化工原理基本概念

定态流动：流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动

非定态流动：若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。

牛顿粘性定律：对于一定的流体，内摩擦力F 与两流体层的速度差.u d 成正比，与两层之间的垂直距离dy 成反比，与两层间的接触面积A 成正比，即

dy u d A F .

μ= （1-26） 式中：F ——内摩擦力，N ；

dy

u d .——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的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，Pa ·s 。

一般，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa ，则式（1-26）变为 dy u d .

μτ= （1-26a ） 式（1-26）、（1-26a ）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。

牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，包括所有气体和大多数液体。

非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。本章讨论的均为牛顿型流体。

层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；

湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。

雷诺数Re ：流体的流动类型可用雷诺数Re 判断。

μρu

d =R

e （1-28）

Re 准数是一个无因次的数群。

大量的实验结果表明，流体在直管内流动时，

（1） 当Re ≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；

（2） 当Re ≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；

（3） 当2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，

该区称为不稳定的过渡区。

边界层：流速降为主体流速的99％以内的区域称为边界层。

边界层厚度：边界层外缘于垂直壁面间的距离称为边界层厚度。

适宜流速的选择应根据经济核算确定，通常可选用经验数据：通常水及低粘度液体的流速为1～3m/s ，一般常压气体流速为10饱和蒸汽流速为20～40 m/s 等。一般，密度大或粘度大的流体，流速取小一些；对于含有固体杂质的流体，流速宜取得大一些，以避免固体杂质沉积在管道中。

层流边界层与湍流边界层:边界层流型也分为层流边界层与湍流边界层。在平板的前段，边界层内的流型为层流，称为层流边界层。离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流，称为湍流边界层。

直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；

局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。 范宁（Fanning ）公式:流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁（Fanning ）公式 22u d l W f λ=式中λ为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re 及管壁状况有关。范宁公式对层流与湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数λ不同。

根据柏努利方程的其它形式，也可写出相应的范宁公式表示式：

压头损失 g

u d l h f 22

λ= 压力损失 2

2

u d l p f ρλ=∆

哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille ）方程：是流体在直管内作层流流动时压力损失的计算式。 压力损失：232d

lu p f μ=∆ 层流时摩擦系数的计算式：Re 64=

λ 即层流时摩擦系数λ是雷诺数Re 的函数。 (层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与Re 有关。)

湍流时的摩擦系数：（1）可以查 莫狄（Moody ）摩擦系数图。

（2）对于湍流时的摩擦系数λ，除了用Moody 图查取外，还可以利用一些经验公式计算。这里介绍适用于光滑管的柏拉修斯（Blasius ）式：

25

.0Re 3164.0=λ 其适用范围为Re ＝5×103～105。此时能量损失f W 约与速度u 的1.75次方成正比。 考莱布鲁克（Colebrook ）式

此式适用于湍流区的光滑管与粗糙管直至完全湍流区。

光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；

粗糙管：钢管、铸铁管等。

绝对粗糙度:管道壁面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以ε表示。

相对粗糙度:绝对粗糙度与管径的比值即d ε，称为相对粗糙度。

(工业管道的绝对粗糙度数值见教材。)

水力光滑管：管壁粗糙度对流动阻力的影响与层流时相近，此为水力光滑管

完全湍流粗糙管：Re 不再影响摩擦系数的大小，流动进入了完全湍流区，此为完全湍流粗糙管。

当量直径定义为：∏

⨯⨯=A d e 44＝润湿周边流通截面积 注意，当量直径只用于非圆形管道流动阻力的计算，而不能用于流通面积及流速的计算。

局部阻力

局部阻力有两种计算方法：阻力系数法和当量长度法。

⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛+-=λελRe 7.182log 274.11d

1. 阻力系数法

克服局部阻力所消耗的机械能，可以表示为动能的某一倍数，即

22'

u W f

ζ= g u h f 22'ζ= 式中ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。 常用管件及阀门的局部阻力系数见教材。注意表中当管截面突然扩大和突然缩小时，以上两式中的速度u 均以小管中的速度计。

当流体自容器进入管内，5.0=进口ζ，称为进口阻力系数；当流体自管子进入容器或从管子排放到管外空间，1=出口ζ，称为出口阻力系数。

2．当量长度法

将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为e l 的直管所产生的阻力即

22'

u d l W e f

λ= g u d l h e f 22'λ= 式中e l 称为管件或阀门的当量长度。 同样，管件与阀门的当量长度也是由实验测定，有时也以管道直径的倍数d l e 表示。见教材。

离心泵的主要部件：叶轮，泵壳，泵轴

气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。（通过第一章的一个例题加以类比说明）。

为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。

离心泵的压头：是指泵对单位重量流体提供的机械能

离心泵的主要性能参数

（1）（叶轮）转速n ：1000~3000rpm ；2900rpm 最常见。

（2）流量Q ：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。

（3）压头（扬程）H ：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程并不代表升举高度。

（4）功率：（A ）有效功率e N ：离心泵单位时间内对流体做的功——g HQ N e ρ=；

（B ）轴功率N ：单位时间内由电机输入离心泵的能量。