化工原第一章(hg)120216

流體流動的基本概念與流體中的傳遞現(xiàn)象第一章

在航空、航天、航海，石油、化工、能源、環(huán)境、材料、醫(yī)學和生命科學等領域，尤其是化工、石油、制藥、生物、食品、輕工、材料等許多生產領域以及環(huán)境保護和市政工程等，涉及的對象多為流體。特征“流程工業(yè)”在流動之中對流體進行化學或物理加工加工流體的機器與設備過程裝備

流體（Fluid）與流體流動（Flow）1.1流體的物理性質物質的三種常規(guī)聚集狀態(tài)：固體、液體和氣體；流體:氣態(tài)和液態(tài)物質合稱為流體（包括超臨界流體、等離子體等特殊流體）固體、液體和氣體流體的基本特征是具有流動性

從微觀來看分子之間有空隙流體的物理量(如密度、壓強和速度等)在空分布不連續(xù)。分子的隨機運動所以在空間任一點上，流體的物理量在時間上的變化也是不連續(xù)的。在工程技術領域，關心的是流體的宏觀特性，即大量分子的統(tǒng)計平均值，為此引入連續(xù)介質模型。連續(xù)介質假定(Continuumhypotheses)（1）V0：流體質點或微團。尺度遠小于液體所在空間的特征尺度，而又遠大于分子平均自由程單位體積平均質量連續(xù)介質假定(Continuumhypotheses)(2)注意：該假定對絕大多數(shù)流體都適用。但當流動體系的特征尺度與分子平均自由程相當時，例如高真空稀薄氣體的流動，連續(xù)介質假定受到限制。流體的密度:根據(jù)連續(xù)介質假定,任意空間點上流體的物理量都是指位于該點上的流體質點的物理量。流體的密度可以定義為:

由于很小,因此上式又可寫成:氣體密度：氣體密度：一般可當成理想氣體處理:混合氣體密度:混合氣體的平均分子量；A組分的分子量；A組分的摩爾分率；B組分的分子量；B組分的摩爾分率。(質量守恒)A組分的分容；B組分的分容。液體的密度:流體的密度:根據(jù)連續(xù)介質假定,任意空間點上流體的物理量都是指位于該點上的流體質點的物理量。流體的密度可以定義為:

由于很小,因此上式又可寫成:氣體密度：混合液體的密度:設定混合液體的體積=分體積之和,即:液體的密度:為A組分的質量分率,為B組分的質量分率,則有：牛頓粘性定律(P7):1.1.3流體的黏度流體在運動時,任意相鄰兩層流體有相互抵抗力,這種相互抵抗的作用力稱為剪切力,流體所具有的這種抵抗兩層流體相對滑動速度的性質稱為流體的粘性。

粘性是流體固有的物理性質。牛頓粘性定律:uu=0dudyyxF面積A固定板牛頓粘性定律:牛頓粘性定律凡遵循牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體(如水、空氣等),否則為非牛頓型流體。牛頓粘性定律(P7):1.1.3流體的黏度流體的粘度流體的粘度流體的粘度粘度是流體的重要物理性質之一,它是流體組成和狀態(tài)(壓力、溫度)的函數(shù)。一般而言:氣體:液體:流體的粘度的單位:SI制

工程制的單位:泊(P);厘泊(cP或mPa.s)關糸:單位:SI制運動粘度:牛頓粘性定律(P7):1.1.3流體的黏度流體的粘度混合物粘度的估算:常壓氣體混合物粘度,可采用右式計算非締合的液體混合物的粘度可用下式計算式中:m氣體混合物的粘度yi氣體混合物組分的摩爾分數(shù)

i同溫度下純組分的粘度

Mi純組分的摩爾質量式中:m液體混合物的粘度xi液體混合物組分的摩爾分數(shù)混合物粘度的估算:理想流體與粘性流體具有粘性的流體統(tǒng)稱為粘性流體或實際流體的流體稱為理想流體牛頓粘性定律(P7):1.1.3流體的黏度流體的粘度混合物粘度的估算:非牛頓流體（Non-Newtonianfluid）P144牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體非牛頓流體（Non-Newtonianfluid）P146高分子熔體和溶液、表面活性劑溶液、石油、食品以及含微細顆粒較多的懸浮體、分散體、乳濁液等流體在層流時并不服從牛頓粘性定律，統(tǒng)稱為非牛頓流體。非牛頓流體的粘度不再為一常數(shù)而與dux/dy有關賓漢塑性流體或塑性流體（Binghamplastics）y——屈服應力（thresholdshearstress）K——賓漢粘度n—流變指數(shù)（flowbehaviorindex）K—稠度系數(shù)（flowconsistencyindex）a——表觀粘度冪律（powerlaw）流體n<1——假塑性流體（Pseudoplastic

fluid）n=1——牛頓流體（Newtonianfluid）n>1——漲塑性流體（Dilatantfluid）P1４6非牛頓流體（Non-Newtonianfluid）非接觸力，大小與流體的質量成正比，例如：重力，離心力，電磁力等

接觸力，大小與和流體相接觸的物體（包括流體本身）的表面（或假想表面）積成正比，例如：壓強和應力

處于重力場中的流體，無論運動與否都受到力的作用。連續(xù)介質的受力服從牛頓定律。重力場——重力加速度離心力場——離心加速度

流體的受力場力或體積力（質量力）表面力壓強(工程上習慣將壓強稱為壓力)壓力單位:SI制:N/m2或Pa；壓力的單位:kPa1kPa=1000Pa工程制:標準大氣壓(atm)、工程壓力(kgf/cm2)、某流體柱高度等。1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa1at=1kgf/cm2=9.807×104Pa

壓強(工程上習慣將壓強稱為壓力)壓力單位:真空度與表壓真空度與表壓當被測流體的壓力(或絕對壓力)小于大氣壓時:當被測流體的壓力(或絕對壓力)大于大氣壓時:表上讀數(shù)=大氣壓－絕對壓力表上讀數(shù)=絕對壓力－大氣壓真空度表壓真空表壓力表壓力表與真空表p1p2真空度絕壓表壓絕壓大氣壓絕對零壓壓強壓強的基準和度量壓強(工程上習慣將壓強稱為壓力)壓力單位:真空度與表壓注意:大氣壓與海拔高度有關注意:大氣壓與海拔高度有關例:有一設備要求絕壓為20mmHg,成都、拉薩的大氣壓分別為720mmHg、459.4mmHg,問真空度各為多少Pa?20mmHg成都的真空度=720－20=700mmHg=700×101325/760=93326Pa解:拉薩的真空度=459.4－20=439.4mmHg=439.4×101325/760=58581Pa1mmHg=133.32Pa壓強(工程上習慣將壓強稱為壓力)壓力單位:真空度與表壓注意:大氣壓與海拔高度有關表面張力：存在于不同流體的相鄰界面，使流體表面具有收縮的趨勢。表面張力的大小用表面張力系數(shù)s來表示，其單位為N/m。其大小對于流體的分散和多相流動與傳熱傳質有重要影響剪應力：與剪切形變相對應的應力，方向與作用面相平行。1.2.3流體靜力學基本方程(Basicequationsoffluidstatics)

P100

y

x

z

zyx根據(jù)力的平衡,在z方向:即

同理可得：

對于不可壓縮流體(=常數(shù))

,即有

或z

o

單位體積流體的總勢能守恒單位質量流體的總勢能守恒單位體積流體的位能單位體積流體的壓能單位質量流體的總勢能單位質量流體壓能單位質量流體的位能單位體積流體的總勢能單位J/m3又叫虛擬壓強單位Pa物意：即單位體積流體勢能守恒或單位質量流體總勢能守恒

(2.3-32)1.

重力場中靜止流體總勢能不變，靜壓強僅隨垂直位置而變，與水平位置無關，壓強相等的水平面稱為等壓面；2.靜止液體內任意點處的壓強與該點距液面的距離呈線性關系，也正比于液面上方的壓強；3.液面上方的壓強大小相等地傳遍整個液體。流體靜力學基本方程，表達了如下的流體靜力學原理：流體靜力學基本方程為：（重力場,不可壓縮流體、密度為常數(shù)）應用上注意幾點：1.公式的適用條件(1)

重力場;(2)

討論的兩個點或兩個面是靜力學連通的;(3)

連通的流體是均勻的()2.

液柱壓力3.

上下壓力應用要點:1.等壓面;.(靜止的、連通的、均勻的、同一水平面壓力相等)2.上下壓力討論:pA與pB之關糸?(4)(3)AB(1)水A(2)油BpA與pB之關糸?pC與pD之關糸?ABCD流體靜力學基本方程的應用1.液柱壓差計（Manometers)普通

U型管壓差計（Simplemanometer）倒置

U型管壓差計（Up-sidedownmanometer）傾斜

U型管壓差計（Inclinedmanometer）雙液體

U型管壓差計（Two-liquidmanometer）液柱壓差計（Manometers)P12(a)(c)(b)(d)U型管內位于同一水平面上的a、b兩點在相連通的同一靜止流體內，兩點處靜壓強相等由指示液高度差R計算壓差,若被測流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，計算式為:普通U型管壓差計（Simplemanometer）p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

用于測量液體的壓差，指示劑密度0

小于被測液體密度，U型管內位于同一水平面上的a、b兩點在相連通的同一靜止流體內，兩點處靜壓強相等由指示液高度差R計算壓差若>>0倒置U型管壓差計（Up-sidedownmanometer)采用傾斜U型管可在測量較小的壓差

Dp

時，得到較大的讀數(shù)R1值。壓差計算式傾斜U型管壓差計（Inclinedmanometer）微差壓計，支管頂端有一個擴大室。擴大室內徑一般大于U型管內徑的10倍。壓差計內裝有密度分別為r01和r02的兩種指示劑。有微壓差Dp

存在時，盡管兩擴大室液面高差很小以致可忽略不計，但U型管內卻可得到一個較大的R

讀數(shù)。

對一定的壓差Dp，R值的大小與所用的指示劑密度有關，密度差越小，R值就越大，讀數(shù)精度也越高。雙液體U型管壓差計（Two-liquidmanometer）？AAB當被測管段不是水平而是傾斜時,公式的推導

如右圖所示,A、B面為等壓面,即當z1=z2時,則有流體靜力學基本方程的應用1.液柱壓差計（Manometers)2.液封問題要求乙炔發(fā)生器

里的表壓不超過80mmHg，問管伸入水中深度最大為多少?要使乙炔發(fā)生器里的表壓不超過80mmHg,管伸入.水中的深度解:即解得流體靜力學應用之二液封問題流體靜力學基本方程的應用1.液柱壓差計（Manometers)2.液封問題3.遠距離測量液位流體靜力學應用之三遠距離測量液位由上得:解:如圖所示密閉室內裝有測定室內氣壓的U型壓差計和監(jiān)測水位高度的壓強表。指示劑為水銀的U型壓差計讀數(shù)R為40mm，壓強表讀數(shù)p為32.5kPa。試求：水位高度h。

解：根據(jù)流體靜力學基本原理，若室外大氣壓為pa，則室內氣壓po為

(pA=pB;pA=pa;pB=p0+R0g)AB【例1-2】P13用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。水和空氣的密度分別為r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下測得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。試計算A、B兩點的壓差?！纠?-3】P14解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據(jù)流體靜力學原理，各點流體壓強為【例2-3】用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。水和空氣的密度分別為r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下測得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。試計算A、B兩點的壓差?！纠?-3】解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據(jù)流體靜力學原理，各點流體壓強為例1.3用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。水和空氣的密度分別為r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下測得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。試計算A、B兩點的壓差。【例1-3】14解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據(jù)流體靜力學原理，各點流體壓強為【例2-3】用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。水和空氣的密度分別為r=1000kg/m3和r0=1.2kg/m3。在某一流量下測得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。試計算A、B兩點的壓差?！纠?-3】P33-34解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據(jù)流體靜力學原理，各點流體壓強為例1-3忽略空氣柱的重量，p1p2，p3p4，有單組分與多組分（singleandmulticomponent）

多相流體系：單相流與多相流（singleandmultiphase）單相流體系：三維、二維與一維體系:非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)（Steadyandunsteady）T=f(x,y,z)穩(wěn)態(tài)T=f(x,y,z,t)非穩(wěn)態(tài)

u=f(x,y,z)穩(wěn)態(tài)u=f(x,y,z,t)非穩(wěn)態(tài)

1.3流體流動的基本概念(P14)流體的流量與流速

流量:單位時間內流經某截面流體的數(shù)量。體積流量(volumeflowrate):qV,m3/s;m3/h;質量流量(massflowrate):qm,kg/s;kg/h;流速:流體流動的距離/時間;質量流速:w;kg/(s.m2)點速度u;平均速度;m/s之間關糸:例:輸送水qV=32m3/h;求管規(guī)格解:查P131;表3.3d=0.0793m=79.3mm查附錄(管規(guī)格)P435選公稱口徑80mm外徑88.5mm內徑=88.5-2×4=80.5mm即d=80.5mm

雷諾實驗雷諾實驗流體流動依不同的流動條件有兩種不同的流動型態(tài),層流與湍流。層流（LaminarFlow）與湍流（TurbulentFlow）P16湍流：流體質點沿管軸線方向流動的同時還有任意方向上的湍動，因此空間任意點上的速度都是不穩(wěn)定的，大小和方向不斷改變。層流：流體質點很有秩序地分層順著軸線平行流動，不產生流體質點的宏觀混合。xy湍流的基本特征時均速度與脈動速度湍流的特點tt湍流時的瞬時速度:物理意義：慣性力與粘性力之比

雷諾準數(shù)Reynoldsnumber除流速u外，和，管徑d也都影響流動型態(tài)。流型判別的依據(jù)——雷諾準數(shù)（Reynoldsnumber）Re<2000穩(wěn)定的層流區(qū)2000<Re<4000由層流向湍流過渡區(qū)Re>4000湍流區(qū)

流體在管內流動時：物理意義：慣性力/粘性力雷諾準數(shù)Reynoldsnumber流型判別的依據(jù)——雷諾準數(shù)（Reynoldsnumber）例1.4P19求雷諾數(shù)Re1.d=0.1m,=1000kg/m3,u=1m/s,=1cp2.d=0.1m,u=1m/s,=10-6m2/s3.d=0.1m,qm=(10/4)kg/s,=1cp流動邊界層（BoundaryLayer）流動邊界層流體流動受固體壁面影響（能感受到固體壁面存在）的區(qū)域稱為流動邊界層層流邊界層湍流邊界層層流內層邊界層界限u0u0u0xy流體沿平壁流動時的邊界層發(fā)展內摩擦：一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內摩擦影響而產生速度梯度的區(qū)域（d）u=0.99u0流動邊界層（BoundaryLayer）層流邊界層湍流邊界層層流內層邊界層界限u0u0u0xy流體沿平壁流動時的邊界層發(fā)展邊界層發(fā)展：邊界層厚度d隨流動距離增加而增加流動充分發(fā)展：邊界層不再改變，管內流動狀態(tài)也維持不變進口段圓管入口處的流動邊界層發(fā)展層流邊界層：邊界層內的流動類型為層流湍流邊界層：邊界層內的流動類型為湍流層流內層：邊界層內近壁面處一薄層，無論邊界層內的流型為層流或湍流，其流動類型均為層流充分發(fā)展的管內流型屬層流還是湍流取決于匯合點處邊界層內的流動屬層流還是湍流倒流分離點u0

DAC’CBx2.邊界層分離AB順壓強梯度；B點以后逆壓強梯度邊界層分離的條件:1.逆壓強梯度2.外層動量來不及傳入熱力學第二定律指出，所有系統(tǒng)由非平衡態(tài)向平衡態(tài)轉化是熵增大的自發(fā)過程，例如：熱流從高溫處流向低溫處水流從高位處流向低位處電流由高電位流向低電位唯象方程（Phenomenologicalequation）［擴散通量］＝－［擴散系數(shù)］·［擴散推動力］

1.4流體中的擴散現(xiàn)象與擴散定律

Diffusionphenomenaanddiffusionlaws1.4流體中的擴散現(xiàn)象與擴散定律

Diffusionphenomenaanddiffusionlaws氣體在非平衡狀態(tài)下，由于分子之間的頻繁碰撞和相互攙和，從而使氣體逐漸向各部分物理性質均勻的平衡狀態(tài)過渡，在此過程中伴隨有某些物理量(例如氣體的定向運動的動量、熱運動能量和質員等)的遷移，這種現(xiàn)象稱為氣體內的擴散現(xiàn)象．氣體內的遷移現(xiàn)象有三種：(1)內摩擦現(xiàn)象；(2)熱傳導現(xiàn)象(3)擴散現(xiàn)象當時可改寫為:牛頓粘性定律為:各物理量的因次:動量通量動量濃度動量擴散糸數(shù)關于通量單組分氣體、一維、等溫層流流動體系中的動量擴散現(xiàn)象

層流流體中由速度梯度推動的擴散稱為分子動量擴散

動量速度梯度速度分布動量一維流動情況下可定為x

軸的正向。而動量擴散的方向，則由速度梯度決定、并且指向速度降低的方向。

yux,T,Aux(y),T(y),A(y)o動量擴散與牛頓粘性定律

宏觀上，分子數(shù)密度為n、分子量為Mr

的氣體的動量濃度(即單位體積流體具有的動量)為根據(jù)分子動理