化工原理第一章课件

第一章流体流动1第一章1要求：1.掌握流体静力学基本方程式及应用；2.掌握连续性方程及应用；3.掌握柏努利方程式及应用；4.掌握流动阻力的计算；5.掌握管路计算。2要求：1.掌握流体静力学基本方程式及应用；2重点：1.柏努利方程式及应用；2.流动阻力的计算；3.管路计算。3重点：1.柏努利方程式及应用；3流体：液体和气体统称为流体。

在研究流体流动时，通常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质，每个分子集团称为质点。4流体：液体和气体统称为流体。4

流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性，这些规律对化工生产具有一定的指导作用，具体表现在以下几个方面：（1）流体的输送管径的确定、输送设备的负荷；（2）压强、流速和流量的测量为仪表测量提供依据；（3）为强化设备提供适宜的流动条件设备的操作效率与流体流动状况有密切关系。5流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.定义：单位体积流体所具有的质量，kg/m3。2.求取：(1)一般可在物理化学手册或有关资料中查得，教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度。61.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.定义：单位体(2)对理想气体，其密度与压强和温度有关。当实际状态与手册中标明的状态不一致时，需校正。实际上理想气体的密度可按下式计算：7(2)对理想气体，其密度与压强和温度有关。当实际状态与手册中(3)对混合物的平均密度还需通过以下公式计算：Ａ、Ｂ：纯组份A、B的密度，kg/m3；xwA、xwB：A、B的质量分数；xVA、xVB：A、B的体积分数；yA、yB：A、B的摩尔分数。8(3)对混合物的平均密度还需通过以下公式计算：Ａ、Ｂ：1.1.2流体的粘度1.牛顿粘性定律

流体在管内流动时，其速度分布规律为：靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小（实验可验证）。91.1.2流体的粘度1.牛顿粘性定律9

流体在圆管内流动时，在一定的条件下可视为被分割成无数层极薄的圆筒，一层套一层，每层称流体层，流体层上各质点的速度相等。

10流体在圆管内流动时，在一定的条件下可视为被分割成无数层相邻两层中靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小。前者对后者起带动作用，后者对前者起拖曳作用，相邻流体层之间的这种相互作用称内摩擦力。带动作用是由流体静压力所产生的，而拖曳作用是由流体内在的一种抗拒向前运动的特性所产生的，这种特性称粘性。

粘性是内摩擦力产生的原因，内摩擦力是粘性的表现。流体在流动时的内摩擦力是流动阻力产生的依据。11相邻两层中靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？12流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？121313流体在平板间流动时，实验证明：流体在管内流动时：牛顿粘性定律14流体在平板间流动时，实验证明：流体在管内流动时：牛顿粘性定律牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括全部气体与大部分液体。非牛顿型流体：不服从牛顿粘性定律的流体，包括稠厚液体或悬浮液。15牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括全部气体与大部分液体2.流体的粘度2）物理意义

促使流动产生单位速度梯度的剪应力。因此，粘度是流体运动时的特性。1）定义162.流体的粘度2）物理意义1）定义163）求取：查手册，或实验测定。混合物的粘度不能按组分叠加计算，只能用专门的经验公式估计。173）求取：174）影响因素：温度：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。压强：压强变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压强增加而增加得很少，只有在极高或极低的压强下，才考虑压强对气体粘度的影响。184）影响因素：185）粘度的单位：P（泊）=g/(cm﹒s)1P=100cP（厘泊）1Pa﹒s=10P=1000cP195）粘度的单位：P（泊）=g/(cm﹒s)193.理想流体黏度为零的流体。严格讲：在流动过程中，流动阻力为零的流体。203.理想流体201.2.1静止流体的压力

1.定义：2.单位：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1.2流体静力学基本方程式211.2.1静止流体的压力1.定义：2.单位：Pa（帕斯卡其之间换算关系为：1atm=760mmHg=1.0133×105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar22其之间换算关系为：1atm=760mmHg223.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；表压强：绝对压强比大气压强高出的数值；真空度：绝对压强低于大气压强的数值。233.表示方法23换算关系：表压强=绝对压强－大气压强真空度=大气压强－绝对压强例1-2（P17）24换算关系：例1-2（P17）24例1-2：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。

绝对压=大气压-真空度=85300–80000=5300[Pa]

真空度=大气压-绝对压=101330-5300=96030[Pa]25例1-2：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80k1.2.2流体静力学基本方程式1.内容描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式。流体静力学基本方程式的推导（自学）261.2.2流体静力学基本方程式1.内容流体静力学基本方程使用条件：静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。27使用条件：271）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面的深度h有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。由流体静力学基本方程式可得到以下结论：281）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任一点压强p2）当液面上方的压强p0

改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变。3）式p=p0

+gh可该写为：(p－p0)/g=h，说明压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必须标明是何种液体液柱。292）当液面上方的压强p0改变时，液体内部各点的压强pPA=PA′PB=PB′PC=PC′3.当细管水位下降到多高时,槽内水将放净?1=800kg/m3

2=1000kg/m3

H1=0.7mH2=0.6m例题:1.判断下面各式是否成立2.细管液面高度hh30PA=PA′PB=PB′PC=PC′3.当细管水解:利用等压面原理求解PA=PA’PB=PB’3.

2gh’=1gH1h’=0.56m2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p0h=H2+H1ρ1/ρ2h=1.16m31解:利用等压面原理求解PA=PA’3.2g1.2.3流体静力学基本方程式的应用1.压强与压强差的测量测量压强的仪表种类很多，其中以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计，它可测量流体的压强或压强差，其中较典型的有下述两种。321.2.3流体静力学基本方程式的应用1.压强与压强差的测1)U管压差计指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体。331)U管压差计33A：指示液；B：待测液体。34A：指示液；B：待测液体。3435352.倾斜液柱压差计R1=R/sinR=R1sin362.倾斜液柱压差计R1=R/sin363.微差压差计—放大读数特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-c）Rg373.微差压差计—放大读数特点：37例1-4（P21）例1-638例1-4（P21）382.液位的测量392.液位的测量393.液封高度的计算化工生产中一些设备需要液封，液封高度的确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的。403.液封高度的计算4041411.3

流体流动的基本方程1.3.1流量与流速1.流量单位时间内流过管道任一截面的流体量。421.3流体流动的基本方程1.3.1流量与流速1.流量质量流量ws：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。体积流量Vs：流体单位时间内流过管道任一截面的流体体积。43质量流量ws：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。2.流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。由于流体在管截面上的速度分布较为复杂，通常流体的流速指整个管截面上的平均流速，表达式为：442.流速44

由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的流速也随之而变，因此采用质量流速较为方便。质量流速：单位时间内流体流过管道单位截面积的质量。

45由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的由流量和流速可确定管道的直径d

流量一般由生产任务所决定。流速的选择视具体情况而定，一般选用经验数据，具体见表1-1（P26），计算得到的管径需进行标准化。例1-10（P26）46由流量和流速可确定管道的直径d流量一般由生产任务所1.3.2稳态流动与非稳态流动稳态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不随时间而变化，这种流动称为定态流动或稳定流动。非稳态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量随时间而变化，这种流动称为非定态流动或不稳定流动。471.3.2稳态流动与非稳态流动稳态流动：在流动系统中，各截1－进水管2－溢流管3－水箱4－排水管481－进水管2－溢流管3－水箱4－排水管481.3.3连续性方程式491.3.3连续性方程式49根据物料衡算推导出管道内稳态流动的连续性方程式：若流体视为不可压缩流体，=常数，则有：50根据物料衡算推导出管道内稳态流动的连续性方程式：若流体视为不

当体积流量一定时，流速与管径的平方成反比，即：51当体积流量一定时，流速与管径的平方成反比，即：511.3.4柏努利方程式1.流动系统的总能量衡算进出系统的能量：（J/kg）内能U位能gZ动能u2/2静压能pv热能Q外功（净功）W总机械能（总能量）521.3.4柏努利方程式1.流动系统的总能量衡算进出系统的能1－换热器2－泵531－换热器2－泵53根据能量守衡定律可得：54根据能量守衡定律可得：542.流动系统的机械能衡算式与柏努利（Bernouli）方程式1）流动系统的机械能衡算式552.流动系统的机械能衡算式与1）流动系统的机械能衡算式55——流体稳态流动的机械能衡算式56——流体稳态流动的机械能衡算式562）柏努利（Bernouli）方程式对不可压缩流体，其比容

和密度

为常数，故有：572）柏努利（Bernouli）方程式57讨论：理想流体在管道内作定态时，无外功加入，其总机械能在各截面处相等；58讨论：58有效功率Ne=Wews对可压缩流体，当(p1-p2)/p1<20%时，上式仍可用，ρ取平均值；当流体静止时，u=0，则可得到流体静力学方程式。59有效功率Ne=Wews593.柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关1）以单位质量流体为衡算基准，单位：J/kg603.柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关602）以单位重量流体为衡算基准，单位：m分别称位压头、动压头、静压头、压头损失612）以单位重量流体为衡算基准，单位：m分别称位压头、动压头、3）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa623）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa624.应用柏努利方程式解题要点（1）作图与确定衡算范围（2）截面的选取：上、下游截面（3）基准水平面的选取（4）单位必须一致634.应用柏努利方程式解题要点63p可采用绝对压强或表压两种表示方法。64p可采用绝对压强或表压两种表示方法。641.3.5柏努利方程式的应用1.确定管道中流体的流量2.确定容器间的相对位置3.确定输送设备的有效功率4.确定管道中流体的压强5.测定流体流经管道时的能量损失651.3.5柏努利方程式的应用1.确定管道中流体的流量651.4.1流动类型与雷诺准数

前面所提到的流体内可视为分层流动的型态，仅在流速较小时才出现，流速增大或其他条件改变，会发生另一种与此完全不同的流动型态。这是1883年由雷诺（Reynolds）首先提出的，他曾由实验直接地考察流体流动时的内部情况以及有关因素的影响。1.4流体流动现象661.4.1流动类型与雷诺准数前面所提到的流体内可视1.雷诺实验与雷诺准数1）实验装置671.雷诺实验与雷诺准数1）实验装置672）实验观察到的现象滞流或称层流湍流或称紊流682）实验观察到的现象滞流或称层流湍流或称紊流683）影响流动类型的因素流速u、管径d、流体的粘度、密度

能否用更少的参数代替流速、管径、流体的粘度、密度等参数来确定流动类型呢？693）影响流动类型的因素694）雷诺准数雷诺通过分析研究发现：将影响流动类型的诸因素组合成数群du

/

，其值的大小可以判断流动属于滞流还是湍流，这个数群称雷诺数，用符号来Re表示。单位：m0kg0s0。704）雷诺准数70u2：单位时间通过单位管截面的动量；u/d：流体的剪应力。雷诺准数的物理意义：反映了流体在流动过程中惯性力（动量）与黏性力（剪应力）的对比关系。71u2：单位时间通过单位管截面的动量；雷诺准数的物理意义：2.滞流与湍流1）雷诺准数

的不同实验发现：流体在圆形直管内流动时，Re＜2000滞流或层流Re＞4000湍流或紊流2000

Re4000过渡流722.滞流与湍流722）流体内部质点的运动方式滞流：轴向运动湍流:轴向运动、径向运动3）速度分布不同4）流动阻力产生的依据不同滞流：内摩擦应力湍流：内摩擦应力和湍流应力732）流体内部质点的运动方式731.4.2流体在圆管内流动时的速度分布1）层流741.4.2流体在圆管内流动时的速度分布1）层流74

设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动，于管轴心处取一半径为，长度为的流体柱为研究对象。推动力＝摩擦阻力75设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动，于管轴心处取76767777

工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强降。78工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强79792.湍流由于湍流运动的复杂性，尚未能从理论上推倒出管内的速度分布式，只能用经验公式表达。R：管的半径，r：点到管壁的距离。n的值在6至10之间，雷诺数愈大，n的值也愈大，当Re=105左右时，n=7。802.湍流R：管的半径，r：点到管壁的距离。80

所以湍流时，流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。平均流速u：81所以湍流时，流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的1.4.3边界层的概念

实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部都有剪应力作用。由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁面附近。远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。821.4.3边界层的概念实际流体与固体壁面作相对运动

所以，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的流体为主要对象。这就是本世纪初普兰德提出的边界层学术的出发点。83所以，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的1.边界层的形成

实际流体沿壁面流动时，可在流体中划分出两个区域：边界层区：在壁面附近存在较大的速度梯度，流动阻力主要集中在此区域；主流区（外流区）：速度梯度视为零的区域，流动阻力可以忽略不计。841.边界层的形成84858586862.边界层的分离边界层分离：边界层脱离壁面的现象。流体流动过程中产生边界层分离而引起机械能损耗，这种阻力称形体阻力。流体沿壁面流动时的流动阻力称摩擦阻力。872.边界层的分离8788881.5

流体在管内的流动阻力

流动阻力产生的原因和影响因素：流体具有粘性，使得流体在流动时存在内摩擦力；壁面的形状。所以，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。891.5流体在管内的流动阻力流动阻力产生的原因和影响因素

由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同，故需分开计算。90由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同，故需分开计算。901.5.1流体在直管中的流动阻力1.圆形直管阻力911.5.1流体在直管中的流动阻力1.圆形直管阻力91929293939494

由于总摩擦应力包括粘性摩擦应力和湍流应力，所以流型有影响，另外，管壁的粗糙度也有影响，下面分别加以讨论。95由于总摩擦应力包括粘性摩擦应力和湍流应力，所以流型有2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管等粗糙管：钢管、铸铁管等反映管道的粗糙程度的参数：绝对粗糙度相对粗糙度e=/d962.管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管滞流：与e

无关；湍流：与e有关。97滞流：与e无关；湍流：与e有关。973.滞流时的摩擦系数983.滞流时的摩擦系数984.湍流时的摩擦系数与量纲分析1）量纲分析量纲一致性原则：凡是根据基本物理规律导出的物理方程，其中各项的因次必然相同。2）定理：无因次数群1、2的数目i等于影响该现象的物理量数目n减去用以表示这些物理量的基本因次的数目m，即：i=n-m994.湍流时的摩擦系数与量纲分析1）量纲分析2）定理：无因称为欧拉（Euler）准数，用Eu表示。K，b，k，q值通过实验确定。100称为欧拉（Euler）准数，用Eu表示。K，b，k，q值通过101101

上式称经验关联式或半经验半理论式，计算起来都比较复杂，工程计算中，一般将经验数据进行整理，以e为参数，绘出Re与

的关系图，根据e和Re可查得的值。102上式称经验关联式或半经验半理论式，计算起来都比较复杂103103

由图可看出：摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系可分四个区域：（1）滞流区（2）过渡区（3）湍流区（4）完全湍流区（阻力平方区）104由图可看出：摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系可分四个区流动阻力hf与流速u的关系：105流动阻力hf与流速u的关系：1055.流体在非圆形直管内的流动阻力水力半径rH

：流通截面A与润湿周边之比。1065.流体在非圆形直管内的流动阻力水力半径rH：流通截面1.5.2流体在管路中的局部阻力1.阻力系数法1071.5.2流体在管路中的局部阻力1.阻力系数法1071）突然扩大与突然缩小（查图）1081）突然扩大与突然缩小（查图）1082）进口与出口进口：i=0.5出口：o=1.03）管件与阀门

查手册1092）进口与出口1092.当量长度法1102.当量长度法1101111111.5.3管路系统中的总能量损失1121.5.3管路系统中的总能量损失1121.6管路计算

运用的方程式：连续性方程式、柏努利方程式、流动阻力方程式、物料衡算式计算类型：（1）已知管路及流体的输送量，求流动阻力；（2）已知管路及流动阻力，求流体的输送量；（3）已知管路（管径未知）、流体的输送量及流动阻力，求管径。1131.6管路计算运用的方程式：连续性方程式、柏努利方程式按管路性质来分：（1）简单管路（2）复杂管路（主要讲并联管路和分支管路）1.简单管路例1-20（P59）、例1-21（P61）114按管路性质来分：1142.并联管路与分支管路1）并联管路1152.并联管路与分支管路1152）分支管路例1-22（P63）、1-23（P64）、1-24（P65）1162）分支管路例1-22（P63）、1-23（P64）、1-21.7流量测量差压流量计：测速管、孔板流量计、文丘里流量计截面流量计：转子流量计1171.7流量测量差压流量计：测速管、孔板流量计、文丘里流量计1.测速管（皮托管）1181.测速管（皮托管）118测速管优点：是对流体的阻力较小，适用于测量大直径管路中的气体流速。测速管缺点：只能测出流体的点速，不能直接测出平均速度，另外当流体中含有固体杂质时，不宜采用。119测速管优点：是对流体的阻力较小，适用于测量大直径管路中的气体2.孔板流量计1202.孔板流量计120Co：流量系数或孔流系数；C1：流体流经孔板产生能量损失的校正系数；C2：测压方法的校正系数；A0：孔板小孔的截面积；A1：管道的截面积。121Co：流量系数或孔流系数；121122122优点：容易制造，调换方便。缺点：流体流经孔板的能量损失较大，孔口边缘容易腐蚀和磨损，需定期进行校正。123优点：容易制造，调换方便。1233.文丘里（Venturi）流量计1243.文丘里（Venturi）流量计124优点：能量损失小。缺点：制造要求高。125优点：能量损失小。1254.转子流量计1264.转子流量计126CR：转子流量计流量系数；AR：转子与玻璃管之间的环形截面积。127CR：转子流量计流量系数；127优点：读取流量方便，能量损失小，测量范围宽能用于腐蚀性流体的测量。缺点：不能经受高温和高压，安装时必须垂直。128优点：读取流量方便，能量损失小，测量范围宽能用于腐蚀性流体的第一章流体流动129第一章1要求：1.掌握流体静力学基本方程式及应用；2.掌握连续性方程及应用；3.掌握柏努利方程式及应用；4.掌握流动阻力的计算；5.掌握管路计算。130要求：1.掌握流体静力学基本方程式及应用；2重点：1.柏努利方程式及应用；2.流动阻力的计算；3.管路计算。131重点：1.柏努利方程式及应用；3流体：液体和气体统称为流体。

在研究流体流动时，通常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质，每个分子集团称为质点。132流体：液体和气体统称为流体。4

流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性，这些规律对化工生产具有一定的指导作用，具体表现在以下几个方面：（1）流体的输送管径的确定、输送设备的负荷；（2）压强、流速和流量的测量为仪表测量提供依据；（3）为强化设备提供适宜的流动条件设备的操作效率与流体流动状况有密切关系。133流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.定义：单位体积流体所具有的质量，kg/m3。2.求取：(1)一般可在物理化学手册或有关资料中查得，教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度。1341.1流体的物理性质1.1.1流体的密度1.定义：单位体(2)对理想气体，其密度与压强和温度有关。当实际状态与手册中标明的状态不一致时，需校正。实际上理想气体的密度可按下式计算：135(2)对理想气体，其密度与压强和温度有关。当实际状态与手册中(3)对混合物的平均密度还需通过以下公式计算：Ａ、Ｂ：纯组份A、B的密度，kg/m3；xwA、xwB：A、B的质量分数；xVA、xVB：A、B的体积分数；yA、yB：A、B的摩尔分数。136(3)对混合物的平均密度还需通过以下公式计算：Ａ、Ｂ：1.1.2流体的粘度1.牛顿粘性定律

流体在管内流动时，其速度分布规律为：靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小（实验可验证）。1371.1.2流体的粘度1.牛顿粘性定律9

流体在圆管内流动时，在一定的条件下可视为被分割成无数层极薄的圆筒，一层套一层，每层称流体层，流体层上各质点的速度相等。

138流体在圆管内流动时，在一定的条件下可视为被分割成无数层相邻两层中靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度较小。前者对后者起带动作用，后者对前者起拖曳作用，相邻流体层之间的这种相互作用称内摩擦力。带动作用是由流体静压力所产生的，而拖曳作用是由流体内在的一种抗拒向前运动的特性所产生的，这种特性称粘性。

粘性是内摩擦力产生的原因，内摩擦力是粘性的表现。流体在流动时的内摩擦力是流动阻力产生的依据。139相邻两层中靠近管中心的速度较大，靠近管壁的速度流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？140流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？1214113流体在平板间流动时，实验证明：流体在管内流动时：牛顿粘性定律142流体在平板间流动时，实验证明：流体在管内流动时：牛顿粘性定律牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括全部气体与大部分液体。非牛顿型流体：不服从牛顿粘性定律的流体，包括稠厚液体或悬浮液。143牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括全部气体与大部分液体2.流体的粘度2）物理意义

促使流动产生单位速度梯度的剪应力。因此，粘度是流体运动时的特性。1）定义1442.流体的粘度2）物理意义1）定义163）求取：查手册，或实验测定。混合物的粘度不能按组分叠加计算，只能用专门的经验公式估计。1453）求取：174）影响因素：温度：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。压强：压强变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压强增加而增加得很少，只有在极高或极低的压强下，才考虑压强对气体粘度的影响。1464）影响因素：185）粘度的单位：P（泊）=g/(cm﹒s)1P=100cP（厘泊）1Pa﹒s=10P=1000cP1475）粘度的单位：P（泊）=g/(cm﹒s)193.理想流体黏度为零的流体。严格讲：在流动过程中，流动阻力为零的流体。1483.理想流体201.2.1静止流体的压力

1.定义：2.单位：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1.2流体静力学基本方程式1491.2.1静止流体的压力1.定义：2.单位：Pa（帕斯卡其之间换算关系为：1atm=760mmHg=1.0133×105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar150其之间换算关系为：1atm=760mmHg223.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；表压强：绝对压强比大气压强高出的数值；真空度：绝对压强低于大气压强的数值。1513.表示方法23换算关系：表压强=绝对压强－大气压强真空度=大气压强－绝对压强例1-2（P17）152换算关系：例1-2（P17）24例1-2：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。

绝对压=大气压-真空度=85300–80000=5300[Pa]

真空度=大气压-绝对压=101330-5300=96030[Pa]153例1-2：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80k1.2.2流体静力学基本方程式1.内容描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式。流体静力学基本方程式的推导（自学）1541.2.2流体静力学基本方程式1.内容流体静力学基本方程使用条件：静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。155使用条件：271）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面的深度h有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。由流体静力学基本方程式可得到以下结论：1561）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任一点压强p2）当液面上方的压强p0

改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变。3）式p=p0

+gh可该写为：(p－p0)/g=h，说明压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必须标明是何种液体液柱。1572）当液面上方的压强p0改变时，液体内部各点的压强pPA=PA′PB=PB′PC=PC′3.当细管水位下降到多高时,槽内水将放净?1=800kg/m3

2=1000kg/m3

H1=0.7mH2=0.6m例题:1.判断下面各式是否成立2.细管液面高度hh158PA=PA′PB=PB′PC=PC′3.当细管水解:利用等压面原理求解PA=PA’PB=PB’3.

2gh’=1gH1h’=0.56m2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p0h=H2+H1ρ1/ρ2h=1.16m159解:利用等压面原理求解PA=PA’3.2g1.2.3流体静力学基本方程式的应用1.压强与压强差的测量测量压强的仪表种类很多，其中以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计，它可测量流体的压强或压强差，其中较典型的有下述两种。1601.2.3流体静力学基本方程式的应用1.压强与压强差的测1)U管压差计指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体。1611)U管压差计33A：指示液；B：待测液体。162A：指示液；B：待测液体。34163352.倾斜液柱压差计R1=R/sinR=R1sin1642.倾斜液柱压差计R1=R/sin363.微差压差计—放大读数特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-c）Rg1653.微差压差计—放大读数特点：37例1-4（P21）例1-6166例1-4（P21）382.液位的测量1672.液位的测量393.液封高度的计算化工生产中一些设备需要液封，液封高度的确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的。1683.液封高度的计算40169411.3

流体流动的基本方程1.3.1流量与流速1.流量单位时间内流过管道任一截面的流体量。1701.3流体流动的基本方程1.3.1流量与流速1.流量质量流量ws：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。体积流量Vs：流体单位时间内流过管道任一截面的流体体积。171质量流量ws：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。2.流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。由于流体在管截面上的速度分布较为复杂，通常流体的流速指整个管截面上的平均流速，表达式为：1722.流速44

由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的流速也随之而变，因此采用质量流速较为方便。质量流速：单位时间内流体流过管道单位截面积的质量。

173由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的由流量和流速可确定管道的直径d

流量一般由生产任务所决定。流速的选择视具体情况而定，一般选用经验数据，具体见表1-1（P26），计算得到的管径需进行标准化。例1-10（P26）174由流量和流速可确定管道的直径d流量一般由生产任务所1.3.2稳态流动与非稳态流动稳态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不随时间而变化，这种流动称为定态流动或稳定流动。非稳态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量随时间而变化，这种流动称为非定态流动或不稳定流动。1751.3.2稳态流动与非稳态流动稳态流动：在流动系统中，各截1－进水管2－溢流管3－水箱4－排水管1761－进水管2－溢流管3－水箱4－排水管481.3.3连续性方程式1771.3.3连续性方程式49根据物料衡算推导出管道内稳态流动的连续性方程式：若流体视为不可压缩流体，=常数，则有：178根据物料衡算推导出管道内稳态流动的连续性方程式：若流体视为不

当体积流量一定时，流速与管径的平方成反比，即：179当体积流量一定时，流速与管径的平方成反比，即：511.3.4柏努利方程式1.流动系统的总能量衡算进出系统的能量：（J/kg）内能U位能gZ动能u2/2静压能pv热能Q外功（净功）W总机械能（总能量）1801.3.4柏努利方程式1.流动系统的总能量衡算进出系统的能1－换热器2－泵1811－换热器2－泵53根据能量守衡定律可得：182根据能量守衡定律可得：542.流动系统的机械能衡算式与柏努利（Bernouli）方程式1）流动系统的机械能衡算式1832.流动系统的机械能衡算式与1）流动系统的机械能衡算式55——流体稳态流动的机械能衡算式184——流体稳态流动的机械能衡算式562）柏努利（Bernouli）方程式对不可压缩流体，其比容

和密度

为常数，故有：1852）柏努利（Bernouli）方程式57讨论：理想流体在管道内作定态时，无外功加入，其总机械能在各截面处相等；186讨论：58有效功率Ne=Wews对可压缩流体，当(p1-p2)/p1<20%时，上式仍可用，ρ取平均值；当流体静止时，u=0，则可得到流体静力学方程式。187有效功率Ne=Wews593.柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关1）以单位质量流体为衡算基准，单位：J/kg1883.柏努利方程式的表达形式与衡算基准有关602）以单位重量流体为衡算基准，单位：m分别称位压头、动压头、静压头、压头损失1892）以单位重量流体为衡算基准，单位：m分别称位压头、动压头、3）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa1903）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa624.应用柏努利方程式解题要点（1）作图与确定衡算范围（2）截面的选取：上、下游截面（3）基准水平面的选取（4）单位必须一致1914.应用柏努利方程式解题要点63p可采用绝对压强或表压两种表示方法。192p可采用绝对压强或表压两种表示方法。641.3.5柏努利方程式的应用1.确定管道中流体的流量2.确定容器间的相对位置3.确定输送设备的有效功率4.确定管道中流体的压强5.测定流体流经管道时的能量损失1931.3.5柏努利方程式的应用1.确定管道中流体的流量651.4.1流动类型与雷诺准数

前面所提到的流体内可视为分层流动的型态，仅在流速较小时才出现，流速增大或其他条件改变，会发生另一种与此完全不同的流动型态。这是1883年由雷诺（Reynolds）首先提出的，他曾由实验直接地考察流体流动时的内部情况以及有关因素的影响。1.4流体流动现象1941.4.1流动类型与雷诺准数前面所提到的流体内可视1.雷诺实验与雷诺准数1）实验装置1951.雷诺实验与雷诺准数1）实验装置672）实验观察到的现象滞流或称层流湍流或称紊流1962）实验观察到的现象滞流或称层流湍流或称紊流683）影响流动类型的因素流速u、管径d、流体的粘度、密度

能否用更少的参数代替流速、管径、流体的粘度、密度等参数来确定流动类型呢？1973）影响流动类型的因素694）雷诺准数雷诺通过分析研究发现：将影响流动类型的诸因素组合成数群du

/

，其值的大小可以判断流动属于滞流还是湍流，这个数群称雷诺数，用符号来Re表示。单位：m0kg0s0。1984）雷诺准数70u2：单位时间通过单位管截面的动量；u/d：流体的剪应力。雷诺准数的物理意义：反映了流体在流动过程中惯性力（动量）与黏性力（剪应力）的对比关系。199u2：单位时间通过单位管截面的动量；雷诺准数的物理意义：2.滞流与湍流1）雷诺准数

的不同实验发现：流体在圆形直管内流动时，Re＜2000滞流或层流Re＞4000湍流或紊流2000

Re4000过渡流2002.滞流与湍流722）流体内部质点的运动方式滞流：轴向运动湍流:轴向运动、径向运动3）速度分布不同4）流动阻力产生的依据不同滞流：内摩擦应力湍流：内摩擦应力和湍流应力2012）流体内部质点的运动方式731.4.2流体在圆管内流动时的速度分布1）层流2021.4.2流体在圆管内流动时的速度分布1）层流74

设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动，于管轴心处取一半径为，长度为的流体柱为研究对象。推动力＝摩擦阻力203设流体在半径为R的水平直管内作滞流流动，于管轴心处取2047620577

工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强降。206工程中常以管截面的平均流速来计算流动阻力所引起的压强207792.湍流由于湍流运动的复杂性，尚未能从理论上推倒出管内的速度分布式，只能用经验公式表达。R：管的半径，r：点到管壁的距离。n的值在6至10之间，雷诺数愈大，n的值也愈大，当Re=105左右时，n=7。2082.湍流R：管的半径，r：点到管壁的距离。80

所以湍流时，流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。平均流速u：209所以湍流时，流体的平均速度大约等于管中心处最大速度的1.4.3边界层的概念

实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部都有剪应力作用。由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁面附近。远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。2101.4.3边界层的概念实际流体与固体壁面作相对运动

所以，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的流体为主要对象。这就是本世纪初普兰德提出的边界层学术的出发点。211所以，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的1.边界层的形成

实际流体沿壁面流动时，可在流体中划分出两个区域：边界层区：在壁面附近存在较大的速度梯度，流动阻力主要集中在此区域；主流区（外流区）：速度梯度视为零的区域，流动阻力可以忽略不计。2121.边界层的形成8421385214862.边界层的分离边界层分离：边界层脱离壁面的现象。流体流动过程中产生边界层分离而引起机械能损耗，这种阻力称形体阻力。流体沿壁面流动时的流动阻力称摩擦阻力。2152.边界层的分离87216881.5

流体在管内的流动阻力

流动阻力产生的原因和影响因素：流体具有粘性，使得流体在流动时存在内摩擦力；壁面的形状。所以，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。2171.5流体在管内的流动阻力流动阻力产生的原因和影响因素

由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同，故需分开计算。218由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同，故需分开计算。901.5.1流体在直管中的流动阻力1.圆形直管阻力2191.5.1流体在直管中的流动阻力1.圆形直管阻力91220922219322294

由于总摩擦应力包括粘性摩擦应力和湍流应力，所以流型有影响，另外，管壁的粗糙度也有影响，下面分别加以讨论。223由于总摩擦应力包括粘性摩擦应力和湍流应力，所以流型有2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管等粗糙管：钢管、铸铁管等反映管道的粗糙程度的参数：绝对粗糙度相对粗糙度e=/d2242.管