化工原理第一章第三节
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第一章-流体流动-第三节-流体流动中的守恒原理
西北大学化工原理课件
ΣFx = qm (u2 x − u1x ) ΣFy = qm (u2 y − u1 y ) ΣFz = qm (u2 z − u1z )
式中qm为流体的质量流量，kg/s；ΣFx、ΣFy、ΣFz 为作用于控制体内流体上的外力之和在三个坐标轴上 的分量。
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动量守恒定理的应用举例 (1) 弯管受力 (2)流量分配
1 2 p1 1 2 p2 z1 g + u1 + + he = z2 g + u2 + + Σh f ρ ρ 2 2
g z ——位能
u2 2 p
动能 静压能
总机械能
ρ
Σhf ——能量损失 he——外加能量 单位——J/kg
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用柏努利方程解决问题的步骤： 条件：对不可压缩的定态流动且与外界没有能量交换
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第三节
流体流动中的守恒原理
流体流动规律的一个重要方面是流速、压强等 运动参数在流动过程中的变化规律。流体流动应当 服从一般的守恒原理：质量守恒、能量守恒和动量 守恒。从这些守恒原理可以得到有关运动参数的变 化规律。
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一、 质量守恒
1、流量 单位时间内流体流过管道任一截面的物质量 体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 qV—单位（m3/s或m3/h）—因次[L3/T] 质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 qm—单位(kg/s或kg/h)—因次[M/T] 二者关系： q m＝q vρ
℘ u + =C ρ 2
2
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2、沿流线的机械能守恒 柏努利方程也适合于做定态流动时同一流线的 流体，因为定态流动时流线和轨线重合。 3、理想流体管流的机械能守恒
化工原理(第一章第三节)
• 三、流动类型
• 1.层流 层流 • 流体质点作直线运动，即流体分层运动， 流体质点作直线运动，即流体分层运动，层 次分明，彼此互不混杂。 次分明，彼此互不混杂。 在总体上沿管道向前运动， 在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方 向作随机的脉动。 向作随机的脉动。
• 2.湍流 湍流 •
• 四、影响流型的因素
• 二、粘度 • 衡量流体粘性大小的物理量叫粘度。 衡量流体粘性大小的物理量叫粘度。 • 粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速 度梯度时剪应力的大小。 度梯度时剪应力的大小 。 粘度总是与速度梯度相 联系，只有在运动时才显现出来。 联系，只有在运动时才显现出来。 • 粘度是流体物理性质之一， 粘度是流体物理性质之一 ， 其值一般由实验 测定。液体的粘度随温度升高而减小， 测定 。 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。 度则随温度升高而增大 。 压力对液体粘度的影响 很小，可忽略不计，气体的粘度， 很小 ， 可忽略不计 ， 气体的粘度 ， 除非在极高或 极低的压力下，可以认为与压力无关。 极低的压力下，可以认为与压力无关。 • 粘度的单位， SI制中为 制中为： .s， 粘度的单位，在SI制中为：Pa .s，常用单位 还有： (P)、厘泊(cP) 它们之间的换算是： (cP)， 还有：泊(P)、厘泊(cP)，它们之间的换算是： • 1 Pa .s = 10 P = 1000 cP
1. 连续性方程
u1 d2 2 u2 =( d1 )
2. 柏努利方程
p2 1 2 p1 1 2 u2 +Wf u1 +We = gZ2 + ρ + gZ1 + ρ + 2 2 当能量用液柱高度表示时，上式可改写成 当能量用液柱高度表示时， p2 1 2 p1 1 2 u2 +hf u1 +he = Z2 + Z1 + + + ρg ρg 2g 2g 当能量用压力表示时， 当能量用压力表示时，柏氏方程可改写成
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
两根不同的管中，当流体流动的Re相 同时，只要流体的边界几何条件相 似，则流体流动状态也相同，这称为 流体流动的相似原理。
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
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
化工原理第一章主要内容
Δp f
=
32μlu d2
哈根(Hagen)－泊谡叶（Poiseuille）方程
（三）圆管内湍流流动的速度分布
1
u
=
umax
⎜⎛1 ⎝
−
r R
⎟⎞ n ⎠
um = 0.82umax
四、边界层的概念
（一）边界层及其形成 边界层： 流速小于主体流速的 99%的区域 。 （二）边界层的发展 1、流体在平板上的流动 2、流体在圆形直管进口段内的流动 3、边界层的分离 边界层分离的两个必要因素： 逆压梯度 dp/dx >0 ； 壁面附近存在粘性摩擦阻力 边界层分离易发生在流体通道扩大处
管进口ξ=0.5
定义：将局部阻力折算成某一长度相同直径直管所产生的阻力，该相当长度称为当量长度。
w' = λ le ⋅ u2
f
d2
h' = λ le ⋅ u2 f d 2g
Δp' = λ le ⋅ ρu2
f
d2
le 为当量长度
六、管路流动总阻力损失的计算
总阻力损失 = 直管阻力 + 局部阻力 不同管径段组成的管路总阻力损失应将各等径段的阻力损失加和
τ = (μ + ε ) du dy
第四节 管内流动的阻力损失
流体具有粘性——流动阻力产生的根源（内因）
管壁或其他形状的固体壁面——流动阻力产生的条件(外因)
管路阻力：直管阻力+局部阻力
Σhf=hf+hf’
阻力的几种表达形式及之间的相互关系：
Wf：单位质量流体所损失的机械能，J/kg ；hf：单位重量流体所损失的机械能 ，m
ρm = ρ1ϕ1 + ρ2ϕ2 + ...... + ρnϕn
化工原理ppt-第一章流体流动
其单位为J/kg。
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二、流体系统的质量守恒与能量守恒
2. 柏努利方程
(1) 总能量衡算
4）外加能量 流体输送机械（如泵或风机）向流体作功。单位质量流体所获得
的机械能。用We表示，单位J/kg。 5）能量损失
液体流动克服自身粘度而产生摩擦阻力，同时由于管路局部装置 引起的流动干扰、突然变化而产生的阻力。流体流动时必然要消耗 部分机械能来克服这些阻力。单位质量流体克服各种阻力消耗的机 械能称为能量损失。用Σhf ，单位J/kg。
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知识运用
【1-3】某自来水厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道，试选择一合 适的管子。
解：水的密度：1000kg/m3， 体积流量：Vs=30000/（3600×1000）=0.0083（m3/s）
查表水流速范围，取u=1.8m3/s
根据d 4Vs
u
d 4Vs 4 30 / 3600 0.077 m 77mm
22
一、流体流量和流速
2.流速
单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
（1）平均流速：u=Vs/A （m/s）
关系:G =u
（2）质量流速：G=Ws/A (kg/(m2·s))
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一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
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一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
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二、流体压力
2.表压与真空度
表压和真空度
p 当地大气压，
表压强=绝对压强-大气压强
p 当地大气压，
真空度=大气压强-绝对压强
化工原理第一章(流体的流动现象)
ρ(
∂v ∂v ∂v ∂v ∂p ∂ ∂v 2 r ∂ ∂v ∂w ∂ ∂u ∂v + u + v + w ) = k y − + µ(2 − ∇v) + µ( + ) + µ( + ) ∂t ∂x ∂y ∂z ∂y ∂y ∂y 3 ∂z ∂z ∂y ∂x ∂y ∂x
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湍 流 的 实 验 现 象
2012-4-18
（3）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别） ）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别） ①流体在管内作层流流动 层流流动时，其质点沿管轴作有规 有规 层流流动 互不碰撞，互不混合 则的平行运动，各质点互不碰撞 互不混合 的平行运动 互不碰撞 互不混合。 ②流体在管内作湍流流动 湍流流动时，其质点作不规则的杂 湍流流动 不规则的杂 乱运动，并互相碰撞混合 互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡 旋涡。 乱运动 互相碰撞混合 旋涡 管道截面上某被考察的质点在沿管轴向 轴向运动的同时 轴向 ，还有径向 径向运动（附加的脉动 脉动）。 径向 脉动
du F = µA dy
式中：F——内摩擦力，N； du/dy——法向速度梯度 法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的 法向速度梯度 y方向流体速度的变化率，1/s； µ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度 粘度或动力粘度，Pa·s。 粘度或动力粘度
2012-4-18
【剪应力 剪应力】 剪应力 【定义 定义】单位面积上的内摩擦力称为剪应力 剪应力，以τ表 定义 剪应力 示，单位为Pa。
ρ(
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著名的“纳维-斯托克斯方程”，把流体的速度、压力、密 度和粘滞性全部联系起来，概括了流体运动的全部规律；只 是由于它比欧拉方程多了一个二阶导数项，因而是非线性的 ，除了在一些特殊条件下的情况外，很难求出方程的精确解 。分析这个方程的性态，“仿佛是在迷宫里行走，而迷宫墙 的隔板随你每走一步而更换位置”。计算机之父冯·诺意曼（ Neumann，Joha von 1903～1957）说：“这些方程的特性…… 在所有有关的方面同时变化，既改变它的次，又改变它的阶 。因此数学上的艰辛可想而知了。 有一个传说，量子力学家海森伯在临终前的病榻上向上帝提 有一个传说 了两个问题：上帝啊！你为何赐予我们相对论 相对论？为何赐予我 相对论 们湍流 湍流？海森伯说：“我相信上帝也只能回答第一个问题” 湍流 。
化工原理第一章主要内容
湍流：无严格的层的概念，各质点相互碰撞混合
（二）雷诺数 Re 没有因次的特征数 雷诺数用于判断流动型态
Re
=
duρ μ
层流：Re<2000；过渡流：2000<Re<4000；湍流：Re>4000
雷诺数的物理意义：流体流动中惯性力与粘滞力之比
二、湍流的基本概念
（一）湍流的发生与发展 （二）湍流的脉动现象和时均化 脉动现象：湍流流体中各物理量围绕某一平均值上下波动的现象。 瞬时量 = 时均量 + 脉动量
ρm = ρ1ϕ1 + ρ2ϕ2 + ...... + ρnϕn
比容υ ν = 1/ ρ
比重(相对密度) d
d = 1 / ρ , 4° C水
二、压力 p 的表示方法
ρm
=
PM m RT
定义：垂直作用于流体单位面积上的力 1atm=760mmHg=1.013×105Pa=1.033kgf/cm2 =10.33mH2O 1at=735.6mmHg =9.807×105Pa =1kgf/cm2 =10mH20 表压 = 绝对压力 - 大气压力 真空度 = 大气压力 - 绝对压力
三、机械能衡算方程
依附于流体的能量：内能、动能、位能、压力能；
不依附于流体的能量：热、功 机械能：包括位能、动能、压力能和功，对流体流动有贡献。 非机械能：包括内能和热，对流体流动无贡献 （一）理想流体的伯努利方程
gZ1
+
u12 2
+
p1 ρ
=
gZ2
+
u22 2
+
p2 ρ
理想流体的机械能守恒
（二）实际流体的机械能衡算
τ = (μ + ε ) du dy
化工原理第一章第三节(07级)PPT课件
Ne=ms we=15×2880=43200(w)=43.2(kW)
答：泵的有效功率为43.2kW。
2.16MPa 22
36m
第一章 流体流动
机械能衡算式与连续性方程是解决流体输送问题不可缺少的两个关 系式，下面通过几个例题来说明其应用。
例1 桶中的水经虹吸管流出，如图所示，设流动阻力可以不计，求管内 水的流速，又，求截面 A（管内）、B、C三处的静压力。管径不变，大 气压为101.3kPa。
D
(1) 能自动排出的水量及排水所需时间； H
1.5m
(2) 如在泄水孔处安装一内径与孔径相同
的0.5m长的导水管（虚线所示），水箱 能否自动排空及排水所需时间（流动阻 力可忽略不计。）
0.5m
d
解：(1) 设 t 时箱内水深 H，孔口流速为 u0，以孔口面为基准 面，在水面与孔口截面间列柏努利方程，有
解：取桶内液面为截面1,管出口为截面2,以截面2为计算位能的基准水 平面，则：Z1=0.7m，Z2=0。 u1=0，p1=pa=101.3kPa。
因无外功加入，流动阻力可以忽略不计，即：
We = 0, Wf = 0。 在截面1和截面2之间列柏努利方程，有:
Z1g+u12 /2+p1 /ρ+ We = Z2g+u22 /2+p2 /ρ+Wf 将已知数据代入上式得：0.7g = u22/2
利用此总压头数值可以分别求得各截面上的静压头与压力。 截面A： pA/ρg = h –ZAg-uA2/2g
=11.03-0.7-0.7 =9.63mH2O pA =9.63mH2O=94400Pa 截面B： pB/ρg = h –ZBg-uB2/2g
=11.03-1.2-0.7=9.13mH2O pB =9.13mH2O=89500Pa 截面C： pC/ρg = h –ZCg-uC2/2g
化工原理第1章第3节讲稿.ppt
对于圆形管道， A d 2
4
u
VS
d
2
4
d 4VS ——管道直径的计算式
u
生产实际中，管道直径应如何确定？
2020/4/2
二、定态流动与非定态流动
流动系统
定态流动 流动系统中流体的流速、压 强、密度等有关物理量仅随 位置而改变，而不随时间而 改变
非定态流动 上述物理量不仅随位置而且随 时间 变化的流动。
基准水平面的距离为Z1，Z2。
图
2020/4/2
对于定态流动系统：∑输入能量=∑输出能量
Σ输入能量
U1
gZ1
u
2 1
2
p1v1
Qe
We
Σ输出能量
U1 gZ1
U2
u12 2
gZ
p1v1
2
u22 2
p2v2
Qe We
U
2
gZ2
u22 2
p2v2
令U U2 U1 gZ gZ2 gZ1
当流体吸热时Qe为正，流体放热时Qe为负。
②功： 单位质量通过划定体积的过程中接受的功为：
We(J/kg) 质量为m的流体所接受的功= mWe(J)
流体接受外功时，We为正，向外界做功时, We为负。 流体本身所具有能量和热、功就是流动系统的总能量
。2020/4/2
3）总能量衡算
衡算范围：截面1-1’和截面2-2’间的管道和设备。 衡算基ห้องสมุดไป่ตู้：1kg流体。 设1-1’截面的流体流速为u1，压强为P1，截面积为 A1，比容为ν1； 截面2-2’的流体流速为u2，压强为P2，截面积为A2 ，比容为v2。 取o-o’为基准水平面，截面1-1’和截面2-2’中心与
化工原理第一章3.4节
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（一）、光滑管 ）、光滑管 柏拉修斯式： 柏拉修斯式：
λ = 0.316 Re 0.25 ， Re = 8 × 10 3 ~ 10 5
0.32 λ = 0.0056 + 0.5 Re ， Re = 3 × 10 3 ~ 3 × 10 6 顾琉珍公式： 顾琉珍公式：
尼－卡公式： 1 卡公式：
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层流时此段长度与管层之比约等于0.05Re 湍流时进口段长度大约等于40～50d。
层流边界层 湍流边界层
缓冲层
层流底层
层流边界层与湍流边界层
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二、边界层分离（产生大量漩涡） 边界层分离（产生大量漩涡） 摩擦阻力（表面阻力） 形体阻力（弯曲、扩大或缩小、边界层分离）
式中 uρ = mu / V 量梯度。 µ 剪应力即动量通量＝ ρ 与单位体积动量的梯度之积 负号表示动量传递的方向是速度减小的方向 运动粘度 v = µ ，单位 m2/s ，cm2/s
µ d (uρ ) τ =− ⋅ ρ dy
d (uρ ) 是单位体积的动量， dy 以单位体积流体计的动
ρ
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二、范宁公式与摩擦因素 范宁公式推导：P2 －P1 － FW ＝0 πd 2 πd 2 P2 －P1 ＝ (P2 －P1 )( ) ＝ ∆Pf 4 4
FW=
τ w (πdl )
带入上式，则
∆Pf = (4l )τ w d
τ w l ρu 2 ∆Pf = 8( 2 )( )( ) ρu d 2
第三节 流体流动现象 1-9 粘度
一、牛顿粘性定律
流体层——无数极薄的圆筒，一层套一层，每一层上质点 流速相等 du du τ =µ dy ， dy——速度梯度 ∆ 流体的粘性只有在它运动时才显现出 粘性总是与速度梯度相联系
化工原理课件 第一章第三节
如图所示，设有上、下两块面积很大且相距 很近的平行平板，板间充满某种静止液体。 若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外 力，上板就以恒定速度u沿x方向运动。 若u较小，则两板间的液体就会分成无数平行 的薄层而运动，粘附在上板底面下的一薄层流体 以速度u随上板运动， 其下各层液体的速度 依次降低，紧贴在下 板表面的一层液体， 因粘附在静止的下板 上, 其速度为零，两平 板间流速呈线性变化。
随着流体的向前流动，流速受影响的区域逐 渐扩大，即在垂直于流体流动方向上产生了速度 梯度。 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区 域，即流速降为主体流速的99％ 以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。
流体在平板上流动时的边界层： 如图1-26所示， 由于边界层的形成，把沿壁面 的流动分为两个区域：边界层区和主流区。
二、流体的粘度 （动力粘度）
1.粘度的物理意义
流体流动时在与流动方向垂直的方向上产 生单位速度梯度所需的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，流体只有在运 动时才显现出来。分析静止流体的规律时就不用 考虑粘度这个因素。 粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与 碰撞。
讨论 :
μ=f(p，T) T位时间通过单位截面积流体的质量；
μu/d 与流体内的黏滞力成正比。
u /( u / d )
2
du
Re
Re 数实际上反映了流体流动中惯性力与
黏滞力的比。标志着流体流动的湍动程度。 当惯性力较大时， Re 数较大；
当黏滞力较大时， Re 数较小；
一、层流时的速度分布 实验和理论分析都已证明，层流时的速度分 布为抛物线形状，如图1- 23所示。以下进行理论 推导。
物理单位制：
《化工原理》电子档
目录第一章流体流动与输送设备 (3)第一节流体静力学 (3)第二节流体动力学 (5)第三节管内流体流动现象 (7)第四节流体流动阻力 (8)第五节管路计算 (11)第六节流速与流量的测量 (11)第七节流体输送设备 (13)第二章非均相物系分离 (21)第一节概述 (21)第二节颗粒沉降 (22)第三节过滤 (25)第四节过程强化与展望 (27)第三章传热 (28)第一节概述 (28)第二节热传导 (28)第三节对流传热 (30)第四节传热计算 (30)第五节对流传热系数关联式 (31)第六节辐射传热 (34)第七节换热器 (35)第四章蒸发 (37)第一节概述 (37)第二节单效蒸发与真空蒸发 (37)第三节多效蒸发 (40)第四节蒸发设备 (41)第五章气体吸收 (42)第一节概述 (42)第二节气液相平衡关系 (45)第三节单相传质 (46)第四节相际对流传质及总传质速率方程 (49)第五节吸收塔的计算 (51)第六节填料塔 (58)第六章蒸馏 (60)第一节概述 (60)第二节双组分物系的气液相平衡 (60)第三节简单蒸馏和平衡蒸馏 (62)第四节精馏 (63)第五节双组分连续精馏的计算 (63)第六节间歇精馏 (67)第七节恒沸精馏与萃取精馏 (67)第八节板式塔 (67)第九节过程的强化与展望 (69)第七章干燥 (71)第一节概述 (71)第二节湿空气的性质及湿度图 (71)第三节干燥过程的物料衡算与热量衡算 (73)第四节干燥速率和干燥时间 (75)第五节干燥器 (76)第六节过程强化与展望 (78)第一章 流体流动与输送设备第一节 流体静力学流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。
1-1-1 密度单位体积流体的质量，称为流体的密度。
),(T p f =ρ液体密度 一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。
液体混合物的密度由下式计算：n n m a a a ρρρρ+++= 22111式中，i a 为液体混合物中i 组分的质量分数；气体密度 气体为可压缩性流体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算RT pM =ρ一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。
化工原理主要知识点
化工原理（上）各章主要知识点三大守恒定律：质量守恒定律——物料衡算；能量守恒定律——能量衡算；动量守恒定律——动量衡算第一节 流体静止的基本方程一、密度1. 气体密度：RTpMV m ==ρ2. 液体均相混合物密度：nm a a a ρρρρn 22111+++=Λ （m ρ—混合液体的密度，a —各组分质量分数，n ρ—各组分密度）3. 气体混合物密度：n n mρϕρϕρϕρ+++=Λ2211（m ρ—混合气体的密度，ϕ—各组分体积分数）4. 压力或温度改变时，密度随之改变很小的流体成为不可压缩流体（液体）；若有显着的改变则称为可压缩流体（气体）。
二、.压力表示方法1、常见压力单位及其换算关系：mmHgO mH MPa kPa Pa atm 76033.101013.03.10110130012=====2、压力的两种基准表示：绝压（以绝对真空为基准）、表压（真空度）（以当地大气压为基准，由压力表或真空表测出） 表压 = 绝压—当地大气压 真空度 = 当地大气压—绝压三、流体静力学方程1、静止流体内部任一点的压力，称为该点的经压力，其特点为： （1）从各方向作用于某点上的静压力相等；（2）静压力的方向垂直于任一通过该点的作用平面；（3）在重力场中，同一水平面面上各点的静压力相等，高度不同的水平面的经压力岁位置的高低而变化。
2、流体静力学方程（适用于重力场中静止的、连续的不可压缩流体）)(2112z z g p p -+=ρ)(2121z z g pg p -+=ρρ p z gp=ρ（容器内盛液体，上部与大气相通，g p ρ/—静压头，“头”—液位高度，p z —位压头 或位头）上式表明：静止流体内部某一水平面上的压力与其位置及流体密度有关，所在位置与低则压力愈大。
四、流体静力学方程的应用 1、U 形管压差计指示液要与被测流体不互溶，且其密度比被测流体的大。
测量液体：)()(12021z z g gR p p -+-=-ρρρ 测量气体：gR p p 021ρ=-2、双液体U 形管压差计gR p p )(1221ρρ-=-第二节 流体流动的基本方程一、基本概念1、体积流量（流量s V ）：流体单位时间内流过管路任意流量截面（管路横截面）的体积。
化工原理第一章第三节(2)和第四节
2013-7-13
ε/d
Re
2013-7-13
2)
λ值的经验关系式
柏拉修斯(B6
Re 0.25
适用范围为Re=3×103～1×105
7. 非圆形管内的摩擦损失
对于圆形管道，流体流经的管道截面为: 流体润湿的周边长度为: πd
2 d 4
当量直径： de=4×流道截面积/润湿周边长度
令rH 水力半径 流道截面积 润湿周边长度
de 4rH
2013-7-13
对于长宽分别为a与b的矩形管道，de=？
4ab 2ab de 2(a b) a b
外径为d1 的内管和内径为d2 的外管构成的环形通 道，de=？
de
4 (
4 4 (d1 d 2 )
实验研究建立经验关系式的方法 基本步骤：
1) 找出影响过程的各种变量 2) 利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群 3) 建立过程的无因次数群，采用幂函数形式
——因次分析法
2013-7-13
• 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按 无因次变量组织实验，从而大大减少实验次数。 • 依据：因次一致性原则和白金汉(Buckinghan)的π定理 因次一致原则 ： 凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程 式，式中左边的因次应与右边的因次相同。 π定理：
△表示的不是增量，而△P中的△表示增量；
2.一般情况下，△P与△Pf在数值上不相等； 3.只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管 内流动时， △P与压强降△Pf在绝对数值上才相等。
2013-7-13
一、流体在直管中的流动阻力
1、计算圆形直管阻力的通式
化工原理各章节知识点总结
化工原理各章节知识点总结化工原理是化学工程专业的基础课程，主要介绍了化学工程的基本概念、理论和技术。
下面是各章节的知识点总结：第一章：化工原理的基本概念和性质1.化工原理的定义和基本任务2.化工原理的基本性质和特点3.化工原理的基本方法和技术第二章：化学平衡和能量平衡1.化学反应平衡的条件和表达式2.平衡常数和平衡常数表达式3.能量平衡的基本原理和方法4.热力学和热力学函数5.熵和化学势的概念和计算第三章：物相平衡1.物质在不同相之间存在的平衡条件2.相平衡的相图和相平衡计算3.蒸馏和萃取等物相平衡的应用第四章：质量平衡和物质迁移1.质量平衡的基本原理和方程2.质量平衡的应用：反应工艺和物料平衡3.物质迁移的基本理论和计算方法第五章：流体力学1.流体的基本概念和性质2.流体的连续性方程和动量方程3.流体的能量方程和压力损失4.流体的流动和阻力的计算第六章：传递现象1.传递现象的基本概念和分类2.传递现象的数学模型和方程3.质量传递、热量传递和动量传递的计算第七章：反应工程基础1.化学反应的速率和速率方程2.反应速率的测定和表达3.反应工程的热力学和动力学分析4.反应器的分析和设计第八章：传热和传质1.传热的基本机制和传热方式2.导热和对流传热的计算3.汽液传质和固液传质的计算第九章：流体传动和流动分布1.流体传动的基本方式和流动性质2.流体传动的计算和分析3.流动分布的原理和应用第十章：分离工程基础1.分离过程的基本概念和分类2.平衡分离的基本理论和计算3.萃取、吸附和蒸馏等分离工艺的应用第十一章：生化反应工程基础1.生物反应器的基本概念和种类2.酶反应和微生物反应的基本原理3.生化反应器的分析和设计以上是化工原理各章节的知识点总结，涵盖了化工原理的核心内容。
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位槽稳定地流入玻璃管，
玻璃管进口中心处插有
联接红墨水的针形细管，
分别用阀A、B调节清水
与红墨水的流量。
图1-19 雷诺实验装置示意图
2018/11/24
流速小时，红色液体沿 轴线方向成一条直线运动如 图1-20（a）所示。 随着逐渐增大水的流速， 作直线流动的红色细线开始 抖动、弯曲、呈波浪形，如 图1-20（b）所示。 速度再增大，红色细线 断裂、冲散，全管内水的颜 色均匀一致，如图1-20（c） 所示。
第一章 流体流动
第三节 管内流体流动现象
一、黏度 二、流体流动类型与雷诺准数 三、流体在圆管内的速度分布
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• 本节将讨论产生能量损失的原因及管内速度分布。
一、黏度 流体流动时产生的内摩擦力的性质称为黏性。 流体黏性越大，其流动性就越小。
•牛顿粘性定律 •运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动 而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或黏 滞力。
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图1-20 雷诺实验中染色线的 变化情况
2．流动类型及其判定
雷诺实验揭示了重要的流体流动机理，即流体有两种 截然不同的流动类型。
当流速较小时，流体质点沿管轴做规则的平行直线运
动，与其周围的流体质点间互不干扰及相混，即分层流动。 这种流动型态称作层流或滞流。
流体流速增大到某一值时，流体质点除流动方向上的
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• 解： 因粘性作用，粘附在气缸内壁的润滑油层速度为零，粘
附在活塞外表面的润滑油层与活塞速度相同，即u＝1m/s。因 此，汽缸壁与活塞间隙润滑油的速度由零增至1 m/s，油层间 相对运动产生剪应力，故用τ=μdu/dy计算。该剪应力乘以活 塞面积就是作用于活塞上的粘滞力F。 •我们将间隙n放大，并给出速度分布，如附图(b)所示。由于 活塞与气缸间隙n很小。速度分布图可以认为是直线分布。
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二、流体流动的类型
在流体阻力产生的原
因及其影响因素的讨论中，
我们知道，流体的阻力与 流体流动的状况有关。下 面讨论流动类型和如何判 定流动类型。
图1-19 雷诺实验中染色线
的变化情况
图1-19 雷诺实验装置示意图
1．雷诺实验
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图1-19是雷诺实验装
置的示意图。清水从恒
运动之外，还向其他方向做随机运动，即存在流体质点的 不规则脉动，彼此混合。这种流动型态称作湍流或紊流。
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雷诺进行的实验研究还表明，流体的流动状 况不仅与流体的流速有关，而且与流体的密度、 黏度和管径有关。雷诺将这些因素组合成一个数 群，用以判断流体的流动类型。这一数群就称作 雷诺数，用表示： du Re
雷诺数是没有单位的。它既反映所包含的各物理 量的内在关系，并能说明某一现象或过程的一些本质。 雷诺数即是反映了上述四个因素对流体流动类型的影 响，因此Re数值的大小，可以作为判别流体流动类型 的标准。
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流体在圆形直管内流动时：
当 Re 2000时，流体的流动类型属于滞流 ；
当 Re 4000时， 流体的流动类型属于湍流；
——流体阻力产生的依据
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平板间的流体剪应力与速度梯度
2018/11/24
u
F dy du
y 0 x u=0
若y处流体层的速度为u， 在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为u+du， 则du/dy表示速度沿法线方向上的变化率。称为速度梯度 实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称 为剪切力）τ 与垂直于流动方向的速度梯度皆成正比 ：
在物理单位制中，
2
Pa.S
dyn / cm 2 dyn.s g 2 du / dy cm s cm cm.s
P(泊）
cm
SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为：
1Pa s 1000CP 10P
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在流体力学中，经常把流体黏度μ 与密度ρ之比称为 运动黏度。
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ห้องสมุดไป่ตู้
平板间的流体剪应力与速度梯度
Y
du dy
式中：
——牛顿粘性定律
du ： 速度梯度 dy
比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的 ： 粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘 度。
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N /m N .S 2 ( m / s ) du / dy m m
可能是滞流，也可能是湍流，与外 2000＜Re ＜4000时， 界条件有关。——过渡区 需要指出的是，流动虽分为层流区、湍流区和过渡区 ，但流动类型只有层流和湍流。在实际生产中，流体的流 动类型多属于湍流。
2018/11/24
三、圆管内流体的速度分布
由于流体流动时，流体质点之间和流体与管壁 之间都有摩擦阻力。因此，靠近管壁附近处的流层 流速较小，附在管壁上的流层流速为零，离管壁越 远流速越大，在管中心线上流速最大。在流量方程 式中流体的流速是指平均流速。 层流分布
如图所示，沿流动方向相邻两流体层由于速度的同， 它们的动量也就不同。 式中ρu=mu/V为单位体积流体的 动量，d(ρu)/dy为动量梯度.
2018/11/24
• 剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿粘性 定律的流体，这类流体称为牛顿型流体。 • 工业中还有多种流体，如泥浆、某些高分子 溶液、悬浮液等，并不服从牛顿粘性定律， 这类流体称为非牛顿型流体。
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• • • •
将此值代入式(1-33)，则剪应力为: τ =0.1×5×103=5×102 N/m2 接触面积为: A=π dl=π ×0.1196×0.14=0.053 m2 故作用在活塞上的粘滞力为: F=τ A=5×102×0.053=26.5 N
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• 液体中的动量传递
v
单位为m2/s
温度对流体黏度的影响很大。
当温度升高时，液体的黏度减小，而气体的黏度增大。 压力对液体的黏度的影响很小。
2018/11/24
• 例 1-11 如附图(a)所示，气缸内壁的直径D＝12cm， 活塞的直径d＝11.96cm，活塞的厚度l＝14cm，润滑油 的粘度μ＝0.1Pas，活塞往复运动的速度为1m/s，试 问作用在活塞上的粘滞力为多少？