化工原理課件：1-1 流體流動(dòng)概述

緒論一、化工生產(chǎn)過程原料→化學(xué)反應(yīng)→產(chǎn)品原料→前處理→化學(xué)反應(yīng)→后處理→產(chǎn)品反應(yīng)工程（有化學(xué)反應(yīng)參加）化工原理（純物理過程）二、單元操作前、后處理可歸納成一系列的單元操作單元操作的內(nèi)容：過程和設(shè)備三、課程性質(zhì)和特點(diǎn)性質(zhì)：工程學(xué)科特點(diǎn)：研究對(duì)象—實(shí)際工程問題研究方法—工程處理方法四、課程的兩條主線

1．統(tǒng)一的研究對(duì)象傳遞過程（動(dòng)量、熱量、物質(zhì)）

2．統(tǒng)一的研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法（由此及彼、由小見大）數(shù)學(xué)模型法（合理簡(jiǎn)化、建立模型）五、課程所回答的問題選擇、設(shè)計(jì)、操作、發(fā)展六、單位和量綱

1．單位：本書全部采用SI單位制

2．量綱

1）量綱：用若干符號(hào)的組合表示一物理量例：長(zhǎng)度時(shí)間 質(zhì)量力

2）量綱系統(tǒng)：基本量綱與導(dǎo)出量綱的總和

3）量綱的一致性：物理方程中各項(xiàng)具有相同的量綱

第1章流體流動(dòng)

1.1概述1.1.1流體運(yùn)動(dòng)的考察方法一、連續(xù)性假定固體力學(xué)考察對(duì)象：?jiǎn)蝹€(gè)固體流體力學(xué)考察對(duì)象：質(zhì)點(diǎn)（流體微團(tuán)）質(zhì)點(diǎn)的定義：連續(xù)性假定：流體是連續(xù)介質(zhì)目的：可應(yīng)用微積分和連續(xù)函數(shù)適用性：絕大多數(shù)情況下適用二、兩種考察方法拉格朗日法、歐拉法三、定態(tài)過程過程參數(shù)僅隨空間變化，與時(shí)間無關(guān)四、流線與軌線軌線：同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占空間位置的連線流線：同一瞬時(shí)不同質(zhì)點(diǎn)的相同速率的方向連線流線不會(huì)相交定態(tài)下：流線與軌線重合五、控制體控制體是作考察對(duì)象的某一固定空間體積（歐拉法）六、考察方法的選擇1.1.2流體流動(dòng)中的作用力一、力的分類體積力（質(zhì)量力）：作用于質(zhì)點(diǎn)與流體質(zhì)量成

正比，如重力、離心力等表面力：與表面積成正比的力，可分為壓力與剪力二、剪應(yīng)力對(duì)大多數(shù)流體，剪應(yīng)力服從牛頓黏性定律：

牛頓黏性定律說明：1）流體剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與正壓力無關(guān)2）流體靜止時(shí)，，則3）相鄰流體層的速度只能是連續(xù)變化，緊靠壁面處的流體流速為0

三、理想流體與實(shí)際流體理想流體:

實(shí)際流體:四、黏度

1）黏度的物理本質(zhì)——分子間引力和分子

熱運(yùn)動(dòng)、碰撞

2）黏度是流體的一個(gè)重要物性參數(shù)，溫度對(duì)其有直接影響

運(yùn)動(dòng)黏度 ；動(dòng)力黏度五、液體的表面張力1.1.3流體流動(dòng)中的機(jī)械能流體流動(dòng)時(shí)，除了位能、動(dòng)能外，還具

有壓強(qiáng)能。1.2流體靜力學(xué)1.2.1靜壓強(qiáng)在空間的分布一、靜壓強(qiáng)的特性（1）靜止流體中任意界面上只受大小相等方向相反的壓力（2）作用于某一點(diǎn)所有不同方位靜壓強(qiáng)在數(shù)值上相等（3）壓強(qiáng)各向傳遞二、流體微元的受力平衡（1）表面力設(shè)A點(diǎn)壓強(qiáng)為，作用于兩表面上的壓力分別為：（2）體積力設(shè)作用于單位質(zhì)量流體上的體積力在方向上的分量為，則微元所受的體積力在方向上的分量為:

流體靜止：對(duì)方向有：

整理可得：

同理：

此式稱歐拉平衡方程以上三式經(jīng)數(shù)學(xué)整理得：

此式稱流體平衡一般表達(dá)式三、平衡方程在重力場(chǎng)中的應(yīng)用重力場(chǎng)中，

，

若

則對(duì)圖中點(diǎn)1和2有：

或靜止流體內(nèi)壓強(qiáng)的分布規(guī)律：靜壓強(qiáng)僅與垂直位置有關(guān)，與水平位置無關(guān)。等高面即為等壓面。四、靜力學(xué)方程應(yīng)用條件靜止的、連續(xù)（同一種）的不可壓縮流體，且只受重力作用。例：指出下圖中哪些面為等壓面？1.2.2靜力學(xué)方程的物理意義靜力學(xué)方程中： ：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體具有的位能 ：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體具有壓強(qiáng)能令 , ：總勢(shì)能該式反映靜止流體內(nèi)部勢(shì)能分布規(guī)律：靜止流體內(nèi)各點(diǎn)總勢(shì)能相等

,：虛擬壓強(qiáng)，與有關(guān)例：圖中緊靠油水界面兩側(cè)的虛擬壓強(qiáng)分別為: 、，則（）

解:1.2.3壓強(qiáng)的表示方法一、壓強(qiáng)的表示方法1．定義：2．液柱高度：，3．大氣壓：相當(dāng)于二、壓強(qiáng)的基準(zhǔn)1．絕對(duì)真空：絕對(duì)壓2．大氣壓：表壓、真空度表壓=絕對(duì)壓—大氣壓真空度=大氣壓—絕對(duì)壓1.2.4壓強(qiáng)的靜力學(xué)測(cè)量方法一、簡(jiǎn)單測(cè)壓管二、U型測(cè)壓管

1-2面為等壓面當(dāng)流體為氣體時(shí)：

三、U型壓差計(jì)

上式表明：當(dāng)壓差計(jì)兩端的流體相同時(shí)，直接反映的是虛擬壓強(qiáng)差當(dāng)時(shí)：一般情況：例題1(P57,習(xí)題8):

例題2:圖中，原，壓差計(jì)讀數(shù)為，現(xiàn)改為，則=？解：例題3：如圖，水的流向如何？1.3流體流動(dòng)中的守恒原理1.3.1質(zhì)量守恒一、流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的物質(zhì)量體積流量質(zhì)量流量注意：流量是一種瞬時(shí)的特性二、平均流速1）點(diǎn)速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上的位移黏性流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流速沿管截面各點(diǎn)的值不等而形成某種分布2）平均流速:工程上常用一個(gè)平均速度來代替這一速度分布。在流體流動(dòng)中常按流量相等的原則來確定平均流速

,3）質(zhì)量流速

注意：平均流速只在計(jì)算流量時(shí)才能代替速度分布三、質(zhì)量守恒方程定態(tài)流動(dòng)時(shí)

則當(dāng)時(shí):或者當(dāng)時(shí):1.3.2機(jī)械能守恒一、理想流體沿流線的機(jī)械能守恒，流體微元受力與靜止流體相同：

整理得：重力場(chǎng)中:,

當(dāng)時(shí)： 或流動(dòng)流體中位能、壓強(qiáng)能、動(dòng)能可相互轉(zhuǎn)換，但其和保持不變適用條件：重力場(chǎng)中，不可壓縮的理想流體作定態(tài)流動(dòng)二、理想流體管流的機(jī)械能守恒1）均勻流段流段內(nèi)各流線相互平行且與流動(dòng)截面垂直

圖中截面1，2位于均勻流段2）管流時(shí)的能量守恒將截面取在均勻流段，截面上各點(diǎn)總勢(shì)能相等理想流體，截面上各點(diǎn)動(dòng)能相等經(jīng)過截面各點(diǎn)的每一條流線具有相同的機(jī)械能因而可應(yīng)用于管流

均勻流段任一截面上單位質(zhì)量流體的總機(jī)械能相等三、實(shí)際流體管流的機(jī)械能衡算1）動(dòng)能因子實(shí)際流體，截面上各點(diǎn)動(dòng)能不等，應(yīng)用平均動(dòng)能代替以總動(dòng)能相等的原則求平均動(dòng)能：，令

,工程上2）機(jī)械能（阻力）損失黏性流體流動(dòng)時(shí)因內(nèi)摩擦而導(dǎo)致機(jī)械能損耗，常稱阻力損失實(shí)際流體的機(jī)械能衡算為四、伯努利方程的幾何意義1）的三種表達(dá)形式

壓頭，位頭，速度頭

2）的幾何意義理想流體在流動(dòng)過程中三種能量形式可相互轉(zhuǎn)換，但三頭之和為常數(shù)。

五、的應(yīng)用舉例1、重力射流可略去

孔流系數(shù)：2．馬利奧特容器求水面在面以上時(shí)小孔流速解：在面至面列

小孔處的流速為

應(yīng)用時(shí)所應(yīng)注意的問題1、是否符合應(yīng)用條件（連續(xù)、定態(tài)……）2、畫示意圖3、截面選取（均勻流段、已知量最多，大截面）1.3.3動(dòng)量守恒一、管流中的動(dòng)量守恒牛頓第二定律:

二、動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用舉例彎管受力三、動(dòng)量守恒定律與機(jī)械能衡算定律的關(guān)系1．二者均反映了流動(dòng)流體各運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律，流動(dòng)流體應(yīng)同時(shí)遵循這兩個(gè)規(guī)律。2．對(duì)二者的應(yīng)用有不同的要求應(yīng)用能量方程時(shí)，必須已知阻力損失；應(yīng)用動(dòng)量方程時(shí)，必須已知受力情況；在研究流體與固體邊界力的關(guān)系時(shí)，則必須用動(dòng)量方程。

1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1流動(dòng)的型態(tài)一、兩種流型——層流和湍流層流：流體質(zhì)點(diǎn)只作軸向直線運(yùn)動(dòng)，無徑向運(yùn)動(dòng)湍流：流體質(zhì)點(diǎn)不僅作軸向直線運(yùn)動(dòng)，還作隨機(jī)的徑向脈動(dòng)

二、流型判據(jù)——雷諾數(shù)Re1．判據(jù)實(shí)驗(yàn)表明：流型將上述因素組合成無量綱數(shù)群Re<2000 層流 （層流區(qū)）2000<Re<4000 可層流，也可湍流，依賴環(huán)境 （過渡區(qū)）Re>4000 湍流（湍流區(qū)）2．穩(wěn)定性的概念穩(wěn)定性：抗外界干擾的能力雷諾數(shù)Re是穩(wěn)定性的判據(jù)3．雷諾數(shù)的物理意義1.4.2湍流的基本特征出現(xiàn)了徑向速度脈動(dòng)一、時(shí)均速度與脈動(dòng)速度時(shí)均速度瞬時(shí)速度二、湍流的強(qiáng)度和尺度湍流：主體流動(dòng)+各種大小、強(qiáng)弱的旋渦湍流強(qiáng)度與旋渦旋轉(zhuǎn)速度及所包含機(jī)械能有關(guān)湍流尺度與旋渦大小有關(guān)：Re湍流尺度 三、湍流粘度湍流基本特征：速度的脈動(dòng)這種脈動(dòng)加速了徑向動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞層流