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1、湖南科技学院生命科学与化学工程系湖南科技学院生命科学与化学工程系化学工程原理化学工程原理内容提要内容提要概述概述1.流体静力学流体静力学原理原理2.流体在管内流动的流体在管内流动的基本规律基本规律-流体动力学方程流体动力学方程3.流体的流动现象流体的流动现象4.流体流体流动阻力流动阻力5.管路计算管路计算6.流量测量流量测量*7.习题习题要求要求q掌握连续性方程和能量方程掌握连续性方程和能量方程q能进行管路的设计计算能进行管路的设计计算流体的特征流体的特征：具有流动性。即具有流动性。即q抗剪和抗张的能力很小；抗剪和抗张的能力很小；q无固定形状，随容器的形状而变化；无固定形状，随容器的形状而变化

2、；q在外力作用下其内部发生相对运动在外力作用下其内部发生相对运动。流体流体:在剪应力作用下能产生连续变形的物体称在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。如气体和液体。为流体。如气体和液体。0 概概 述述返回目录返回目录q流体的输送流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产根据生产要求，往往要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送流体输送的任的任务，实现生产的连续化务，实现生产的连续化。q压强、流速和流量的测量压强、流速和流量的测量：以便更好的掌握生产状况。以便更好的掌握生产状况。q为强化设备提供适宜的流动条件为强化

3、设备提供适宜的流动条件：除了流体输送外，除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态下进行的，以便降低传递阻力，减小设备尺寸。流体流动状态对这些单元操作有较大影响。对这些单元操作有较大影响。流体的研究意义流体的研究意义不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积如果不随压力及温度变流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。化，这种流体称为不可压缩流体。实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当

4、属于可压缩流体。但是，如果压压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。体处理。可压缩流体可压缩流体：流体的体积如果随压力及温度变化，流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。则称为可压缩流体。流体的压缩性流体的压缩性流体静力学流体静力学是研究流体处于相对静止状态下达到是研究流体处于相对静止状态下达到平衡的规律。平衡的规律。作用在流体上的力有质量力和表面力。作用在流体上的力有质量力和表面力。q质量力质量力：作用于流体每个质点上的力，与流体的质量成：作用于流体每个质点上的力，与流体的质量

5、成正比，如：重力和离心力。正比，如：重力和离心力。q表面力表面力：作用于流体质点表面的力，其大小与表面积成：作用于流体质点表面的力，其大小与表面积成正比，如：压力和剪力。正比，如：压力和剪力。1.1 流体的物理性质流体的物理性质返回目录返回目录单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为vm（1-11-1）式中式中 流体的密度，流体的密度，kg/m3；m 流体的质量，流体的质量，kg；v 流体的体积，流体的体积，m3。不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力不同的流体密度是不同的，对一定的流体，密度是压力p和和温度温度T的函数，可用下式表

6、示的函数，可用下式表示：f（p，T）1.1.1 流体的密度流体的密度 液体液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，但其随温度稍有改变。可忽略不计，但其随温度稍有改变。气体气体的密度随压力的密度随压力和温度的变化较大。当压力不太高、温度不太低时，气体和温度的变化较大。当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：的密度可近似地按理想气体状态方程式计算：RTpMVm式中式中 p 气体的压力，气体的压力，Pa；T 气体的绝对温度，气体的绝对温度，K；M 气体的分子量，气体的分子量，kg/mol；R 通用气体常数，通

7、用气体常数，8.314J/（molK）。(1-2)上式中的为上式中的为标准状态标准状态（即（即T T0 0=273K=273K及及P P0 0=1.0131.01310105 5PaPa）下气下气体的密度。体的密度。0 0M/0.0224 kg/mM/0.0224 kg/m3 3气体气体密度也可按下式计算密度也可按下式计算000 TppT(1-4)在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实在气体压力较高、温度较低时，气体的密度需要采用真实气体状态方程式计算。气体状态方程式计算。气体混合物气体混合物:当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，当气体混合物的温度、压力接近理想气体时，仍可用式

8、仍可用式(1-3)计算气体的密度。计算气体的密度。气体混合物的组成通常以体积分率表示。气体混合物的组成通常以体积分率表示。对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。对于理想气体，体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。Mm My1+M2y2+Mnyn (1-6)式中式中：M、M2、Mn 气体混合物各组分的分子量；气体混合物各组分的分子量；y1、y2、yn 气体混合物各组分的摩尔分率。气体混合物各组分的摩尔分率。液体混合物液体混合物:液体混合时，体积往往有所改变。若液体混合时，体积往往有所改变。若混合前后体积不变，则混合前后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独混合液的体积等于各组

9、分单独存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度存在时的体积之和，则可由下式求出混合液体的密度m。式中式中 1、2、，n 液体混合物中各组分的质量分率；液体混合物中各组分的质量分率；1、2、，n 液体混合物中各组分的密度，液体混合物中各组分的密度，kg/m3；m 液体混合物的平均密度，液体混合物的平均密度，kg/m3。nnmaaa221111mVv 单位质量流体的体积，称为流体的单位质量流体的体积，称为流体的比容比容，用符号，用符号v表示，表示，单位为单位为m3/kg，则则亦即流体的比容是密度的倒数。亦即流体的比容是密度的倒数。比容比容 v例例1-1 已知硫酸与水的密度分别为已知硫酸与水的

10、密度分别为1830kg/m3与与998kg/m3，试求含硫酸为试求含硫酸为60%(质量质量)的硫酸水的硫酸水溶液的密度。溶液的密度。349984.018306.01/137010285.72211mkgmaam解：应用混合液体密度公式，则有解：应用混合液体密度公式，则有例例1-2 已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O221%、N278%和和Ar1%(均为体积均为体积%)。试求干空气在压力为。试求干空气在压力为9.81104Pa、温度为温度为100时的密度。时的密度。解：解：首先将摄氏度换算成开尔文：首先将摄氏度换算成开尔文：100273+100=373K求干空气的平均分子量：求干空气的平

11、均分子量：Mm My1+M2y2+Mnyn Mm=32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.9670.034103.1331081.93732734.2296.28000 TppT气体的平均密度为：气体的平均密度为：流体受到剪切力的作用时，抵抗变形的特性叫流体受到剪切力的作用时，抵抗变形的特性叫做做黏性黏性。流体黏性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶流体黏性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。动时内摩擦力比水大的缘故。1 牛顿黏性定律牛顿黏性定律1.1.2 流体

12、的黏度流体的黏度 运动着的流体内部相邻两流体层间运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动由于分子运动而产生的而产生的相互作用力，称为流体的相互作用力，称为流体的内摩擦力内摩擦力或或粘滞力粘滞力。流体运动时流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体黏性的大小。内摩擦力的大小，体现了流体黏性的大小。设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体，如图静止的液体，如图所示。所示。xu=0yu 实验证明，实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩擦两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称为剪应力）力（或称为剪应力）与垂直于流动方向的速与垂直于流动方

13、向的速度梯度成正比。度梯度成正比。yxuu=0uy u/u/y y表示速度沿法线方向表示速度沿法线方向上的变化率或速度梯度。上的变化率或速度梯度。式中式中为比例系数，称为为比例系数，称为黏性系数黏性系数，或，或动力粘度动力粘度（viscosity），），简称简称粘度粘度。式式(1-6)所表示的关系，称为所表示的关系，称为牛顿黏性定律牛顿黏性定律。ydud（1-6）黏性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有黏性，黏性是流体的基本物理特性之一。任何流体都有黏性，黏性只有在流体运动时才会表现出来黏性只有在流体运动时才会表现出来。u与与y也可能时如右图的关系，也可能时如右图的关系，则牛顿黏性定律可写成

14、：则牛顿黏性定律可写成：粘度的单位为粘度的单位为Pas。常用流体的粘度可查表。常用流体的粘度可查表。dyduoxy 上式中上式中du/dydu/dy为速度梯度为速度梯度dydu（1-33）2 流体的粘度流体的粘度 sPamsNmNmsmdydu2/2/从手册中查得的粘度数据，其单位常用从手册中查得的粘度数据，其单位常用CGS制单位。在制单位。在CGS单位制中，粘度单位为单位制中，粘度单位为 2/2/cmsdyncmdyncmscmdydu 此单位用符号此单位用符号P P表示，称为泊。表示，称为泊。cPPsPa1000101Ns/m2（或（或Pas）、）、P、cP与的换算关系为与的换算关系为 运

15、动粘度运动粘度：流体粘度流体粘度与密度与密度之比称为运动粘度，之比称为运动粘度，用符号用符号表示表示 /(1-34)其单位为其单位为m m2 2/s/s。而。而CGSCGS单位制中，其单位为单位制中，其单位为cmcm2 2/s/s，称为斯托称为斯托克斯，用符号克斯，用符号StSt表示。表示。各种液体和气体的粘度数据，均由实验测定。可在有关手各种液体和气体的粘度数据，均由实验测定。可在有关手册中查取某些常用液体和气体粘度的图表。册中查取某些常用液体和气体粘度的图表。温度对液体粘度的影响很大，温度对液体粘度的影响很大，当温度升高时，液体的粘度当温度升高时，液体的粘度减小，而气体的粘度增大。减小，而

16、气体的粘度增大。压力对液体粘度的影响很小，可忽压力对液体粘度的影响很小，可忽略不计，而气体的粘度，除非在极高或极低的压力下，可以认略不计，而气体的粘度，除非在极高或极低的压力下，可以认为与压力无关。为与压力无关。1.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力强，简称压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。称为总压力。在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。等。压力的单位压力的单位:帕斯卡帕

17、斯卡,Pa,N/m2(法定单位法定单位);标准标准大大 气压气压,atm;某流体在柱高度某流体在柱高度;bar（巴）或巴）或kgf/cm2等。等。1.2.1 静止流体压力静止流体压力p=P/A N/m2 (Pa)1标准大气压标准大气压(atm)=101,325Pa =1.013 bar,巴巴 =1.033kgf/cm2 =10.33mH2O =760mmHg换算关系：换算关系：压力可以有不同的计量基准。压力可以有不同的计量基准。p绝对压力绝对压力（absolute pressure）：以绝对真空以绝对真空(即零大气压即零大气压)为基准。为基准。p表压表压(gauge pressure)：以当地

18、大气压为基准。它与绝对压以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系，可用下式表示：力的关系，可用下式表示：表压绝对压力大气压力表压绝对压力大气压力p真空度真空度（vacuum）：）：当被测流体的绝对压力小于大气压时，当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值，即：其低于大气压的数值，即：真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力注意注意：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说：此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。明时均可按标准大气压计算。图图 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力测定压力大气压（大气压（b

19、）测定压力测定压力 层流运动层流运动 流体运动速度较慢流体运动速度较慢,与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系数与数与 无关，无关，只与只与Re有关。层流时，有关。层流时，在粗糙管的流动与在在粗糙管的流动与在光滑管的流动相同。光滑管的流动相同。3)粗糙度对流体流动类型的影响粗糙度对流体流动类型的影响q材料与加工精度；材料与加工精度；光滑管：玻璃管，铜管等；光滑管：玻璃管，铜管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。粗糙管：钢管、铸铁管等。使用时间；使用时间；绝对粗糙度可查表或相关手册。绝对粗糙度可查表或相关手册。p 粗糙度的产生原因粗糙度的产生原因湍流运动湍流运动 ，阻力与层流相

20、似，此时称为水力光滑管。，阻力与层流相似，此时称为水力光滑管。，Re b 质点通过凸起部分时产生漩涡质点通过凸起部分时产生漩涡 能能耗耗。b b bdbu 从理论和实践上可以证明，湍流运动时流体从理论和实践上可以证明，湍流运动时流体的直管阻力为：的直管阻力为：22udlfh 为阻力系数，为阻力系数，)(,deReR64层流时：层流时：湍流运动时阻力湍流运动时阻力hf在形式上与层流相同。在形式上与层流相同。湍流时的湍流时的 为阻力系数为阻力系数光滑管：光滑管：3103Re105,25.0Re3164.032.0Re00.50056.0005.0Re/d)35.91lg(214.1lg2Re/1d

21、d005.0Re/d14.1lg21d湍流湍流粗糙管：粗糙管：3103Re106,滞流区滞流区过渡区过渡区湍流区湍流区完全湍流，粗糙管完全湍流，粗糙管光滑管光滑管Re/d 摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系(双对数坐标双对数坐标)上图可以分成上图可以分成4个不同区域：个不同区域：层流区：层流区：Re 2000，=64/Re，与与/d无关。无关。过渡区：过渡区：2000 Re 10Re104 4时，时，CR 可取可取0.98Aa：转子与玻璃管之间的环形截面积。：转子与玻璃管之间的环形截面积。例题：如图所示，开口槽液面与排液管出口间的垂直距离例题：如图所示，开

22、口槽液面与排液管出口间的垂直距离h h1 1为为9m9m，贮槽的内径贮槽的内径D D为为3m3m，排液管的内径排液管的内径d d0 0为为0.04m0.04m，液液体流锅盖系统的能量损失可按体流锅盖系统的能量损失可按h hf f=40u=40u2 2 公式计算，式中公式计算，式中u u为流体在管内的流速。试求为流体在管内的流速。试求4 4小时后贮槽内液面下降的高小时后贮槽内液面下降的高度。度。1122hh11 1、液体减少量、液体减少量+流出量流出量=0=0，即：，即：02424udddhD解：解：2 2、在、在1-11-1和和2-22-2间间(瞬间液面与管子出口内侧间瞬间液面与管子出口内侧间)列柏努力方程，即列柏努力方程，即：fpupuhgzgz1221212221式中，式中，z z1 1=h,z=h,z2 2=0,u=0,u1 1 0,u0,u2 2=u=uh h=5.62m,=5.62m,下降高度为下降高度为 9-5.62=3.38m9-5.62=3.38m（1 1）（2 2）由式（由式（2 2）可得）可得hu492.0代入式（代入式（1 1），进行积分。积分边界条件为：），进行积分。积分边界条件为：1 1=0 h=0 h1 1=9m =9m 2 2=4=43600s h3600s h1 1=h=h返回目录返回目录作业：作业：lP76: