化工原理 第一章第一节概述

化工原理第一章第一节概述第一页，共三十一页，编辑于2023年，星期日流动现象：①日常生活中第二页，共三十一页，编辑于2023年，星期日②工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池煤气洗涤塔第三页，共三十一页，编辑于2023年，星期日第四页，共三十一页，编辑于2023年，星期日第五页，共三十一页，编辑于2023年，星期日引言（2）流体的流动对传热、传质及反应过程有着重要影响化工设备中的传热，传质以及反应过程大多是在流动的条件下进行的一、在所有化工单元操作中为什么首先讨论“流体流动”？流体流动的规律是化工原理的重要基础！（1）

化学工业中涉及各种流体的输送研究流体的流动规律可进行管路的设计，输送机械的选择及功率的计算。（3）流体的混合第六页，共三十一页，编辑于2023年，星期日(5)流量和流速的测量(毕托管，孔板流量计，转子流量计)二、“流体流动”主要研究内容（1）流体静力学（2）流体流动中的守恒原理(3)流体流动的型态及阻力计算(4)管路计算

动量守恒－机械能损失数据缺少时的计算能量守恒－柏努利方程－能量衡算质量守恒－连续性方程－物料衡算介绍流体静力学原理及工程应用第七页，共三十一页，编辑于2023年，星期日

第一节概述一、流体流动的考察方法

a、由大量的彼此之间有一定间隙单个分子组成，而且单个分子做随机的、混乱的运动。如果以单个分子为考察对象，流体将是一种不连续的介质，所处理的运动是一种随机运动。如果研究单个分子的微观运动，则问题复杂，无法用连续函数的数学工具加以描述。2、流体的特征：1、流体是所有气体和液体的总称。b、具有流动性，即抗剪抗张能力都很小；无固定形状，随容器形状而变化；c、受外力作用时，内部产生相对运动（与固体运动的主要区别）。第八页，共三十一页，编辑于2023年，星期日流体质点：指含有大量分子的流体微团其尺寸远小于设备尺寸，远大于分子自由程3、连续性假定连续性假定：●可以使用连续函数的数学工具加以描述●假定流体是由大量质点（微团）所组成●可看作彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质●物理性质和运动参数在空间作连续分布第九页，共三十一页，编辑于2023年，星期日但流体质点模型的使用是有条件的。当特性长度与平均自由程之比大于103-4时，就可以使用流体质点模型，否则流体质点模型就不适用。如1mm3常温常压气体含2.51015个分子，分子平均自由程为0.1m数量级，此时不能使用流体质点模型。在100km的高空，压力约为0.133Pa，空气中氧气和氮气分子的平均自由程约为1m，这时仍可使用流体质点模型，但在直径为1m的容器内，如压力也为0.133Pa，则不能使用流体质点模型。所以，在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。第十页，共三十一页，编辑于2023年，星期日（1）拉格朗日法选定一个流体质点，跟踪观察，描述运动参数与时间的关系。同对固体的质点运动的描述：X=ƒ1(t)（如：观看球赛）4、运动的描述方法（2）欧拉法在固定位置上观察流体质点的运动情况，描述运动参数在指定空间和时间的变化ux=ƒx(x,y,z,t)uy=ƒy(x,y,z,t)x,y,z为位置坐标，t为时间uz=ƒz(x,y,z,t)（如：交通流量测量点）第十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期日拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。系统：包含众多流体质点的集合。系统与外界有力的作用与能量的交换，但没有质量交换。系统的边界的形状和大小随着时间而变化。（3）二法比较和选择欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。控制体：当划定一固定的空间体积来考察问题，该空间称为控制体。流体可以进出控制体，控制体与外界也可以有力的作用和能量的交换。（是本课程常用的考察方法）第十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期日定态流动指运动空间各点的状态不随时间而变化的流动

即：()=0()=0()=05、定态流动与非定态流动则ux=ƒx(x,y,z)uy=ƒy(x,y,z)uz=ƒz(x,y,z)表明流动的速度只随空间位置而变，而与时间无关。如：河水在河床中流动；工业生产流水线中的工种第十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期日第十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期日（2）流线：同一瞬时不同质点的速度方向，流线上各点的切线表示该点的速度方向。这是采用欧拉法考察的结果

abca,b,c为同一瞬时各质点，箭头为运动方向

6、流线与轨线（1）轨线：同一流体质点不同时刻所占空间位置的连线即质点运动轨迹。这是采用拉格朗日法考察流体运动的结果第十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期日②在定态流动过程中，流线和轨线重合（各位置上流体的速度不随时间而变化）

（3）流线与轨线的比较①轨线描述的是同一质点在不同时间的位置

流线表示的则是同一瞬间不同质点的速度方向第十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期日二、流体流动中的作用力

1、体积力：作用于流体每一个质点上的力体积力正比例于质量，又称为质量力在重力场中体积力即重力，在离心场中为离心力2、表面力：作用于所研究流体体积表面上的力表面力正比例于表面积（1）

压力：垂直于流体表面的力

压强

p：单位面积上所受的压力（2）剪力（切力）：平行于表面的力

剪应力τ：单位面积上所受的剪力

压力剪力第十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期日牛顿粘性定律τ右>τ左－粘性系数（粘度）N•s/m2或pa·s－法向速度梯度1/suFAyxF:内摩擦力粘性流体运动时内部的剪切力

速度梯度剪应力：单位面积上的内摩擦力是动量传递的基本方程式剪应力的大小实际上代表了动量传递的速率。第十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期日3、液体所受剪应力与固体所受剪应力的区别：固体：液体：(1)与固体表面的摩擦力不同，内摩擦力与法向压力无关。(2)固体的剪应力正比于剪切变形（角变形）dθ，而流体的剪应力正比于剪切变形的速率，这里的速度梯度就是变形的速率dθ/dt。静止的流体不能承受剪应力(哪怕是非常微小的剪应力)和剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。

第十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期日(3)剪应力的大小代表了动量传递的速率。单位时间，单位面积上所传递的动量。动量梯度产生动量传递。运动粘度，单位:μ-动力粘度，单位：Pa‧s牛顿黏性定律的另一种表达法。第二十页，共三十一页，编辑于2023年，星期日（4）、流体中的动量传递的进一步说明实际流体变形需要一定的力。这个力体现为流体内部的剪切力，其大小与流体的密度及粘度等性质有关。这一现象可以用分子运动学说来解释：

yττu(b)

流体的动量传递(a)u22211λu1第二十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期日由分子运动学说可见，剪应力的产生，是由于不同流体层的分子具有不同速度，或即不同的动量所致。全面讨论：——单位体积流体所具有的动量；——比例系数，称为动量扩散系数，关于正负号的说明：对剪应力：“+”表示剪应力的方向和流向一致；“-”表示剪应力的方向和流向相反。——是在方向上的变化率，称为动量梯度；——动量传递速率，即单位时间单位面积的动量第二十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期日对动量传递：取“-”，表示动量传递的方向和动量梯度的方向相反。由图可见，动量传递的方向和剪应力的方向互相垂直。用动量传递推导粘度的数值动量扩散系数等于分子平均速度和分子平均自由程的乘积的由气体分子运动学说,可以估计分子的平均速度和分子平均自由程的值,从而估计出粘度的数值,它在数量级上是正确的，说明这一理论的正确性。第二十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期日4、粘度

①流体的一种物理特性,是流体粘性的度量。粘性的本质是分子间的引力与分子间的运动和碰撞，是分子微观运动的宏观表现。服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体（大多数如水、空气），本章主要研究牛顿型流体的流动规律。气体粘度＜＜液体粘度T↑气体粘度↑（分子引力减小，运动加剧，运动力是主要的）T↑液体粘度↓（分子引力减小是主要的，运动力是次要的）其大小因流体而异，只与温度有关，与速度梯度无关。压力对液体粘度影响很小，可以忽略不计；气体粘度在压力不是极高或极低的条件下，可以认为与压力无关。第二十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期日②粘度单位物理制(厘米·克·秒制)泊(达因·秒/厘米2)1厘泊=(1/100)泊国际制(SI)N·s/m2帕斯卡··秒（写作Pa·s）单位制换算1厘泊=(1/100)泊=(1/1000)N·s/m2=1/1000Pa·s1CP=1/100P=1/1000pa·s运动黏度第二十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期日③非牛顿型流体

凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿型流体，如胶体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂料及混凝土等。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度成曲线关系，或者成不过原点的直线关系，如图所示。

第二十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期日5、管截面的速度分布：

剪应力及流体的粘度是有限值，故速度梯度也只能是有限值，相邻流体层的速度只能连续变化。粘度不为零管壁速度为零管中心速度最大粘度为零（理想流体）速度分布均匀第二十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期日三、流体流动中的机械能位能动能压强能机械能内能流体能量1、内能内能是贮存于液体内部的能量，是由于原子与分子的运动及其相互作用存在的能量。因此液体的内能与其状态有关。内能大小主要决定于液体的温度，而液体的压力影响可以忽略。单位质量流体所具有的内能U＝f（t），J/Kg第二十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期日2、位能在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。单位质量流体所具有的位能gz

3、动能液体因运动而具有的能量，称为动能。单位质量流体所具有的动能第二十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期日4、压强能流体自低压向高压