化工原理 第一章 流体流动

第1章流体流动目的：掌握流体流动的基本原理以及流体在管道内的流动规律，据此分析和计算流体的输送问题。流体概念基本性质流体流动基本方程流动现象流动阻力应用管路计算流量测量流体流动流体1.流体：液体和气体。2.连续介质模型：流体视为由无数分子集团（每个分子集团也称为质点）组成的连续介质。其目的是，为了摆脱复杂的分子运动，从宏观上研究流体流动的规律。3.流体运动：指流体内部无数质点运动的总和，不是指流体内分子或原子的微观运动。①流体的输送；②流速、流量和压强的测量；③为强化设备提供适宜的流动条件。流体性质－密度1.纯物质l：随压力变化小，随温度略有变化；g：随压力和温度改变。理想气体：流体性质－密度2.混合物l→g→（体积不变）（质量不变）3.不可压缩流体：改变T或p时，；可压缩流体：改变T或p时，ρ显著变化。注意→若T或p变化不大时，ρ变化很小，气体视为不可压缩流体。流体性质－黏度1.黏性和内摩擦力（剪切力、黏滞力或黏性摩擦力）

黏性→阻碍流体相对运动的性质。

内摩擦力→流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。l：动量传递，分子间吸引力g：动量传递，分子热运动流动阻力的产生原因→因流体层间有内摩擦力，流体流动时必须克服内摩擦力而做功，其部分机械能转化为热而损失掉。流体性质－黏度2.牛顿黏性定律黏度：反映流体黏性的大小。常压气体混合物：非缔合液体混合物：流体性质－黏度4.牛顿型流体和非牛顿型流体3.理想流体目的：将实际流体先视为理想流体，可剔除影响黏度的诸多因素，简化问题。待获得理想流体流动的规律后，再考虑黏度的影响，修正理想流体流动的规律，应用于实际流体。牛顿型流体：遵循牛顿黏性定律的流体。反之称为非牛顿型流体。牛顿型流体：所有气体和大多数液体；非牛顿型流体：血液、油漆等流体。流体性质－压强1.压强单位2.表示方法：绝对压强、表压强和真空度3.换算关系表压（或真空度）与绝对压强的关系流体流动的基本方程1.概念2.连续性方程3.伯努利方程4.流体流动基本方程的应用流体流动的基本方程－概念1.稳态流动与非稳态流动稳态流动→流动参数（如u）仅随位置而变，不随时间而变。非稳态流动→至少有一个流动参数既随位置而变，又随时间而变。2.流量与流速

流量→单位时间内流过管道任一截面的流体量。

流速→单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。质量流速（质量通量）流体流动的基本方程

－连续性方程稳态流动：输入＝输出（不可压缩流体）推导连续性方程①确定控制体②确定衡算基准流体流动的基本方程

－伯努利方程对象→稳流的流体；控制体→内壁面、1－1'与2－2'截面间；衡算基准→1kg流体；衡算基准面→o－o'平面。推导伯努利方程1.能量形式

内能→U；位能→gZ，基准面以上为+，以下为－；动能→u2/2；静压能（流动功）→；热量→Qe，吸+放－；外功（净功或有效功）→We，得+失－，总机械能→位能、动能和静压能的总和。流体流动的基本方程

－伯努利方程2.流体稳态流动时机械能衡算方程流体稳态流动时机械能衡算方程流体流动的基本方程

－伯努利方程3.伯努利方程（1738年，瑞士流体物理学家伯努利）伯努利方程→1kg、不可压缩、理想流体稳流时无外功的机械能衡算方程伯努利方程流体流动的基本方程

－伯努利方程①理想流体作稳态流动时，上、下游截面上总机械能相等；不同形式的机械能不一定相等，但各种形式之间的机械能可以相互转换。②流体静力学方程→③流体流动方向的判据→无外功时，流体自动从总机械能较高处流向较低处。流体流动的基本方程4.实际流体的机械能衡算方程①单位质量→②单位重量→③单位体积→注意→非稳态流动系统的任一瞬间，伯努利方程仍成立。流体流动的基本方程－应用应用流体流动的基本方程时，注意：①画示意图；②选取上、下游截面（与流向垂直）与基准水平面；③两截面上采用一致的压强形式（常取绝压）；④物理量单位一致。P36例1-14，P36例1-15，P39例1-16流体的流动现象1.流动类型2.圆管中流体流动的速度分布3.流动边界层流体的流动现象

－流动类型1.雷诺实验与流动类型（简称流型）a.层流（滞流）b.湍流（紊流）流型雷诺实验流体的流动现象

－流动类型2.雷诺数（雷诺准数，Reynolds，Re）准数→亦称特征数，由几个物理量组合而成的无量纲数群。惯性力加剧湍流，黏滞力抑制湍流。流体的流动现象

－流动类型3.流型的判据流体在直管内的流型：①Re≤2000→层流；②Re≥4000→湍流；③Re=2000～4000→不稳定的过渡区，可能为层流，也可能为湍流。注意→工程上，Re＞3000的流型按湍流处理。流体的流动现象

－流动类型4.流型比较质点i湍流时的速度脉动曲线流体的流动现象

－流动类型流型比较

流体的流动现象

－流体在圆管中的速度分布1.层流圆管中流体的受力分析管内流体作层流时的速度分布圆管内流体作层流时速度分布表达式流体的流动现象

－流体在圆管中的速度分布流体的流动现象

－流体在圆管中的速度分布2.湍流层流内层过渡层湍流主体

层流内层→近管壁处作层流运动的流体薄层湍流区湍流时管内流体的速度分布1/7次方律流体的流动现象

－边界层1.边界层目的→简化实际流体的流动，集中研究边界层内的流动规律。平板上流动边界层流动边界层→简称边界层，指壁面附近具有较大速度梯度的流体层，遵循牛顿黏性定律。主流区→边界层外，速度梯度为零的区域，此区流体可视为理想流体。边界层厚度→由壁面至速度达到主流速度的点之间的距离。注意：工程上规定，边界层边缘处流速→流体的流动现象

－边界层2.边界层发展平板上流动边界层①平板上边界层边界层流型→层流边界层和湍流边界层。流体的流动现象

－边界层②管内边界层圆管进口段层流边界层厚度的变化进口段（稳定段）→距离进口x0的区域。完全发展区→进口段以后，各截面速度分布曲线形状不随x而变。圆管进口段层流与湍流边界层厚度的变化注意→圆管内流体的速度分布测定地点，应选在距离入口大于x0处。工程上，层流时，x0=(50～100)d；湍流时，一般比层流的要短。流体的流动现象

－边界层3.边界层分离（曲面）边界层分离边界层分离→流体流过曲面时，边界层脱离壁面。①A点：驻点，流速为零，压强最大。②A-B间：流道截面↓，加速减压。③B点：流速最大，压强最低。④B-C间：流道截面↑，减速加压。⑤C点：分离点（新驻点），流速为零，压强最大。⑥C-D间：存在两股流向相反的液体；CD曲面称分离面，分离面与壁面间因液体倒流而形成涡流区，其中质点因碰撞与混合而损耗能量。此能耗是因固体表面形状而引起边界层分离造成的，即形体阻力。注意→流体流经管件、阀门、管道进出口等局部地方，由于流向和流道截面变化均会引起局部阻力。局部阻力：形体阻力与流动阻力之和。流体在管内的流动阻力流动阻力直管阻力局部阻力摩擦系数阻力系数当量长度流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力

－圆形直管阻力通式范宁（Fanning）公式直管阻力通式推导1.圆形直管阻力的通式流体在管内的流动阻力

－圆形直管阻力通式→摩擦系数→范宁摩擦系数2.摩擦系数

流体在管内的流动阻力

－圆形直管阻力通式表示管壁粗糙度的参数：绝对粗糙度和相对粗糙度。绝对粗糙度（ε）→壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度（ε/d）→绝对粗糙度与管径之比。3.管壁粗糙度管道光滑管→玻璃管、黄铜管和塑料管等粗糙管→钢管和铸铁管等流体在管内的流动阻力

－圆形直管阻力通式①流体流过管壁面②流体流过管壁面流体在管内的流动阻力

－摩擦系数哈根－泊谡叶公式(Hagon-Poiseuille)1.层流时摩擦系数流体在管内的流动阻力

－摩擦系数①量纲分析法→深入分析过程的本质，将几个变量组合为量纲为1的数群，基于实验，建立这些数群间的关系式。目的是减少实验次数。a.量纲一致性→凡根据基本物理规律得到的方程，其各项量纲必然相同。b.

π定理（Buckingham提出）→任何量纲一致的物理方程均可表示为一组量纲为1数群的零函数。2.湍流时摩擦系数（建模法）流体在管内的流动阻力

－摩擦系数②雷莱（LordRylegh）指数法欧拉准数流体在管内的流动阻力

－摩擦系数注意：a.量纲分析法必须与实验结合，由实验确定相关物理量。b.准数关系式中的系数与指数应由实验确定。顾毓珍公式→（光滑管）Colebrook公式→（粗糙管）流体在管内的流动阻力

－摩擦系数3.摩擦系数图

摩擦系数图（P52，图1-27）流体在管内的流动阻力

－摩擦系数特点：流体在管内的流动阻力

－非圆形直管阻力流体在非圆形直管中作湍流时，流动阻力计算沿用圆形直管中的流动阻力计算公式，仅需用当量直径（de）替换原公式和Re中的圆管直径d。注意→不能用当量直径计算流体通过的截面积、流速和流量；公式和Re中的流速指流体的真实流速。水力半径→局部阻力1.局部阻力（）→流体流经管件、阀门、管路的进口和出口、扩大、缩小等位置时，其流速大小和方向会改变，使涡流加剧而损耗能量。①阻力系数法2.局部阻力计算变径时局部阻力系数注意→流体从管道排放至管外时，管道出口内侧截面上压强取管外压强。出口截面若选在管道的出口内侧，保留动能项，不计出口损失；若选在出口外侧，动能为零，计出口损失。（见P62，例1-21）局部阻力②当量长度法→将局部阻力折算成通过一定长度的直管阻力③管路中总阻力→管件与阀门的当量长度（P60，图1-29）总阻力损失（总能量损失）管路计算1.管路计算的依据依据管路计算①设计型问题→给定输送流量，确定优化的管径。先选定流体的适宜流速（P27，表1-1），计算管径，根据管道标准规格进行圆整。2.管路计算的类型流速与费用关系管路计算操作型问题管路已定，改变操作条件时流动参数如何变化，或核算管路的某项技术指标。若输送流量未知，则平均速度未知，而λ是u的非线性函数，故求解时需用试差法。具体做法是将λ视为试差变量，初值可在0.02～0.03内取值，或取阻力平方区的λ值。管路计算①简单管路流体从入口到出口始终在一条管路中流动，管路可能有变径，但无管路的分支或汇合。a.流经各管段的质量流量不变。b.总阻力损失为各管段阻力损失之和。3.管路分类简单管路特点：管路计算②复杂管路具有分支的管路，含并联管路和分支（或汇合）管路。并联管路通过细而长支管的流量小；通过粗而短支管的流量大。（见P64，例1-22）管路计算分支管路（见P67，例1-24）流量测量变压头流量计变截面流量计测速管孔板流量计文丘里流量计转子流量计流量计质量流量计流量测量流量测量－测速管1.测速管（皮托管）由外管（静压管）和内管（冲压管）构成。所测流速为管道截面上某一点处的局部流速（点速度）。测速管流量测量－测速管2.安装①测量位置在进口段以后。②测速管截面严格垂直于流