化工原理 流体流动
化工原理之一 流体流动
第一章: 流体流动流体流动是化工厂中最基本的现象。
在化工厂内，不论是待加工的原料或是已制成的产品，常以液态或气态存在。
各种工艺生产过程中，往往需要将液体或气体输送至设备内进行物理处理或化学反应，这就涉及到选用什么型式、多大功率的输送机械，如何确定管道直径及如何控制物料的流量、压强、温度等参数以保证操作或反应能正常进行，这些问题都与流体流动密切相关。
流体是液体和气体的统称。
流体具有流动性，其形状随容器的形状而变化。
液体有一定的液面，气体则否。
液体几乎不具压缩性，受热时体积膨胀的不显著，所以一般将液体视为不可压缩的流体。
与此相反，气体的压缩民很强，受热时体积膨胀很大，所以气体是可压缩的流体。
如果在操作过程中，气体的温度和压强改变很小，气体也可近似地按不可压缩流体来处理。
流体是由大量的不断作不规则运动的分子组成，各个分子之以及分子内部的原子之间均保留着一定的空隙，所以流体内部是不连续而存在空隙的，要从单个分子运动出发来研究整个流体平衡或运动的规律，是很困难而不现实。
所以在流体力学中，不研究个别分子的运动，只研究由大量分子组成的分子集团，设想整个流体由无数个分子集团组成，每个分子集团称为“质点”。
质点的大小与它所处的空间在、相比是微不足道的，但比分子自由程要大得多。
这样可以设想在流体的内部各个质点相互紧挨着，它们之间没有任何空隙而成为连续体。
用这种处理方法就可以不研究分子间的相互作用以及复杂的分子运动，主要研究流体的宏观运动规律，而把流体模化为连续介质，但不是所有情况都是如此的，高真空度下的气体就不能视为连续介质了。
液体和气体统称为流体。
流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。
化工生产的原料及产品大多数是流体。
在化工生产中，有以下几个主要方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律：(1) 管内适宜流速、管径及输送设备的选定；(2) 压强、流速和流量的测量；(3) 传热、传质等过程中适宜的流动条件的确定及设备的强化。
化工原理—第一章流体流动
化工原理—第一章流体流动流体流动是化工工程中的重要内容之一，是指在一定的条件下，流体沿特定的路径进行移动的现象。
流体流动在化工工程中有着广泛的应用，例如在管道输送、搅拌、混合、分离等过程中都会涉及到流体的流动。
流体流动的研究内容主要包括流体的运动规律、流体的运动特性以及流体流动对设备和工艺的影响等方面。
在化工原理中，主要关注的是流体的运动规律和运动特性，以便更好地了解流体的性质和行为。
在理解流体流动性质前，首先需要了解流体分子的间隙结构。
一般来说，液体的分子之间距离较小，存在着较强的分子间吸引力，因此液体的分子有较强的凝聚力，可以形成一定的表面张力。
而气体的分子之间距离较大，分子间的相互作用力比较弱，因此气体的分子呈现无规则的运动状态。
流体流动有两种基本形式，即连续流动和非连续流动。
连续流动是指流体在管道或通道内以连续的形式流动，比较常见的有层流和湍流两种形式。
层流是指流体在管道中以层层相叠的方式流动，流速和流向都比较均匀，流线呈现平行或近似平行的形式。
层流特点是流动稳定，流速变化不大，并且流体分子之间相互滑动。
而湍流是指流体在管道中以旋转、交换和混合的方式流动，流速和流向变化较大，流线呈现随机分布的形式。
湍流特点是流动动荡，能量损失较大，并且流体分子之间会发生相互的碰撞。
流体流动的运动规律受到多种因素的影响，其中包括流体的黏度、密度、流速、管道尺寸、摩擦力等。
黏度是流体流动中的一个重要参数，它反映了流体内部分子之间相互作用的强度。
密度是流体流动中的另一个重要参数，它反映了单位体积内流体分子的数量。
流速是指流体单位时间内通过其中一横截面的体积。
流体流动对设备和工艺的影响也十分重要。
例如在管道输送过程中，流体的流速和流体动能的传递与损失会影响到输送效果和能耗；在搅拌过程中，流体的流动对传质和传热起着重要作用；在分离过程中，流体的流动会影响到分离设备的设计和操作。
因此，对流体流动的研究和掌握对于化工工程的设计和操作都具有重要意义。
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
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 流体流动
§1.3 流体流动的基本方程
质量守恒 三大守恒定律 动量守恒 能量守恒
§1.3.1 基本概念
一．稳态流动与非稳态流动 流动参数都不随时间而变化，就称这种流动为稳态流 动。否则就称为非稳态流动。 本课程介绍的均为稳态流动。
§1.3.1 基本概念
二、流速和流量
kg s 质量流量，用WS表示， 流量 3 体积流量，用 V 表示， m s S
＝0 的流体
位能 J/kg
动能 静压能 J/kg J/kg
流体出 2 2
实际流体流动时：
2 2 u1 p1 u2 p gz1 we gz2 2 wf 2 2
摩擦损失 J/kg 永远为正
流体入 ------机械能衡算方程（柏努利方程） 1
z2
有效轴功率J/kg
z1 1
二、 液体的密度
液体的密度基本上不随压强而变化，随温度略有改变。 获得方法：（1）纯液体查物性数据手册
（2）液体混合物用公式计算：
液体混合物：
1
m
xwA
A
xwB
B
xwn
n
三、气体的密度
气体是可压缩流体，其值随温度和压强而变，因此 必须标明其状态。当温度不太低，压强不太高，可当作理
想气体处理。
理想气体密度获得方法： （1）查物性数据手册 （2）公式计算： 或
注：下标0表示标准状态。
对于混合气体，也可用平均摩尔质量Mm代替M。
混合气体的密度，在忽略混合前后质量变化条件下， 可用下式估算（以1 m3混合气体为计算基准）：
m A x VA B x VB n x Vn
2
2
气体
化工原理流体流动
化工原理流体流动化工原理中的流体流动是一个非常重要的概念，它涉及到化工工艺中许多关键环节，如管道输送、反应器内流动、搅拌反应等。
流体流动的研究不仅可以帮助我们更好地理解化工过程中的现象，还可以指导工程实践，提高工艺效率，降低能耗成本。
本文将从流体流动的基本原理、流体力学方程、流体流动的类型以及流动特性等方面进行探讨。
首先，我们需要了解流体流动的基本原理。
流体力学是研究流体静力学和动力学规律的学科，其中流体流动是动力学的重要内容。
流体流动的基本原理包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等。
质量守恒原理指出在流体流动过程中，单位时间内通过任意截面的流体质量不变；动量守恒原理指出在流体流动中，单位时间内通过任意截面的动量不变；能量守恒原理指出在流体流动中，单位时间内通过任意截面的能量不变。
这些基本原理为我们理解流体流动提供了重要的理论基础。
其次，我们需要了解流体力学方程。
流体力学方程是描述流体运动规律的基本方程，包括连续方程、动量方程和能量方程。
连续方程描述了流体的质量守恒规律，动量方程描述了流体的动量守恒规律，能量方程描述了流体的能量守恒规律。
通过这些方程，我们可以定量地分析流体流动的特性，为工程设计和优化提供依据。
接下来，我们需要了解流体流动的类型。
根据流体的性质和流动状态，流体流动可以分为层流和湍流两种类型。
层流是指流体在管道内沿着同一方向以相对较小的速度均匀流动的状态，流线呈直线状并且不会相互交叉。
湍流是指流体在管道内以不规则的、混乱的方式流动的状态，流线呈曲线状并且会相互交叉。
不同类型的流体流动具有不同的特性，需要采用不同的方法进行研究和控制。
最后，我们需要了解流体流动的特性。
流体流动的特性包括速度分布、流动阻力、流体混合等。
速度分布描述了流体在管道内的速度分布规律，可以通过实验和模拟计算进行研究。
流动阻力是指流体在管道内流动时受到的阻力，它与管道的几何形状、流体的黏度等因素有关。
流体混合是指不同流体在管道内的混合过程，它对于化工反应器内的反应效果具有重要影响。
化工原理 流体流动.
流体流动
概述
一．连续介质模型
把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，
这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续
u
介质模型。
流体微团（或流体质点）：
宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点； 同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现 出大量分子的统计学性质。
表压
绝对压
真空度 绝压（余压）
实测压力
大气压 绝对零压
表压＝绝对压-大气压 真空度＝大气压 - 绝对压
三、流体的粘度
1. 牛顿粘性定律
流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。 ——流体阻力产生的依据
粘性:流体在流动中产生内摩擦力的性质,粘性是能量损失的原因。 实验：
液封 p
p 气体
气
水
R
真空表
气
R R
u du
u
u du
u
剪应力：单位面积上的内摩擦力，以τ表示。
F u
S y
适用于u与y成直线关系
du
dy
——牛顿粘性定律
式中：
du ：速度梯度，速度沿法线上的变化率。 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。
简称压强。
p P
或
A
SI制单位：N/m2，即Pa。
其它常用单位有：
atm（标准大气压）、工程大气压 kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O， mmHg 等）。
换算关系为：
1atm 1.033kgf / cm2 760mmHg 10.33mH2O 1.0133bar 1.0133105 Pa
化工原理流体流动
化工原理流体流动化工原理是化学工程领域的基础，其中包括了化工原理流体流动。
通过深入理解和掌握流体流动的原理，我们可以更好地设计、优化和控制化工流程的运行。
本文将介绍流体流动的基本概念、流体的运动方式、流场的描述和流体运动的控制等内容。
一、流体流动的基本概念流体是指能够流动的物质，包括了气体和液体。
流体流动是指流体在空间或管道中的运动过程。
在流体流动中，流体分子与周围分子不断碰撞，产生微小的能量转移和动量转移，从而引起流体的整体运动。
流体流动可分为定常流、非定常流和稳定流等几种类型。
其中，定常流指的是流动过程中各种物理量（如质量、能量、动量等）随时间不变的情况；非定常流则与定常流相反，各种物理量会随时间或空间变化；稳定流是指虽然物理量会随时间变化，但整个流动过程仍然是稳定的，即不出现突然的萎缩或涌流等现象。
流体流动过程中会出现速度、压力、密度等物理量的变化，这些变化可用流体力学方程式来描述和计算。
其中，质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律是描述流体流动的基本方程式。
二、流体的运动方式流体的运动方式包括了分子运动、分子间相互作用和运动量转移等几种。
在分子运动方面，气体分子之间距离较大，运动自由度高；而液体分子之间距离较近，分子运动更加有限。
流体的运动始终与分子相互作用有关。
在空气中，分子间间隔很大，因此分子之间的相互作用不太重要。
但在液体中，分子之间的相互作用较为紧密，从而导致液体的可压缩性低于气体。
在运动量转移方面，流体运动时会发生质量、能量和动量的转移。
其中，质量转移是指流体中的物质在空间中的传递过程，能量转移则是指流体在不同地点和不同形态之间转移热能，而动量转移则是指流体分子的运动量在不同地点之间的转移。
三、流场的描述流场是指流体的物理状态和运动状态。
在流动过程中，流体分子会产生不同的物理量变化，因此需要对流场进行描述。
在描述流场时，可使用不同的数学工具和方法。
其中，流线、等势线、流函数、速度势和压力势是比较常用的方法。
化工原理第一章流体流动知识点总结
第一章流体流动一、流体静力学：压强，密度，静力学方程二、流体基本方程：流速流量，连续性方程，伯努利方程三、流体流动现象：牛顿粘性定律，雷诺数，速度分布四、摩擦阻力损失：直管，局部，总阻力，当量直径五、流量的测定：测速管，孔板流量计，文丘里流量计六、离心泵：概述，特性曲线，气蚀现象和安装高度8■绝对压力：以绝对真空为基准测得的压力。
■表压/真空度 ：以大气压为基准测得的压力。
表 压 = 绝对压力 － 大气压力真空度 = 大气压力 － 绝对压力1.1流体静力学1.流体压力/压强表示方法绝对压力绝对压力绝对真空表压真空度1p 2p 大气压标准大气压：1atm = 1.013×105Pa =760mmHg =10.33m H 2O112.流体的密度Vm =ρ①单组分密度),(T p f =ρ■液体：密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。
■气体：当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算注意：手册中查得的气体密度均为一定压力与温度下之值，若条件不同，则需进行换算。
②混合物的密度■ 混合气体：各组分在混合前后质量不变，则有nn 2111m φρφρφρρ+++= RTpM m m=ρnn 2211m y M y M y M M +++= ■混合液体：假设各组分在混合前后体积不变，则有nmn12121w w w ρρρρ=+++①表达式—重力场中对液柱进行受力分析：液柱处于静止时，上述三力的合力为零:■下端面所受总压力 A p P 22=方向向上■上端面所受总压力 A p P 11=方向向下■液柱的重力)(21z z gA G -=ρ方向向下p 0p 2p 1z 1z 2G3.流体静力学基本方程式g z p g z p 2211+=+ρρ能量形式)(2112z z g p p -+=ρ压力形式②讨论：■适用范围：适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；■物理意义：在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。
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 流体流动
化工原理流体流动引言流体流动是化工工程中常见的一种现象，涉及到液体和气体在管道、设备以及反应器等中的运动和传递。
了解流体流动的原理对于化工工程的设计、操作和优化具有重要意义。
本文将介绍流体流动的基本概念、流体力学方程以及常见的流动行为。
流体流动的基本概念流体是指能够流动的物质，包括液体和气体。
流体流动是指流体在一定条件下的运动和传递过程，可以分为定常流动和非定常流动两种形式。
1.定常流动：在空间和时间上都保持不变的流动状态，如流体在平稳的管道中的流动。
2.非定常流动：在空间和时间上都发生变化的流动状态，如流体在加速或减速的管道中的流动。
流体流动还可以根据流动性质的不同进行分类，包括层流和湍流。
1.层流：指流体以层层平行的方式流动，流线清晰可见，流速分布均匀。
2.湍流：指流体以错综复杂的方式流动，流线扭曲，流速分布不均匀。
流体流动的力学方程流体流动的力学方程描述了流体在运动过程中所受到的各种力以及力与速度、压力等之间的关系。
常见的流体力学方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
1.质量守恒方程：描述了流体密度和流速之间的关系，可以表示为:$$\\frac{{\\partial \\rho}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v}) = 0$$其中，$\\rho$表示流体密度，$\\mathbf{v}$表示流速。
2.动量守恒方程：描述了流体在外力作用下的运动规律，可以表示为:$$\\frac{{\\partial (\\rho\\mathbf{v})}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v} \\otimes \\mathbf{v}) = -\ abla p + \ abla \\cdot \\mathbf{T} +\\mathbf{f}$$其中，p表示压力，$\\mathbf{T}$表示应力张量，$\\mathbf{f}$表示体积力。
化工原理--流体流动
第一章流体流动1.1概述1.1.1 流体流动是各单元操作的基础化工生产中，经常应用流体流动的基本原理及其流动规律：流体的输送、压强、流速和流量的测定、为强化设备提供适宜的流动条件等。
流程分析：流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等，是流体动力学问题。
流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是流体静力学问题。
为了确定流体输送管路的直径，需要计算流体流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。
根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。
流体流动将影响系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。
1.1.2 连续介质假定连续性假定：研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。
所谓流体质点是指含有大量分子的极小单元或微团。
1.1.3 流体流动中的作用力在流体中任取一微元体积作为研究对象，进行受力分析，它受到的力有表面力和质量力两类。
表面力与作用的表面积成正比，单位面积上的表面力称之为应力。
通常可以将表面力分解为法向分力与切向分力，如图1.1.2所示。
法向应力总是垂直且指向流体微元之任一表面。
单位面积上的法向力又称之为压强。
单位面积上的切向力称之为剪切应力F c（N/m2）。
静止流体不能承受任何剪切力，所以，只有法向力。
1.1.4 流体的特征和密度及其压缩性流体：液体和气体统称为流体。
流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。
密度是流体的物理性质。
液体的密度几乎不随压强而变化，但温度对液体密度有一定影响。
液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取。
气体的密度随温度和压强而变化，而且比液体显著得多，因此要根据温度及压强条件来确定气体的密度。
1.2 流体静力学流体静力学主要研究流体在静止状态下所受的各种力之间的关系，实质上是讨论流体静止时其内部压强变化的规律。
1.2.1 流体的压强及其特性Array工程上，习惯上常常将压强称之为压力，流体的压力除了用不同的单位来计量外，还可以用如图所示的不同的计量基准来表示: 绝对压力、表压、真空度。
化工原理 第一章 流体流动
连续性方程式（质量守恒）
柏努利方程式（能量守恒） 这是两个非常重要的方程式，请大家注意。
28
1.2.1 流量与流速 一、流量
1、体积流量qv ：单位时间内流经管道任意截面的流体体积， m3/s或m3/h。 2、质量流量qm ：单位时间内流经管道任意截面的流体质量， kg/s或kg/h。
二、流速
1、平均流速u ：单位时间内流体在流动方向上所流经的距离， m/s。 2、质量流速w ：单位时间内流经管道单位截面积的流体质量， kg/(m2· s)。
p1 p2 Rg( A C )
26
上式的（ρ A - ρ C）是两种指示液的密度差，不是指示 液与被测流体的密度差。 扩大室的内径与U形管内径之比应大于10。这样，扩大 室的截面积比U形管的截面积大很多，即使U形管内指示液 A的液面差R很大，两扩大室内的指示液C的液面变化仍很微 小，可以认为维持等高。
15
二、压力的表示方法
1）表压 = 绝对压力 － 大气压力 2）真空度 = 大气压力 － 绝对压力
16
静压力的特性
流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； 任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。
17
一、静力学基本方程 P2 = P0 + ρ gh 推导 二、静力学基本方程的应用 1. 压力及压差的测量
第一章 流体流动
1
① 研究流体流动问题的重要性
流体流动与输送是最普遍的化工单元操作
之一；
研究流体流动问题也是研究其它化工单元
操作的重要基础。
4
② 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有
间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。
化工原理——第一章 流体流动
黏度在物理单位制中的导出单位，即
dyn / cm 2 dyn s
g
P(泊)
du
cm/ s
dy
cm
cm2 cm s
1cP 0.01P 0.01 dyn s
1
1 100000
N
s
1
Pa s
cm2
100
(
1 100
)
2
mபைடு நூலகம்
2
1000
即1Pa s 1000cP
流体的黏性还可用黏度μ与密度ρ的比值表示。这 个比值称为运动黏度，以ν表示即
pM
RT
注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。
三、混合物的密度
混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有
m A xVA B xVB n xVn
xVA, xVB xVn——气体混合物中各组分的体积分率。
或
m
pM m RT
M m ——混合气体的平均摩尔质量
例如用手指头插入不同黏度的流体中，当流体大 时，手指头感受阻力大，当小时，手指头感受阻 力小。这就是人们对粘度的通俗感受。
在法定单位制中,黏度的单位为
du
Pa m
Pa • s
dy
s
m
某些常用流体的黏度,可以从本教材附录或手册中查
得,但查到的数据常用其他单位制表示,例如在手册中
黏度单位常用cP(厘泊)表示。1cP=0.01P(泊)，P是
M m M A yA M B yB M n yn
yA, yB yn——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。
混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有
1 xwA xwB xwn
化工原理流体流动
化工原理流体流动
化工原理流体流动在化工过程中占据着重要的地位。
流体流动的基本理论是通过质量守恒定律和牛顿运动定律得到的。
在化工过程中，流体流动的特性直接影响着反应器的混合程度、传质速度以及热交换效率等。
因此，研究流体流动的规律对于优化化工过程、提高工艺效率具有重要的意义。
流体的流动可以分为层流和湍流两种形式。
层流是指流体在平行于管道中心轴线方向上的速度分布呈现出均匀的特点，流动延伸线平行于管道中心轴线。
而湍流是指流体在管道中流动时形成的涡流和涡团，速度分布不均匀且随机，并且流动延伸线的方向和管道中心轴线的方向存在明显偏离。
在管道中的流体流动可以通过雷诺数来进行描述。
雷诺数是流体的惯性力和黏性力之比，可以用来判断流体的流动状态。
当雷诺数小于一定的临界值时，流体流动为层流；当雷诺数大于临界值时，流体流动为湍流。
流体流动中的一些重要参数包括流速、温度、密度、黏度等。
这些参数对于流体的流动特性以及传质、传热等过程都有着重要的影响。
在化工过程中，流体流动往往受到一些其他因素的影响，例如管道的几何形状、摩擦阻力、局部阻力以及流体本身的性质等。
对于这些影响因素的研究和分析，可以为化工过程提供可靠的理论基础，有助于优化设计和改进工艺。
总之，化工原理流体流动是化工过程中重要的研究内容之一。
深入理解和掌握流体流动的规律对于提高工艺效率、优化设计具有重要的意义。
化工原理流体流动
任务: ① 研究流体在什么条件下流动。 ② 流动过程中流体物理量（u、P或E）的变化规律。
连续性方程:质量衡算 柏努利方程:能量衡算 ③ 理论应用:确定流量,输送设备的有效功率,相对位置,
管路中的压强。
1.注3.1意概:由念于气体的体积随温度和压强而变化，在管截面积不变
一. 流量的与情流况速下: ，气体的流速也要发生变化，采用质量流速为 ① 流量计—算—带单来位方时便间。流过管路某一截面的流体体积或质量
永远为正
gz1u 2 1 2p 1W gz2u 2 2 2p2 hf1 2流体入 1
------机械能衡算方程（柏努利方程） z1 1
z2 w有效轴功率J/kg理想流体能量分布BC ：流道增加，速度减小，压力增加(减速增压) 96J/kg，出水管道全部阻力损失为4. 反映了在稳定流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变时，管路各截面上流速的变化规律。
单位为J。
2
比动能：单位质量流速为u的流体所具有的动能称为 比动能，比动能大小为 1 u 2 单位为J/kg。
2
(3)压力能(静压能)： 质量为m,体积为V,压力为P的流体具有的静压能为:
静压能单位
pV [N.m 3][N .m ][J]
m 2
比静压能：单位质量的流体所具有的静压能称为～ 比静压能大小为PV/m=P/ρ,单位为J/kg。
体积流量: q V
SI单位:m3/s
质量流量: q m
SI单位: kg/s
流速 —— 单位时间单位截面上流过的流体体积或质量
体积流速: u
SI单位:m/s
质量流速: w
SI单位: kg/m2s
根据定义有: qVuA,uqV A 对于圆管:
化工原理--流体流动介绍
化工原理–流体流动介绍引言流体流动是化工工程中一个非常重要的基础概念。
无论是在化工过程中的液体的传输，还是气体在设备中的流动，都需要对流体流动进行深入的了解和研究。
本文将介绍流体流动的基本定义、流动模型、流体力学方程以及常见的流动行为。
通过对流体流动的介绍，读者将能够更全面地了解化工原理中的流体流动问题。
流动的定义流动是指流体在空间中运动的过程。
在化工过程中，流动一般可以分为液体流动和气体流动。
液体流动是指液体在管道、槽道或容器中的流动，主要涉及到液体的运动、运动状态和运动参数。
气体流动是指气体在管道、设备中的流动，主要涉及到气体的流动速度、气体流量和气体压力等参数。
流动模型在化工工程中，流体流动可以分为层流和湍流两种模型。
层流层流是指流体在流动过程中，流线穿过流体时呈现分层状态，流体粒子之间的相对运动速度较小。
层流的特点是流速分布规则、流体速度均匀，流体粒子之间的作用力较小，流体流动状态相对稳定。
层流一般发生在低速流动和粘性较大的流体中。
湍流湍流是指流体在流动过程中，流线交织混乱，流体粒子之间的相对运动速度较大。
湍流的特点是流速分布不规律，流体速度颠簸不定，流体粒子之间的作用力较大，流体流动状态相对混乱。
湍流一般发生在高速流动和粘性较小的流体中。
流体力学方程流体力学方程是描述流体流动的基本方程，其中最基本的是连续性方程、动量方程和能量方程。
连续性方程连续性方程是描述流体中质点的守恒关系。
对于液体流动来说，连续性方程可以表示为质流速的守恒，即质流速的变化量等于流入和流出的质量之和。
对于气体流动来说，连续性方程可以表示为能量流速的守恒，即能量流速的变化量等于流入和流出的能量之和。
动量方程动量方程是描述流体中质点的动力学性质。
对于液体流动来说，动量方程可以表示为流体的加速度与外力之差等于质量流量产生的力。
对于气体流动来说，动量方程可以表示为流体的加速度与外力之差等于能量流量产生的力。
能量方程能量方程是描述流体中能量变化的方程。
化工原理 第一章 流体流动
化工原理第一章流体流动第一章 流体流动一、流体流动的数学描述在化工生产中，经常遇到流体通过管道流动这一最基本的流体流动现象。
当流体在管内作稳定流动时，遵循两个基本衡算关系式，即质量衡算方程式和机械能衡算方程式。
质量衡算方程式在稳定的流动系统中，对某一划定体积而言，进入该体积的流体的质量流量等于流出该体积的质量流量。
如图1—1所示，若取截面1—1′、2—2′及两截面间管壁所围成的体积为划定体积，则ρρρuA A u A u ==222111 (1-1a)对不可压缩、均质流体(密度ρ＝常数)的圆管内流动，上式简化为2221211ud d u d u == (1-1b)机械能衡算方程式在没有外加功的情况下，流动系统中的流体总是从机械能较高处流向机械能较低处，两处机械能之差为流体克服流动阻力做功而消耗的机械能，以下简称为阻力损失。
如图1—1所示，截面1—1′与2—2′间单位质量流体的机械能衡算式为f 21w Et Et += (1-2)式中 221111u p gz Et ++=ρ，截面1—1′处单位质量流体的机械能，J ／kg ；222222u p gz Et ++=ρ，截面2—2′处单位质量流体的机械能，J ／kg ；∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑+∑=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∑+=2)(222f u d l l u d l w e λζλ，单位质量流体在划定体积内流动时的总阻力损失，J ／kg 。
其中，λ为雷诺数Re 和相对粗糙度ε / d 的函数，即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=d du εμρφλ,。
上述方程式中，若将Et 1、Et 2、w f 、λ视为中间变量，则有z 1、z 2、p 1、p 2、u 1、u 2、d 1、d 2、d 、u 、l 、∑ζ(或∑l e )、ε、ρ、μ等15个变量，而独立方程仅有式(1-1)(含两个独立方程)、式(1-2)三个。
因此，当被输送流体的物性(ρ，μ)已知时，为使方程组有唯一解，还需确定另外的10个变量，其余3个变量才能确定。
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对液体，温度升高，黏度下降（内聚力为主）
对气体，温度升高，黏度上升（热运动为主）
说明： （1）流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正压力无关；
（不同于固体表面的摩擦力） （2）当流体静止时du/dy=0, τ=0； （3）相邻流体层的流速，只能是连续变化的，紧靠静止
固体壁面处的流体流速为0。 黏度的单位较早的手册常用泊（达因∙秒/厘米2）或厘泊
下底面取在容器的任意面上，其压力为p
则p =p0+ρg h 当p1有变化时，p2也发生同样大小的变化。 p还与ρ， h有关
ρ↑
p↑
h↑ p↑ 等压面——在静止的、连续的、同一流体内，处于同
一水平面上各点的压强相等。
1.2.2 压强能与位能 总势能
p gz const P gz p
称P/ρ为总势能 ，即静止流体各点的总势能相同。
布可表达为： P＝f（x,y,z） 对流体微元的力平衡分析得：
p Xdx Ydy Zdz
在重力场中
p gz const
静止流体中不同高度压强间的关系（静力学基本方程）
p2 p1 gh
讨论：
p2=p1+ρg h 适用条件：静止流体，重力场，不可压缩流体
如上底面取在容器的液面上，其压力为p0
欧拉法——在固定的空间点上，考察流体通过每一 空间点时，运动参数随时间的变化规律——流线
定态流动——流动参数仅随空间变化，而与时间无关。 流线与轨线——
轨线是质点运动的轨迹，是拉格朗日法考察的结果； 流线是线上各点的切线为同一时刻各点的速度方向， 是欧拉法考察的结果。 定态流体两线重合。 系统和控制体—— 系统（封闭系统）为众多流体质点的集合，是用拉格 朗日法考察流体； 控制体为某固定空间（化工设备），是用欧拉法考察 流体。 本门课程通常用欧拉法。
1cP（厘泊）＝0.001 Pa∙s（水的黏度1cP，20度） 有时也用ν＝μ/ρ，称运动黏度，单位m2/s。
黏度μ又称动力黏度。 1.1.3 流体流动中的机械能
固体运动的机械能有：位能、动能。 流体运动的机械能有：位能、动能、静压能（压强能）
流体黏性造成的剪力要消耗机械能。
1.2 流体静力学
1.2.1 静压强在空间的分布 静压强－在静止流体中，某点各方向的压强相等。其分
例1－1 为复式பைடு நூலகம்形 水银测压计
见P11图
1.3 流体流动中的守恒原理
1.3.1 质量守恒
1）流量、流速 流量——质量流量qm， kg/s （ρ·qv） 体积流量qv， m3/s 流速——质量流速G， kg/m2s（ qm /A） 体积流速u， m/s （ qv /A）
2）点速度u 圆管：粘性，速度分布
1.1.1 流体流动的考察方法 （对传递过程导论的复习）
连续性假定——把流体可看成由质点组成的连续介 质，可用连续函数来处理流体流动规律（高度真空 气体例外） 。 a.流体质点连续，充满整个空间； b.参数连续。
质点（微团） —— 有一定的体积和质量，比分子自 由程大得多，比设备小得多。
拉格朗日法——选定一流体质点，跟踪其运动，考 察流体质点随时间变化的规律。——轨线
=9.81×104 Pa
压强的基准 绝对压——以绝对零压为基准，是流体的真实压强； 表压、真空度——以当时当地的大气压为基准 。
表压=绝对压—大气压 真空度=大气压—表压 数值上：表压= -真空度
p1 表压
真空度
当时当地大气压
绝对压
绝对压 绝对真空
1.2.4 压强的静力学测量方法
1）简单测压管（图1-7）
pA=pa+ρg R 适用于（1） 高于大气压的压强的测定
（2）只适用于液体，不适用于气体
（3）如pA过大，则R将很大； 如pA过小，则R将很小，测量误差增大。
2）U型测压管（图1-8）
U型管中放有某种液体——指示液
（与被测流体不发生化学反应，且不互溶）
p1=pA+ρg h1 p2=pa+ρi g R 通过等压面 pA –pa=ρi g R—ρg h1 如被测流体为气体，即ρ<<ρI，则 pA –pa=ρi g R
du
dy
牛顿黏性定律：（适用层流） F
du
dy
τ —剪应力N/m2（Pa）
μ—粘度 N∙s/m2（Pa∙s ） du/dy—法向速度梯度，s-1
dudt d du
dy dt dy
dudt
dθ dy d
θ
这里速度梯度实际是角变形速率
黏度是流体的物性，是分子运动的一种宏观表现。
黏度是温度和压强的函数（压强不高，可以忽略）
工程处理方法：平均值
3）平均速度ū
平均值的选取应当按其目的采用相应的平均方法
第一章 流体流动
了解流体运动规律的重要性： 化工过程的物料形式注意是流体形式，如气
体、液体、气固混合物、液固混合物等。 1）流体阻力与流量计量
涉及到管路设计，流体输送机械选择等。 2）流动对传热、传质、反应的影响
涉及到这些过程的设计和操作。 3）流体的混合
设计到混合效果对过程的影响。
1.1 概述
3）U型压差计（图1-9）
p1=pA+ρg h1 p2=pB+ρg（h2-R）+ρi g R （pA+ρg h1 ）–（pB+ρg h2）= R g（ρi-ρ） （pA+ρg zA ）–（pB+ρg zB）= R g（ρi-ρ） 即 P A–P B= R g（ρi-ρ） U型压差计测出的R是：Δ P 如压差计水平放置：Δ P =Δp 问改变管道安装的倾斜度，R是否变化？
1.1.2 流体流动中的作用力 体积力——与流体的质量成正比。
重力和离心力是典型的体积力。 表面力——与表面积成正比。又分两种：
压力－垂直于表面的力，压强单位面积的压力； 剪力－平行于表面的力，剪应力单位面积的剪力。 压强的单位——N/m2，又称Pa。常用MPa。 但压强还有其他单位的形式： 如大气压，mmHg，kg（f）/cm2等。 剪应力——对大部分流体剪应力服从牛顿黏性定律：
P gz+p
又称P为虚拟压强，对不可压缩流体，虚拟压强处处相等 1.2.3 压强的其他表示方法
各种压强单位：
1atm=1.033㎏（f）/cm2(at)=760mmHg
=10.33mH2O=1.0133×105 Pa=1.0133bar 1at=1㎏（f）/cm2=735.6mmHg=10mH2O