化工原理流体力学

化工原理流体力学1第1页，课件共129页，创作于2023年2月要求：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第2页，课件共129页，创作于2023年2月重点：1.柏努利方程式及应用；2.流动阻力的计算；3.管路计算。3第3页，课件共129页，创作于2023年2月流体：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第4页，课件共129页，创作于2023年2月

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第5页，课件共129页，创作于2023年2月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。6第6页，课件共129页，创作于2023年2月(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第7页，课件共129页，创作于2023年2月(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第8页，课件共129页，创作于2023年2月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）。9第9页，课件共129页，创作于2023年2月

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。

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。10第10页，课件共129页，创作于2023年2月

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第11页，课件共129页，创作于2023年2月12第12页，课件共129页，创作于2023年2月流体在流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？13第13页，课件共129页，创作于2023年2月14第14页，课件共129页，创作于2023年2月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15第15页，课件共129页，创作于2023年2月16第16页，课件共129页，创作于2023年2月牛顿型流体：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。17第17页，课件共129页，创作于2023年2月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18第18页，课件共129页，创作于2023年2月3）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。19第19页，课件共129页，创作于2023年2月4）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。20第20页，课件共129页，创作于2023年2月5）粘度的单位：P（泊）=g/(cm﹒s)1P=100cP（厘泊）1Pa﹒s=10P=1000cP21第21页，课件共129页，创作于2023年2月3.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。22第22页，课件共129页，创作于2023年2月1.2.1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23第23页，课件共129页，创作于2023年2月其之间换算关系为：1atm=760mmHg=1.0133×105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar24第24页，课件共129页，创作于2023年2月3.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。25第25页，课件共129页，创作于2023年2月换算关系：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）26第26页，课件共129页，创作于2023年2月1.2.2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。27第27页，课件共129页，创作于2023年2月2.使用条件：静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。由流体静力学基本方程式可得到以下结论：28第28页，课件共129页，创作于2023年2月1）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。29第29页，课件共129页，创作于2023年2月2）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。30第30页，课件共129页，创作于2023年2月3.流体静力学基本方程式的推导（自学）例1-3（P19）31第31页，课件共129页，创作于2023年2月1.2.3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。32第32页，课件共129页，创作于2023年2月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。33第33页，课件共129页，创作于2023年2月A：指示液；B：待测液体。34第34页，课件共129页，创作于2023年2月35第35页，课件共129页，创作于2023年2月36第36页，课件共129页，创作于2023年2月3)微差压差计压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶。为了读数方便，使U管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称“水库”。37第37页，课件共129页，创作于2023年2月A：指示剂C：指示剂B：扩大室38第38页，课件共129页，创作于2023年2月例1-4（P21）39第39页，课件共129页，创作于2023年2月2.液位的测量40第40页，课件共129页，创作于2023年2月3.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。例1-8、例1-9（P24）41第41页，课件共129页，创作于2023年2月42第42页，课件共129页，创作于2023年2月1.3

流体在管内的流动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。43第43页，课件共129页，创作于2023年2月质量流量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。44第44页，课件共129页，创作于2023年2月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：45第45页，课件共129页，创作于2023年2月

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。

46第46页，课件共129页，创作于2023年2月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）47第47页，课件共129页，创作于2023年2月1.3.2

定态流动与非定态流动定态流动：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。非定态流动：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。48第48页，课件共129页，创作于2023年2月1－进水管2－溢流管3－水箱4－排水管49第49页，课件共129页，创作于2023年2月1.3.3连续性方程式50第50页，课件共129页，创作于2023年2月根据物料衡算推导出管道内定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：51第51页，课件共129页，创作于2023年2月

当体积流量一定时，流速与管径的平方成反比，即：52第52页，课件共129页，创作于2023年2月1.3.4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）53第53页，课件共129页，创作于2023年2月1－换热器2－泵54第54页，课件共129页，创作于2023年2月根据能量守衡定律可得：55第55页，课件共129页，创作于2023年2月2.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56第56页，课件共129页，创作于2023年2月57第57页，课件共129页，创作于2023年2月2）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：58第58页，课件共129页，创作于2023年2月讨论：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；59第59页，课件共129页，创作于2023年2月

有效功率Ne=Wews

对可压缩流体，当(p1-p2)/p1<20%时，上式仍可用，p取平均值；当流体静止时，u=0，则可得到流体静力学方程式。60第60页，课件共129页，创作于2023年2月3.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/kg61第61页，课件共129页，创作于2023年2月2）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62第62页，课件共129页，创作于2023年2月3）以单位体积流体为衡算基准，单位：Pa63第63页，课件共129页，创作于2023年2月4.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64第64页，课件共129页，创作于2023年2月p可采用绝对压强或表压两种表示方法。65第65页，课件共129页，创作于2023年2月1.3.5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66第66页，课件共129页，创作于2023年2月1.4.1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67第67页，课件共129页，创作于2023年2月1.雷诺实验与雷诺准数1）实验装置68第68页，课件共129页，创作于2023年2月2）实验观察到的现象滞流或称层流湍流或称紊流69第69页，课件共129页，创作于2023年2月3）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？70第70页，课件共129页，创作于2023年2月4）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。71第71页，课件共129页，创作于2023年2月u2：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。72第72页，课件共129页，创作于2023年2月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73第73页，课件共129页，创作于2023年2月2）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74第74页，课件共129页，创作于2023年2月1.4.2

流体在圆管内流动时的速度分布1）层流75第75页，课件共129页，创作于2023年2月

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76第76页，课件共129页，创作于2023年2月77第77页，课件共129页，创作于2023年2月78第78页，课件共129页，创作于2023年2月

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。79第79页，课件共129页，创作于2023年2月80第80页，课件共129页，创作于2023年2月2.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。81第81页，课件共129页，创作于2023年2月

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：82第82页，课件共129页，创作于2023年2月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。83第83页，课件共129页，创作于2023年2月

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。84第84页，课件共129页，创作于2023年2月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。85第85页，课件共129页，创作于2023年2月86第86页，课件共129页，创作于2023年2月87第87页，课件共129页，创作于2023年2月2.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。88第88页，课件共129页，创作于2023年2月89第89页，课件共129页，创作于2023年2月1.5

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。90第90页，课件共129页，创作于2023年2月

由于直管阻力和局部阻力产生的原因不同，故需分开计算。91第91页，课件共129页，创作于2023年2月1.5.1流体在直管中的流动阻力1.圆形直管阻力92第92页，课件共129页，创作于2023年2月93第93页，课件共129页，创作于2023年2月94第94页，课件共129页，创作于2023年2月95第95页，课件共129页，创作于2023年2月

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。96第96页，课件共129页，创作于2023年2月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=/d97第97页，课件共129页，创作于2023年2月滞流：与e无关；湍流：与e有关。98第98页，课件共129页，创作于2023年2月3.滞流时的摩擦系数99第99页，课件共129页，创作于2023年2月4.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-m100第100页，课件共129页，创作于2023年2月称为欧拉（Euler）准数，用Eu表示。K，b，k，q值通过实验确定。101第101页，课件共129页，创作于2023年2月102第102页，课件共129页，创作于2023年2月

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。103第103页，课件共129页，创作于2023年2月104第104页，课件共129页，创作于2023年2月

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）105第105页，课件共129页，创作于2023年2月流动阻力hf与流速u的关系：106第106页，课件共129页，创作于2023年2月5.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。107第107页，课件共129页，创作于2023年2月1.5.2流体在管路中的局部阻力1.阻力系数法108第108页，课件共129页，创作于2023年2月1）突然扩大与突然缩小（查图）109第109页，课件共129页，创作于2023年2月2）进口与出口进口：i=0.5出口：o=1.03）管件与阀门

查手册110第110页，课件共129页，创作于2023年2月111第111页，课件共129页，创作于2023年2月2.当量长度法112第112页，课件共129页，创作于2023年2月1.5.3管路系统中的总能量损失113第113页，课件共129页，创作于2023年2月1.6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