化工原理（第2版）上册 课件 第1章 流体流动

1第1章流体流动1.1概述1.2概念、名词和物理量1.3流体流动内部结构1.4流体流动守恒方程及应用1.5流体流动阻力第1章流体流动2第1章流体流动－概述概述1.1.1学习的必要性1.1.2基本观点与考察方法31.1.1学习的必要性

（1）流体输送——最常见单元操作

管路配置和布置

输送功率的计算

流量测量

输送设备的选择（2）其它单元操作~流体流动传递过程的速率~流动状况放大效应第1章流体流动－概述－学习的必要性

流动基本规律……相关的工程问题：4特性

足够小，远小于管道、容器足够大，远大于分子自由程2基本观点流体=

质点

连续介质假设：彼此无间隙

质点—最小考察对象质点行为流动现象和规律

可任意相对运动

流体任意形变描述质点运动状态——位置、速度、压强、…

运动参数第1章流体流动－概述－基本观点与考察方法1.1.2基本观点和考察方法

1质点流体

质点

流体分子，完全充满——大量流体分子组成的微团

流体不能承受剪切5第1章流体流动－概述－基本观点与考察方法3考察方法

拉格朗日法

欧拉法，描述同一质点在不同时刻的状态，描述同一时刻各处质点状态及其随时间的变化轨线流线—某个质点的运动轨迹

拉格朗日法

欧拉法控制体—划定的欲考察的局部空间几何点~质点：跟踪质点：划定范围A质点ti时刻A质点ti+1时刻A质点ti+2时刻，运动方向=切向A质点B质点C质点某时刻—一些质点的集合，轨线流线6第1章流体流动－基本概念和物理量基本概念和物理量1.2.1流体流动中的作用力1.2.2流体的密度和压缩性1.2.3流体的流量和流速71.2.1流体流动中的作用力

1体积力和表面力

质量重力、离心力表面力—作用于流体面

垂直于作用面—压力

平行于作用面—剪(切)力(摩擦力)压强—压力/m2体积力—作用于每个质点(彻体力)质点相对运动

速度不同的层，分层流动

层间剪(切)力(摩擦力)第1章流体流动－基本概念和物理量－作用力剪应力—剪力/m2

体积(均质流体)

作用面面积速度大小~离壁距离

层间相对运动与壁面等距的质点(速度相同)

一层流体82压强(p)1atm=760mmHg

=10.33mH2O

=1.013bar=101.3kPa

=1.013

105Pa

=0.101MPa(1)单位换算(2)表示法

绝对压强

表压强=真实压强－0

真空度=绝对压强－当地大气压=当地大气压－绝对压强注明表示法：第1章流体流动－基本概念和物理量－作用力5mH2O(表压)，120kPa(绝压)压强绝对压强大气压真空度绝对压强绝对真空表压强p1p2基准绝对真空(0kPa)当地大气压当地大气压9第1章流体流动－基本概念和物理量－流体的密度和压缩性1.2.2流体的密度及压缩性理想气体的密度1atm,0C

(标态)—p,T时(非标态)1流体的密度(,kg/m3)p-kPa;T-K；R-8.314kJ/kmol

K；M-kg/kmol;

-kg/m3;两个绝对

!

1

2：绝对温度、绝对压强气体混合物：液体混合物：——状态方程Mm＝

xiMi10第1章流体流动－基本概念和物理量－流体的压缩性压缩性——

或V随压强变化的性质液体——不可压缩流体，

与p基本无关气体——可压缩流体，

与p明显有关对气体的近似处理2流体的压缩性平均的T、p

——“不可压缩”1.2.3流量与流速

2流速—某截面，流体的量/时间体积流量qvm3/s,m3/h质量流量qmkg/s,kg/h说明气体，体积(流量)~T、p10000m3/h(20℃,120kPa)

1流量—流体的量/(时间

流通截面积(A))

(平均)流速圆形管:(m/s)第1章流体流动－基本概念和物理量－流量与流速

473.5mmd=47-23.511瞬时性、非累积性(标准状态)qV,qm~时间

外径壁厚内径质量流速G

(kg/m2

s)说明

G＝

u

局部

与u的关系3定态流动与非定态流动12定态流动：各处流动参数(qv,u,p…)均不随时间而变非定态流动：(某位置的)流动参数随时间而变第1章流体流动－基本概念和物理量－流量与流速轨线与流线重合表示气体u时(T?，p?)

微元13第1章流体流动－流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.3.2流体流动型态1.3.4流体流动边界层1.3.1流体的黏性和黏度1.3.3管内流体流动数学描述141.3.1流体的黏性与黏度

1.什么是黏性？

被搅动的液体最终停下；

库仑实验黏性——流体阻碍自身和它物运动的性质2.黏性的本质——动量传递xy流过(x)壁面，分子热运动

层间分子交换分层；

层间动量传递:层间作用力—剪力(内摩擦力、粘性力)—黏性

对流动的对抗或运动的阻碍小结③黏性只在流动中表现出来第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体的黏性与黏度①黏性是分子热运动的宏观表现；②黏性是流体对运动的对抗和阻碍；153.牛顿黏性定律y向速度梯度

—(动力学)黏度~剪(应)力？第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体的黏性与黏度最下层()最上层()xyua1234牛顿黏性定律：说明②

法向速度梯度，与法向力无关(固体)——服从牛顿黏性定律非牛顿流体——不服从牛顿黏性定律NFf=N

yx——剪应力，N/m2各层相继运动，

①并非理论推导的结果，而是对实验、实践结果的总结③牛顿流体（动量通量）164（动力）黏度(

)

物理意义：单位：SI制，Pa·s影响因素：①相态，液体

>>气体

②温度↑，液体

↓，气体

↑运动黏度理想流体

=0

忽略速度分布、梯度20℃的水，1mPa·s第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体的黏性与黏度③压强的影响忽略不计黏性流体

≠0单位速度梯度下的剪应力。忽略剪力

171.3.2流体流动型态

1.雷诺实验现象第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态水槽加水放水管溢流口放水阀染料水瓶流速较低时流速较高时流速很高时182．雷诺实验结论(1)两种流动型态

层流：质点一维运动，无它向脉动

湍流：—层间互不参混质点主流运动+随机脉动—湍流的基本特征(2)(圆管内)流动型态判据

量纲为1的数群——雷诺数Re<2000总是层流

2000<Re<4000层流或湍流

外部环境第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态层间质点交换和参混u,d,

,

Re>4000总是湍流Re＝

惯性力/黏性力

湍动程度物理意义：~传热、传质效果193.对湍流的进一步认识

(1)三个主要特性第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态①不规则性：质点随机脉动、速度随机波动速度时均化时均速度脉动速度——简化湍流分析定义：某时刻：③扩散性②有旋性漩涡分解能量耗散消亡——促进物质的混合与扩散速度脉动曲线图，强化传热、传质20(2)湍流剪应力湍流：e—湍流粘度e~湍动程度(Re)，…层流：质点交换层间仅分子交换第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态湍流剪应力，借用形式：剪应力>>层间分子交换>>?剪力剪力21(3)湍流时区域划分脉动振幅：近壁，振幅较小离壁很近处，流体保持层流特征层流内层远壁处，流体保持湍流特征湍流主体两者之间，过渡区域，e

较小说明层流内层很薄Re，厚度

层流内层——传递的主要阻力所在(e0)(e、

相当)(e>>

)第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态湍流主体过渡区域层流内层不激烈的脉动、湍动221.3.3圆管内流体流动的数学描述

1剪应力(径向)分布适用于层流和湍流管中心r=0，

=0；管壁处(r=R)

最大——

~r(线性)规律第1章流体流动－流体流动的内部结构－管内流体流动数学描述一段流体柱，均速运动，受力平衡压力(F1,F2)重力(G)剪力(

)流向定义管截面上的剪应力分布23将代入

~r式2层流时的速度分布、平均流速和平均动能r=0

(管中心)处平均动能第1章流体流动－流体流动的内部结构－管内流体流动数学描述积分(r=R,=0)∵A=

r2∴dA=2rdr上下限：0~A0~R定义

——~r按抛物线分布平均流速平均速度J/kg243湍流时的速度分布、平均流速和平均动能湍流的复杂性→实验→(半)经验方程n值~Re，在1/6~1/10之间

第1章流体流动－流体流动的内部结构－管内流体流动数学描述n=1/7时（层流时，0.5）（层流时，2）分布比层流更均匀，更多的

：近壁处很大，管中心附近很小层流湍流251.3.4流体流动边界层第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动边界层1边界层理论的基本思想统一的流场两个区域：制约因素、流动特性不同

使用不同的模型边界层、

外流区——Prandtl，19042边界层的形成与发展平板均匀的来流速度u

流体层相继减速存在尚未受影响的区域—外流区流速明显受影响的区域—边界层黏性流体理想流体贴壁层0.99u

的层——界线

边界层厚度两个学派：水动力学派(理论研究理想流体)、水力学派(实验研究黏性流体)——受壁面的影响(越远，越小)y26流场=壁附近的边界层+远壁处的外流区黏性流体理想流体

新层不断加入

厚度

—边界层的发展

剪力(黏性力)

层流边界层、湍流边界层第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动边界层边界层的发展层流

湍流层流边界层湍流边界层u=0~0.99u

.du/dy很大.u=0.99u

~u

.du/dy

0.

0边界层内平均du/dy

.

质点脉动

—边界层的发展273圆管进口段流动

边界层管口附近形成边界层环圆形发展

↑外流区收缩，汇于管中心—流动充分发展此时，层流边界层→此后层流

此时，湍流边界层→此后湍流进口段长(

=R)第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动边界层边界层外流区外流区28第1章流体流动－守恒方程管内流体流动守恒方程1.4.1质量守恒方程1.4.2机械能衡算式1.4.3相关讨论1.4.4静力学方程1.4.5应用举例291.4.1质量守恒方程取时间基准取截面流入－流出=变化量单位时间(每s或每h)：定态流动=011’22’推广

不可压缩、等温说明

流体充满管道、无分支第1章流体流动－守恒方程－质量守恒方程(均匀段)定态流动不减速圆形管

控制体

~连续介质假设；301.4.2机械能衡算式1流体的机械能

形式mkg(J)1kg(J/kg)位能动能静压能机械能总势能

J/kg功

机械能变化第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式机械能损失←层间剪力……

热总势能＝位能+静压能

质量：m；体积：m/ρ

截面积：A1；长度：l=m/(ρA1)压强：p1；压力：p1A1功＝力*长度＝mp1/

11’l22’——静压能312沿轨线和沿流线的伯努利方程第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式中心点A(x,y,z)长方体(

x,y,z)；、压强p；左侧面压力x方向受力分析：右侧面压力质量第二定律拉格朗日法，考察流体微元yx

x

y

zz不可压缩、理想流体、等温流动同除以质量

32同理，y向：z向：重力

第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式每千克流体在x,y,z

方向上受到的净压力

dx

dy

dy

++

…33全微分，dp沿轨线积分(沿轨线，流体微元的机械能守恒)J/kg定态流动，轨线与流线重合第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式——沿流线，机械能守恒——沿轨线的伯努利方程——沿流线的伯努利方程343定态管流的伯努利方程均匀管段某截面上的微元均速，受力平衡理想流体—同截面各点1、2两截面同流线各点管流股里各点：………………

各截面：………………相同第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式——通过截面时带入(出)11’22’截面平均或中心在管截面上积分

J/kg354黏性流体的机械能衡算式欧拉法：控制体管壁+截面1、2J/kg层流：

=2；湍流：

=1.06(n=1/7)11’22’+

机械能损失+

外加机械能第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式——1kg流体为基准输入＝输出(机械能)1＝(机械能)2取＝1①工程中湍流居多；②动能项值很小

361.4.3机械能衡算式的讨论(1)衡算式的三种形式（J/m3

或Pa）（J/N或m）位压头动压头静压头外加压头压头损失第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式的讨论

g（J/kg）37(2)两个基准位高基准

z1,z2压强基准

p1,p2同一同一(3)(理想)流体的机械能守恒与转换2

4：静压能→位能2

3

：动能→静压能理想流体，机械能守恒位能动能；位能静压能u相同，z高(低)

p低(高)，位能静压能z相同，u高(低)

p低(高)，动能静压能p相同，z高(低)

u低(高)，位能动能……——恒等式h3>h2，h4<h2，1→2：第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式的讨论1234038E1+(We)>E2—上游(1)比下游(2)多出的E消耗于“Wf”——输送设备的作用(流向判据)：—流动条件

经常u1=u2=0(4)流动条件和流向判据(5)有效功率1s,1h？有效功率J/s(W)衡算式：1kg、1m3或1N

We(J/kg)，提升上游E低的流体的E—由低E(Δ)流向高E(Δ)

做功第1章流体流动－守恒方程－机械能衡算式的讨论由高E(Δ)到低E(Δ)391.4.4流体静力学方程流体静止时，Wf=0，

第1章流体流动－守恒方程－流体静力学方程流体静力学方程（1）方程的建立机械能衡式的特殊形式适用于管道、容器、环境中的静止流体，z2z1We=0单一、连续、不可压缩——F流体40说明

等压面——在F流体内，同一水平面上各处压强相等

压强传递——多种不互溶液体共存时，压强逐层传递

方程的物理含义：p~z关系机械能的守恒(总势能处处相等)pah1h2p1p2第1章流体流动－守恒方程－静力学方程z2z1

气体容器内hAB，压强处处近似相等z2z1气体、转换

41

i>

AB(2)U形压差计第1章流体流动－守恒方程－静力学方程

管道中压差的测量

容器中液位的测量22’11’RU形压差计的测量原理引压管C——总势能差,J/m3总势能差造成了R等压面42ABpaU形管的另两种用法第1章流体流动－守恒方程－静力学方程ABpap2=pa1的表压

z2－z1——液位测量431.4.5应用举例第1章流体流动－守恒方程－应用举例例题1-1

某鼓风机吸入管内径为200mm，在该段管上某处测得U形压差计读数R=25mm，指示剂为水。若不计机械能损失，试求管内空气的流量。空气的密度为1.2kg/m3

解：11’22’取截面1-1’和2-2’u1=0，30z1=z2pap1=pa=0(表压)，3~2：44第1章流体流动－守恒方程－应用举例例题1-2

附图所示为马利奥特容器。瓶口密封，但中央有细管将外界大气与瓶内水体相通。液体由瓶下部小孔流出时，水面上方形成负压，外界空气自细管吸入。试以图示尺寸计算瓶内液面下降0.5m所需时间。小孔直径为10mm，孔流系数为0.62。11’22’解：液面下降，E1保持不变，1-1’

小孔外：定态流动取截面1-1’和2-2’(缩脉)p1=p2=pa,u1

0忽略机械能损失

细管下端口通大气1-1’截面：p1=pa,不变时间=放水量/水流量45C0C0—孔流系数第1章流体流动－守恒方程－应用举例流量qV＝u2*A2A2与A0差别1-1~小孔，衡算式

u0(小孔)？机械能损失11’22’小孔处压强p0?qV＝u0*A0

00’46第1章流体流动－守恒方程－应用举例例题1-3

如附图所示，水由水位恒定的高位槽经管道从喷嘴流入大气，水槽中水位恒定。已知d1=125mm，d2=100mm，喷嘴内径d3=75mm，U形压差计的读数R=80mmHg。若忽略水在管路中的流动机械能损失，求水槽的高度H及喷嘴前压力表读数。解：取截面1-1’~2-2’质量守恒11’22’R压力表喷嘴H00’33’47第1章流体流动－守恒方程－应用举例取截面：液面(0-0’)~喷嘴出口内侧(3-3’)p0=0(表压)z0-z3=Hu0

0取截面：4-4’~3-3’z4=z3p3=0(表压）u4=u2=5.78m/sd233’44’喷嘴R压力表喷嘴H00’33’=p348Rhp1p2AB例题1-4

如附图所示，采用一个U形管测量容器内的液位。右支管的顶端接一个扩大室，其直径远大于U形管的直径，扩大室顶端与容器内液面上方空间相通。扩大室中装入一定量的被测液体，使液位处在扩大室内。由R求h。解法一：

i11’2’2pA=pBpB=p2+g(z2－zB)pA=p1+

g(z1－zC)+

igRC(z2－zB)－R－hp1=p2解法二：(p2+gz2)－(p1+gz1)＝(

i－

)gRz2-z1=h第1章流体流动－守恒方程－应用举例49第1章流体流动－管内流动阻力机械能损失(Wf)——流动阻力直管管件与阀门产生的原因不同，分别考虑

直管阻力

局部阻力J/kg管路5051第1章流体流动－管内流动阻力管内流体流动的阻力1.5.1直管阻力计算通式1.5.2直管内层流流动阻力1.5.3直管内湍流流动阻力1.5.4局部阻力521.5.1直管阻力计算通式与管等径流体柱,均匀段，1-2

（J/m3，Pa）（J/kg）（J/N，m）第1章流体流动－管内流动阻力－Fanning公式—范宁公式半径为r的流体柱：,摩擦系数11’22’ldr=d/2,

W＝

总势能差流动阻力53说明

层、湍流均适用

Wf与管子的摆放方式、角度无关—压降是机械能损失的外在表现第1章流体流动－管内流动阻力－Fanning公式(u,d,l,…)Wf

均匀段：&水平：

~粘性力/惯性力Re~惯性力/粘性力Re

,

541.5.2直管内层流流动阻力圆管内，层流，管中心—泊谡叶方程第1章流体流动－管内流动阻力－层流阻力pf

层流阻力u

55

例1-5

某种不溶于水的气体以一定流量流过一个流量测量装置。AB段管内径为10mm，其上有一锐孔，总长18m（包括锐孔的局部阻力当量长度）。假定通过此装置时气体密度不变，问当H＝30mm时AB段内流速为多少？(已知气体密度为1.28kg/m3、黏度为2.2

10-5Pa

s)第1章流体流动－管内流动阻力－层流阻力气体H水AB原理：气体，AB阻力(

pf~u)=总势能差

AB

H＝

ABm/s解：假设层流校核以上计算有效<2000，层流锐孔561.5.3直管内湍流流动阻力复杂

实验1工程问题的实验研究（1）析因实验

主要影响因素①流体性质

、

；②流道几何尺寸l、d、

；③流速u。（2）量纲分析以数群为变量，实验次数减少把多个单变量

数群，第1章流体流动－管内流动阻力－湍流阻力

经验方程绝对粗糙度单变量关系

数群关系，：量纲一致性原则

量纲为1的数群

经验公式57

量纲分析的结果：（3）实验（4）数据拟合第1章流体流动－管内流动阻力－管内湍流阻力以数群为变量进行实验！雷诺数长径比欧拉数相对粗糙度说明

数群数(4)=单个物理量的个数(7)－基本量纲数(3)—

定理

量纲分析

变量数减少

实验工作量大大减少

关联式有可推广性、方便地改变变量值

数群为变量以数群为变量处理数据

关联式的适用范围——实验涉及的数群值的范围L,T,M

数群关联式(中的参数)58第1章流体流动－管内流动阻力－管内湍流阻力(1)经验关联式2

管内湍流的摩擦系数实验、处理数据

的关联式、关联图

①Colebrook②Blasius光滑管获得

，用于范宁公式，5103<Re<10559(2)摩擦系数图双对数坐标，

~Re，

/d—参数

湍流区；①Rek

(-1≤k≤0)k=-1(=64/Re)(k=0)第1章流体流动－管内流动阻力－管内湍流阻力

层流区；

过渡区；

完全湍流区—阻力平方区

pf

u2湍流时，

/d

，

②

/d对

的影响:层流时，

与

/d无关(-1<k<0)层流时湍流时603非圆形直管内的流动阻力第1章流体流动－管内流动阻力－湍流阻力矩形ab粗、细管环隙Dd管束

壳：壳程dD按圆管处理：当量直径范宁公式u=qV/A实际

湍流时较可靠，层流时误差较大。

l/d,Rede

61例1-6

如图所示，套管式换热器由两根内外同轴的新无缝钢管组成。内管直径为

114

3mm，外管直径为

157

3.5mm。平均温度为30℃的空气以600