.1 流体静止的基本方程
7
三、压力的表示方法
压力: 物体单位面积上所受到的流体垂直作用的力 （压强）
1. 压力单位
SI制中， N/m2 =Pa 帕斯卡
1atm（标准大气压）=1.013×105Pa =760 mmHg =10.33 mH2O =1.033kgfcm-2 =1.033at（工程大气压） =1.013bar（巴）
18
读数R就反映了被测流体的表压或真空度。
减少被测流体与指示液间的密度差
当P1-P2值较小时
倾斜U管压差计 微差压差计
2. 倾斜U管压差计
假设垂直方向上的高度为R，读数为R’，与水平倾斜角度α
R' sin R p1
R' R
sin
R
p2
R
放大倍数为 1 sin
0
倾斜式压差计
§1.1 流体静止的基本方程
1 2 0 gR
结论：压差计读数与被测两点的广义压差成正比
17
当管子平放时： P1 P2 0 gR
——两点间压差计算公式
当被测的流体为气体时，0
P1 P2 0gR
若 U 型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，
液体混合物： 1 w1 w2 wn
m 1 2
n
w：质量分数 假定：混合前后总体积不变
气体： pM
RT
----------理想气体状态方程
§1.1 流体静止的基本方程
5
气体混合物：m 1x1 2 x2
n xn
x ：体积分数 假定：混合前后总质量不变
表面力
切向力（剪力）
静止的流体不存在剪力， 但存在压力和质量力。
§1.1 流体静止的基本方程
7
三、压力的表示方法
压力: 物体单位面积上所受到的流体垂直作用的力 （压强）
1. 压力单位
SI制中， N/m2 =Pa 帕斯卡
1atm（标准大气压）=1.013×105Pa =760 mmHg =10.33 mH2O =1.033kgfcm-2 =1.033at（工程大气压） =1.013bar（巴）
18
读数R就反映了被测流体的表压或真空度。
减少被测流体与指示液间的密度差
当P1-P2值较小时
倾斜U管压差计 微差压差计
2. 倾斜U管压差计
假设垂直方向上的高度为R，读数为R’，与水平倾斜角度α
R' sin R p1
R' R
sin
R
p2
R
放大倍数为 1 sin
0
倾斜式压差计
§1.1 流体静止的基本方程
1 2 0 gR
结论：压差计读数与被测两点的广义压差成正比
17
当管子平放时： P1 P2 0 gR
——两点间压差计算公式
当被测的流体为气体时，0
P1 P2 0gR
若 U 型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，
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环形截面积
四、转子流量计
故 Vs CR AR 2gVf ( f ) / Af m3 / s
AR ～ Vs
用转子所处位 置的高低反映 流体流量大小
CR f (Re)
孔流系数 CR
四、转子流量计
3.转子流量计的校正 转子流量计的刻度与被测流体的密度有关
标定 流体
液体：水 气体：空气
Vs,2 1( f 2 ) Vs,1 2 ( f 1)
对于直管 B
gzO
uO2 2
pO
gzB
u
2 B
2
pB
hf ,B
对于直管 C
gzO
uO2 2
pO
gzC
uC2 2
pC
h f ,C
二、复杂管路的特点
比较得
gzB
u
2 B
2
pB
hf ,B
gzC
uC2 2
pC
h f ,C
结论2
对于分支管路，单位质量流体在各支管流动 终了时的总机械能与能量损失之和相等。
第一章 流体流动
1.4 流体流动的基本方程式 1.5 流体在管内的流动 1.6 管路计算 1.7 流量测量
一、测 速 管
1.测速管的结构
冲压口
测速管—皮托管（Pitot tube）
动画：皮托管
静压口
1- 静压管 2- 冲压管
测速管示意图
一、测 速 管
2.测速管的工作原理
点1与点2 间列方程
gz1
测压方法—角接取压法
设角接取压方法压差为 pa pb
u02 u12 C1C2 2( pa pb) / 角接取压法
校正系数 （取压法校正）
二、孔板流量计
由连续性方程
Vs A1u1 A0u0
u12
u02 (
A0 A1
)2
由此得
u0
C1C2 2( pa pb ) / 1 ( A0 / A1)2
二、孔板流量计
2.孔板流量计的工作原理
在11 和 0 0截面间列方程
gZ1
u12 2
p1
gZ0
u02 2
p0
Z1 Z0
u02 u12 2( p1 p0) /
校正系数 （能量损失校正）
u02 u12 C1 2( p1 p0) /
二、孔板流量计
孔板厚度
0.05d1
管 径
测压孔孔直径 0.08d1
二、复杂管路的特点
在A、B两截面间列方程
gzA
u
2 A
2
pA
gzB
u
2 B
2
pB
h f ,AB
对于直管 1
gzA
u
2 A
2
pA
gzB
u
2 B
2
pB
h f ,1
二、复杂管路的特点
对于直管 2
gzA
u
2 A
2
pA
gzB
uB2 2
pB
hf ,2
比较得
h f ,AB h f ,1 h f ,2
下标1－出厂标定流体 下标2－实际测定流体
练习题目
思考题
1.并联管路和分支管路各有哪些特点？ 2.测速管的工作原理如何？ 3.孔板流量计的工作原理如何? 4.文丘里流量计的工作原理如何？ 5.转子流量计的工作原理如何?
作业题: 26、27、29
本章小结
本章重点掌握的内容
v 流体的物理性质 ¯ 流体的密度 ¯ 流体的黏度 ¯ 流体的三种分类方法
化工流体流动 学时
一、复杂管路的类型
存在分流与合流的管路— 复杂管路。
复杂管路
并联管路 分支管路
并联管路
分支管路
二、复杂管路的特点
1. 并联管路 根据质量守恒定律，在稳态下：
ws ws,1 ws,2 kg/s
不可 压
缩流
Vs Vs,1 Vs,2 m3/s
体
结论1 主管中的流量等于各支管的流量之和
径
孔流系数 C0
三、文丘里流量计
1.文丘里（Venturi）流量计的结构
以一段渐缩渐扩的短管代替孔板—文丘里流量计
文丘里流量计 的能量损失小于孔 板流量计。
喉 颈
文丘里流量计示意图
三、文丘里流量计
2.文丘里流量计的工作原理 文丘里流量计的工作原理类似于孔板流量计。
故 Vs CV A0 2gR( A ) / m3 / s
u12 2
p1
gz2
u22 2
p2
p2
p1
u12
2
u1 2( p2 p1) /
p1 12 p1 p管
待测点速度 ur u1
ur 2p / p p1 p2
设U管压差计指示液密度为 A，读数为R p ( A )gR
故
ur
2( A )gR
一、测 速 管
二、孔板流量计
令
C0
C1C2 1 ( A0 / A1)2
孔
流 系
u0 C0 2( pa pb) /
数
Vs A0u0 C0 A0 2( pa pb) /
m3 / s
ws A0u0 C0 A0 2( pa pb) kg / s
二、孔板流量计
设U管压差计指示液密度为 A，读数为R
流
喉颈
量
处
系
截面
数
积
通常取 C V= 0.98～0.99
四、转子流量计
1.转子流量计的结构 动画：转子流量计
转子流 量计
测速管
变截面 流量计
孔板流 量计
文丘里 流量计
变压力 流量计
1- 锥形玻 璃管
A
2- 转子
3- 刻度
转子流量计示意图
四、转子流量计
2.转子流量计的工作原理
设 转子
体积 V f
密度 f
结论2
与各支管 的设置无
关
并联管路中单位质量流体流经各支管的阻力相等
二、复杂管路的特点
2. 分支管路 根据质量守恒定律，在稳态下：
ws,A ws,B ws,C kg/s
Vs,A Vs,B Vs,C m3/s
不可
结论1
压 缩流
主管中的流量等于各支管的流量之和 体
二、复杂管路的特点
以分支点 O为上游截面，分 别对直管 B和直管C 列方程
为保证测速管的测量精度引入一校正系数
ur C
2( A )gR
校正 系数
注意
C = 0.98～1.0
v 测速管测定的为点速度。
v 测定平均速度的方法：
umax Remax ub / umax ub
二、孔板流量计
1.孔板流量计的结构 动画：孔板流量计
孔板
缩脉
缩脉处，流速最 大，压力最低。 孔板流量计示意图
最大截面积 Af
上游截面 11 下游截面 2 2
转子处于平衡时
压力差 p1 p2
压力差 ＝ 重力 － 浮力
四、转子流量计
( p1 p2 ) Af V f f g V f g N
p1
p2
Vf
g( f
Af
)
常数
类似于孔板流量计，可写出
Vs CR AR 2( p1 p2) /
流量系数
pa pb ( A )gR
Vs C0 A0 2gR( A ) /
m3 / s
ws C0 A0 2gR( A )
kg / s
二、孔板流量计
C0 f (Re, A0 / A1)
Re d1u1
孔板流量计 安装要求：
临界 雷 诺数
C0 常数
上游直管长度 50d1 下游直管长度 10d1 管