化工原理第一章第一節概述第一頁，共三十一頁，2022年，8月28日流動現象：①日常生活中第二頁，共三十一頁，2022年，8月28日②工業生產過程中煤氣煤氣水孔板流量計泵水封填料塔水池煤氣洗滌塔第三頁，共三十一頁，2022年，8月28日第四頁，共三十一頁，2022年，8月28日第五頁，共三十一頁，2022年，8月28日引言（2）流體的流動對傳熱、傳質及反應過程有著重要影響化工設備中的傳熱，傳質以及反應過程大多是在流動的條件下進行的一、在所有化工單元操作中為什么首先討論“流體流動”？流體流動的規律是化工原理的重要基礎！（1）

化學工業中涉及各種流體的輸送研究流體的流動規律可進行管路的設計，輸送機械的選擇及功率的計算。（3）流體的混合第六頁，共三十一頁，2022年，8月28日(5)流量和流速的測量(畢托管，孔板流量計，轉子流量計)二、“流體流動”主要研究內容（1）流體靜力學（2）流體流動中的守恒原理(3)流體流動的型態及阻力計算(4)管路計算

動量守恒－機械能損失數據缺少時的計算能量守恒－柏努利方程－能量衡算質量守恒－連續性方程－物料衡算介紹流體靜力學原理及工程應用第七頁，共三十一頁，2022年，8月28日

第一節概述一、流體流動的考察方法

a、由大量的彼此之間有一定間隙單個分子組成，而且單個分子做隨機的、混亂的運動。如果以單個分子為考察對象，流體將是一種不連續的介質，所處理的運動是一種隨機運動。如果研究單個分子的微觀運動，則問題復雜，無法用連續函數的數學工具加以描述。2、流體的特征：1、流體是所有氣體和液體的總稱。b、具有流動性，即抗剪抗張能力都很小；無固定形狀，隨容器形狀而變化；c、受外力作用時，內部產生相對運動（與固體運動的主要區別）。第八頁，共三十一頁，2022年，8月28日流體質點：指含有大量分子的流體微團其尺寸遠小于設備尺寸，遠大于分子自由程3、連續性假定連續性假定：●可以使用連續函數的數學工具加以描述●假定流體是由大量質點（微團）所組成●可看作彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續介質●物理性質和運動參數在空間作連續分布第九頁，共三十一頁，2022年，8月28日但流體質點模型的使用是有條件的。當特性長度與平均自由程之比大于103-4時，就可以使用流體質點模型，否則流體質點模型就不適用。如1mm3常溫常壓氣體含2.51015個分子，分子平均自由程為0.1m數量級，此時不能使用流體質點模型。在100km的高空，壓力約為0.133Pa，空氣中氧氣和氮氣分子的平均自由程約為1m，這時仍可使用流體質點模型，但在直徑為1m的容器內，如壓力也為0.133Pa，則不能使用流體質點模型。所以，在絕大多數情況下流體的連續性假設是成立的，只是高真空稀薄氣體的情況下連續性假定不成立。第十頁，共三十一頁，2022年，8月28日（1）拉格朗日法選定一個流體質點，跟蹤觀察，描述運動參數與時間的關系。同對固體的質點運動的描述：X=?1(t)（如：觀看球賽）4、運動的描述方法（2）歐拉法在固定位置上觀察流體質點的運動情況，描述運動參數在指定空間和時間的變化ux=?x(x,y,z,t)uy=?y(x,y,z,t)x,y,z為位置坐標，t為時間uz=?z(x,y,z,t)（如：交通流量測量點）第十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日拉格朗日法描述的是同一質點在不同時刻的狀態。系統：包含眾多流體質點的集合。系統與外界有力的作用與能量的交換，但沒有質量交換。系統的邊界的形狀和大小隨著時間而變化。（3）二法比較和選擇歐拉法描述的是空間各點的狀態及其與時間的關系。控制體：當劃定一固定的空間體積來考察問題，該空間稱為控制體。流體可以進出控制體，控制體與外界也可以有力的作用和能量的交換。（是本課程常用的考察方法）第十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日定態流動指運動空間各點的狀態不隨時間而變化的流動

即：()=0()=0()=05、定態流動與非定態流動則ux=?x(x,y,z)uy=?y(x,y,z)uz=?z(x,y,z)表明流動的速度只隨空間位置而變，而與時間無關。如：河水在河床中流動；工業生產流水線中的工種第十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日第十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日（2）流線：同一瞬時不同質點的速度方向，流線上各點的切線表示該點的速度方向。這是采用歐拉法考察的結果

abca,b,c為同一瞬時各質點，箭頭為運動方向

6、流線與軌線（1）軌線：同一流體質點不同時刻所占空間位置的連線即質點運動軌跡。這是采用拉格朗日法考察流體運動的結果第十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日②在定態流動過程中，流線和軌線重合（各位置上流體的速度不隨時間而變化）

（3）流線與軌線的比較①軌線描述的是同一質點在不同時間的位置

流線表示的則是同一瞬間不同質點的速度方向第十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日二、流體流動中的作用力

1、體積力：作用于流體每一個質點上的力體積力正比例于質量，又稱為質量力在重力場中體積力即重力，在離心場中為離心力2、表面力：作用于所研究流體體積表面上的力表面力正比例于表面積（1）

壓力：垂直于流體表面的力

壓強

p：單位面積上所受的壓力（2）剪力（切力）：平行于表面的力

剪應力τ：單位面積上所受的剪力

壓力剪力第十七頁，共三十一頁，2022年，8月28日牛頓粘性定律τ右>τ左－粘性系數（粘度）N?s/m2或pa·s－法向速度梯度1/suFAyxF:內摩擦力粘性流體運動時內部的剪切力

速度梯度剪應力：單位面積上的內摩擦力是動量傳遞的基本方程式剪應力的大小實際上代表了動量傳遞的速率。第十八頁，共三十一頁，2022年，8月28日3、液體所受剪應力與固體所受剪應力的區別：固體：液體：(1)與固體表面的摩擦力不同，內摩擦力與法向壓力無關。(2)固體的剪應力正比于剪切變形（角變形）dθ，而流體的剪應力正比于剪切變形的速率，這里的速度梯度就是變形的速率dθ/dt。靜止的流體不能承受剪應力(哪怕是非常微小的剪應力)和剪切變形。固體可以承受很大的剪應力和抵抗剪切變形。

第十九頁，共三十一頁，2022年，8月28日(3)剪應力的大小代表了動量傳遞的速率。單位時間，單位面積上所傳遞的動量。動量梯度產生動量傳遞。運動粘度，單位:μ-動力粘度，單位：Pa?s牛頓黏性定律的另一種表達法。第二十頁，共三十一頁，2022年，8月28日（4）、流體中的動量傳遞的進一步說明實際流體變形需要一定的力。這個力體現為流體內部的剪切力，其大小與流體的密度及粘度等性質有關。這一現象可以用分子運動學說來解釋：

yττu(b)

流體的動量傳遞(a)u22211λu1第二十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日由分子運動學說可見，剪應力的產生，是由于不同流體層的分子具有不同速度，或即不同的動量所致。全面討論：——單位體積流體所具有的動量；——比例系數，稱為動量擴散系數，關于正負號的說明：對剪應力：“+”表示剪應力的方向和流向一致；“-”表示剪應力的方向和流向相反。——是在方向上的變化率，稱為動量梯度；——動量傳遞速率，即單位時間單位面積的動量第二十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日對動量傳遞：取“-”，表示動量傳遞的方向和動量梯度的方向相反。由圖可見，動量傳遞的方向和剪應力的方向互相垂直。用動量傳遞推導粘度的數值動量擴散系數等于分子平均速度和分子平均自由程的乘積的由氣體分子運動學說,可以估計分子的平均速度和分子平均自由程的值,從而估計出粘度的數值,它在數量級上是正確的，說明這一理論的正確性。第二十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日4、粘度

①流體的一種物理特性,是流體粘性的度量。粘性的本質是分子間的引力與分子間的運動和碰撞，是分子微觀運動的宏觀表現。服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規律。氣體粘度＜＜液體粘度T↑氣體粘度↑（分子引力減小，運動加劇，運動力是主要的）T↑液體粘度↓（分子引力減小是主要的，運動力是次要的）其大小因流體而異，只與溫度有關，與速度梯度無關。壓力對液體粘度影響很小，可以忽略不計；氣體粘度在壓力不是極高或極低的條件下，可以認為與壓力無關。第二十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日②粘度單位物理制(厘米·克·秒制)泊(達因·秒/厘米2)1厘泊=(1/100)泊國際制(SI)N·s/m2帕斯卡··秒（寫作Pa·s）單位制換算1厘泊=(1/100)泊=(1/1000)N·s/m2=1/1000Pa·s1CP=1/100P=1/1000pa·s運動黏度第二十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日③非牛頓型流體

凡是剪應力與速度梯度不符合牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓型流體，如膠體溶液、泥漿、乳濁液、長鏈聚合物溶液、涂料及混凝土等。非牛頓型流體的剪應力與速度梯度成曲線關系，或者成不過原點的直線關系，如圖所示。

第二十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日5、管截面的速度分布：

剪應力及流體的粘度是有限值，故速度梯度也只能是有限值，相鄰流體層的速度只能連續變化。粘度不為零管壁速度為零管中心速度最大粘度為零（理想流體）速度分布均勻第二十七頁，共三十一頁，2022年，8月28日三、流體流動中的機械能位能動能壓強能機械能內能流體能量1、內能內能是貯存于液體內部的能量，是由于原子與分子的運動及其相互作用存在的能量。因此液體的內能與其狀態有關。內能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。單位質量流體所具有的內能U＝f（t），J/Kg第二十八頁，共三十一頁，2022年，8月28日2、位能在重力場中，液體高于某基準面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準面高度為z時的位能相當于流體從基準面提升高度為z時重力對液體所作的功。單位質量流體所具有的位能gz

3、動能液體因運動而具有的能量，稱為動能。單位質量流體所具有的動能第二十九頁，共三十一頁，2022年，8月28日4、壓強能流體自低壓向高壓