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化工原理化工原理第一章第一章 流体力学流体力学流体的概念气体和液体都具有流动性，通常总称为流体研究流体平衡和运动宏观规律的科学称为流体力学流体力学分为流体静力学和流体动力学（一）密度（一）密度（1）密度的定义单位体积的流体具有的质量称为流体的密度其表达式是（1-1）式中 ——流体的密度，kg/m3； m——流体的质量，kg； V——流体的体积，m3任何流体的密度都随它的温度和压强而变化任何流体的密度都随它的温度和压强而变化1.1 流体静力学一、 流体的主要物理量（2）比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，用符号 表示显然，比体积就是密度的倒数，其单位为m3/㎏表达式为 流体的比体积和密度的乘积等于1. 1、液体的密度液体的密度随温度的升高而______ （升高、降低）压强对液体的密度的影响很小常称液体为不可压缩的流体练习：n1、某种贮槽的有效容积为5m3，293K时能贮存95%的乙醇（ρ＝800kg/m3）多少千克？ （2）液体混合物的密度 液体混合时体积变化不大，液体混合物的密度计算公式： ρ——液体混合物的密度，kg/m3； ρ1，ρ2，ρ3，ρn —液体混合物中各纯态组分的密度，kg/m3 ω1，ω2，ω3，ωn——液体混合物中各组分的质量分率；练习：n1.已知甲醇—水溶液中，甲醇为90%，水为10%，（质量分数）。

求此甲醇—水溶液在293K时密度值ρ甲醇=800Kg/m3,ρ水=1000Kg/m3）n2、气体的密度气体具有可压缩性以及热膨胀性，其密度值随温度和压强而变当可当作理想气体处理时，可用下式计算，即 p ---气体的压力，kPa；T ---气体的温度，K；M ---气体的摩尔质量，kg/kmol；R ---通用气体常数，其值为8.314kJ/(kmol·K) 练习n计算二氧化碳在360K和4MPa时的密度n混合气体的密度用M均代替气体密度计算公式中的M M均的计算： M均= M1ψ 1+M2 ψ 2 +… + Mn ψ n 式中M1、M2…Mn——气体混合物中各组分的摩尔质量，kg/kmol ； ψ 1、 ψ 2… ψ n——气体混合物中各组分的体积分数练习n设大气中氧的体积分数为21%，氮的体积分数为79%，试求：（1）空气的平均摩尔质量2）试求在100kPa和300K时空气的密度 n（二）压力（压强）流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体静压强，简称压强或压力用符号p表示压强F的单位为N（牛顿）A的单位为㎡P的单位为Pa（帕斯卡，简称帕）1Pa=1N/㎡压强的大小也可用液柱高度表示，即流体的压力等于该液柱作用于其底部单位面积上的液体重力。

p=Zρg p——压力，Pa Z——液柱高度，m g——重力加速度，g=9.81m/s2 ρ——液体密度，kg/m3 如果已知流体的压强、密度，可用液柱高度表示压强的大小：当流体的压强一定时，液体的密度越大，则液柱高度越小液柱高度与密度成反比压强的单位及其换算 在SI中，压力的法定计量单位是 Pa(帕)或N/m2，工程上常使用MPa（兆帕）作为压力的计量单位 在工程单位制中，压力的单位是at(工程大气压)或kgf/cm2 其它常用的压力表示方法还有如下几种： 标准大气压（物理大气压），atm；米水柱，m-H2O；毫米汞柱，mmHg；毫米水柱， mmH2O（流体处于低压状态时常用） 各种压力单位的换算关系如下： 1 atm=101.3 kPa=1.033kgf/cm2 =760mmHg =10.33mH2O 1 at=98.07kPa=1kgf/cm2=735.6 mmHg =10mH2On（三）绝压、表压和真空度①绝对压强（简称绝压） 是指流体的真实压强。

更准确地说，它是以绝对真空为基准测得的流体压强 ②表压强（简称表压） 是指工程上用测压仪表以当时、当地大气压强为基准测得的流体 表压=绝对压强－（外界）大气压强 ③真空度 当被测流体内的绝对压强小于当地（外界）大气压强时，使用真空表进行测量时真空表上的读数称为真空度即 真空度=（外界）大气压强－绝对压强n将南京操作真空度为将南京操作真空度为740 mmHg的真空蒸馏塔的真空蒸馏塔搬至兰州操作时搬至兰州操作时,若要求塔内维持相同的绝对若要求塔内维持相同的绝对压强压强,其真空表读数应控制多少？南京的大气其真空表读数应控制多少？南京的大气压强为压强为761mmHg,兰州地区的大气压强为兰州地区的大气压强为640mmHg.二、流体静力学基本方程式（一）流体静力学基本方程式静止的流体是在重力和压力的作用下达到静力平衡，因而处于相对静止状态重力是不变的，但静止流体内部各点的压力是不同的1、静止流体内部，从各个方向作用于某一点的压力都是相等的，否则该点不能保持静止2、同一水平面上各点的压力也是相等的，否则静止的液面便不会呈水平。

3、在不同高度的水平面上，流体的压力不同n p2=p1+(Z1-Z2)ρg 各符号代表的意义以及国际单位是什么？p1Fp2Z2Z1n p2=p0+(Z1-Z2)ρg h=(Z1-Z2)时： p2=p0+hρgp0Fp2Z2Z1这两个方程均称为流体静力学基本方程式，或静止流体平衡方程式，他表明了静止流体内部压力变化的规律只适用于静止的连通着静止的连通着的同一种流体内部由流体静力学基本方程式可以看出：n1、在静止的液体中，液体任一点的压强与液体密度和其深度有关系，液体密度越大，深度越大，则该点的压强越大n2、当液体上方的压强p0或液体内部任一点的压强p1有变化时，必将使液体内部其它各点的压强发生同样大小的变化n3、静力学基本方程式是以液体为例推导出来的，也适用于气体练习n1、在静止的连通着的液体，处于同一水平面上的各点（距离液面的距离h相等）的压力 （一定相等、不一定相等）n2、当容器液面上方的压强P0一定时，静止液体内部任意一点的压强P的大小与 和 有关因此，在静止的，连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强 流体静力学基本方程式只能适用于 的流体内部。

n（二）静力学基本方程式的应用n1、液柱压强计（U形液柱压强计）n对指示液的要求：n①指示液的密度应大于被测流体的密度n②指示液要与被测流体不互溶，不起化学变化n这种压强计，可用来测一点的压强，或两点的压强差 p1-p2=R(ρ示-ρ)g常用的指示液有水银、四氯化碳、水、煤油等图 1-4 测量表压 图 1-5 测量真空度n5、如图，容器内存有密度为1000 kg/m³的水，U形管压强计中的指示液为汞（密度为13600 kg/m³），读数R为500mm，求容器内液面高度n用U形管测量管道中1、2两点的压强差，已知，管内流体密度为1000kg/m³，指示液的密度为1600kg/m³，压差计的读数为60cm，求这两点的压强差为多少？ n1、如图所示，为了控制乙炔发生炉（1）内的压强P表不超过规定值，在炉外装有安全水封，安全水封应插入水面下的深度h= nA、（P0+P表）/ρ水g B、（P0—P表）/ρ水g nC、P表/ρ水g D、（P表—P0）/ρ水gn3．液体的液封高度的确定是根据（ ）。

nA、连续性方程；B、物料衡算式； C、静力学方程；D、牛顿粘性定律 n4、静止流体内部某点的压力与流体的（ ）无关nA、表面压力 B、所处深度 C、密度 D、黏度n5、用U形管压力计不能直接测量设备中流体的( )nA、表压 B、真空度 C、绝压 D、绝压差第二节 流体动力学n一、流量和流速n1、流量 定义：单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流体的流量 流量用两种方法表示： 体积流量 质量流量n（1）体积流量：n单位时间内流经管道任一截面的流体体积，称为体积流量用符号qv表示，单位是m3/s或m3/h或L/s，L/h 因气体的体积随温度和压力而变化，故气体的体积流量应注明温度、压力n(2)质量流量n单位时间内流经管道任一截面的流体质量，称为质量流量用符号qm表示，单位是kg/s或kg/hn质量流量与体积流量的关系为2．流速 单位时间内流体在流动方向流过的距离，称为流速以符号u表示，单位是m/s. 有两种表示方法： 平均流速 质量流速n（1）平均流速 流体流经管道截面上各点的流速是不同的，管道中心处的流速最大，越靠近管壁流速越小，在管壁处流速为零。

流体在截面上某点的流速，称为点速度流体在同一截面上各点流速的平均值，称为平均流速生产中常说的流速指的是平均流速，单位为m/sn（2）质量流速质量流量与管道截面积之比称为质量流速以符号G表示，其单位为kg/（m2·s）表达式为 质量流速的物理意义是：单位时间内流过管道单位截面积的流体质量nG常用于气体流速气体流速的计算n（3）管道直径的估算练习：n1、单位时间内流过管道任意截面的流体量称为（ ） nA、流速 B、流线 C、流量 D、流函数n2、（ ）内流体在流动方向上所流过的距离称为流速 nA、无限时间 B、单位时间 C、长时间 D、短时间n3、水及一般液体管路中的常用流速为 ( )nA.1-3m/s B. 0.5-1m/s C.15-30m/s D.30-50m/sn4、某管子的规格为ø38x2.5mm, 其内径是（ ）n A. 38mm B. 35.5mm C. 35mm D. 33mmCB ADn二、稳定流动和不稳定流动n1、稳定流动n流体在流动时，任一截面处流体的流速、流量、压强等与流动有关物理量仅随位置而改变，不随时间而变化，这种流动称为稳定流动。

n2、不稳定流动n流体在流动时，任一截面处流体的流速、流量、压强等有关物理量即随位置而变化，又随时间而变化，这种流动称为不稳定流动n在化工生产中，多属于稳定流动图1-9 稳定流动 图1-10 不稳定流动 n三、稳定流动的连续性——连续性方程当流体为液体时，ρ1=ρ2，则S1u1=S2u2 练习：n1、对于稳定操作的流动系统，进行物料衡算的基准是( )nA．能量守恒定律 B．时间守恒定律 C．加料守恒定律 D．质量守衡定律 n2、当管中的液体形成稳定流动时，已知d2=2d1，则（ ）nA、u1=4u2 B、u2=4u1 C、u2=2u1 D、u1=2u2n3、某流体在内径为100mm的钢管内流动，在稳定流动条件下流速为2m/h若内径变为50mm，则流速为（ ）m/h nA．2B．8 C．1 D． 4n4、稳定流动的特点是与流动有关的物理量（ ）n A. 仅随位置变化而不随时间变化 B. 仅随时间变化而不随位置变化n C. 既随时间变化又随位置变化 D. 既不随时间变化又不随位置变化D ABA四、伯努利方程式n（1）位能 液体在重力作用下，因质量中心高出所选基准面而具有的能量。

位能=mgZ单位质量(1kg)流体的位能： E位=mgZ/m=gZ1N流体的位能，称为位压头： 位压头=mgZ/mg=Zn(2)动能由于流体有一定的流速而具有的能量称为动能单位质量(1kg)流体的动能： 1N流体的动能为动压头：n（3）静压能由于流体有一定的压强而具有的能量为静压能单位质量(1kg)流体的静压能：1N流体的静压能,称为静压头：n（4）流动流体的总机械能 E=E位+E动+E压=Z g+u2/2+p/ρ 1N流动流体的总压头：n（5）外加能量1kg质量流体从输送机械所获得的机械能，称为外加功用符号We表示，其单位为J/kg以符号He表示外加压头，单位为mn（6）损失能量1kg质量流体损失能量以符号Σhf表示，其单位为J/kg以符号Hf表示损失压头，其单位为m2、伯努利方程式n根据能量守恒定律：n 输入总能量=输出总能量n单位质量（1kg）流动流体的伯努利方程式：n (J/kg) n单位重量（1N）流动流体的伯努利方程式：(m)（1）流动的流体各种机械能的形式可以互相转化。

若Σhf =0 ；无外功加入，所以We=0, 于是柏努利方程变为（2）若无外加能量We=0，有损失能量Σhf ≠0 （＞0），则E1＞E2， 即流体自发流动，只能从高压头处向低压头处流动3）若流体是静止的，即u1=u2=0, 并且We=0， Σhf =0 ，伯努利方程就变成： 说明：静止不过是流动的一个特殊形式4）伯努利方程式只适用于液体n输送设备的有效功率： 符号：Pe 国际制单位：w(瓦特) Pe=qmHeg=Weqm=ρqvHeg 练习：n1、下列哪种能量形式不属于机械能范畴( )nA.位能 B.静压能 C.热能 D.外功n2、柏努利方程式中的gz项表示单位质量流体所具有的（ ） nA 位能 B 动能 C 静压能 D 有效功n3、柏努利方程式中的（ ）项表示单位质量流体所具有的静压能 nA、gz B、u2/2 C、p/ρ D、wen4、与基准水平选取有关的能量为( )nA、动能 B、位能 C、静压能 D、 内能 n5、单位质量流体从输送机械获得的机械能We，与外加压头He两者之间的关系为（ ）nA、We=He B、We=He·g C、We·g =He D、We=He/g n6、柏努利方程式中的（ ）项表示单位质量流体因克服流动阻力而损失的能量。

nA、gz；B、u2/2；C、p/ρ；D、ΣhfCACBBD《《化工原理化工原理》》课件课件——第一章第一章 流体流动流体流动《《化工原理化工原理》》——第一章第一章 流体流动流体流动柏努利方程式的应用柏努利方程式的应用1 1 确定送料的压缩气体的压强确定送料的压缩气体的压强(P(P1 1,P,P2 2) )2 2、求高位槽的高度、求高位槽的高度(Z(Z1 1,Z,Z2 2) )3、、 流体流动的流速和流量流体流动的流速和流量(U1,U2)4、确定输送设备的有效功率、确定输送设备的有效功率(We)应用伯努利方程式的注意事项：1、首先要确定出管路的上游截面1-1和下游截面2-2，以明确所讨论的流动系统的范围两截面应与流体流动的方向垂直，并且流体在两截面之间是连续的如果所求的是外加功，两截面应分别在流体输送设备的两侧2、确定出基准水平面：原则上可以任意选定，通常把基准水平面选在低截面处3、柏努利方程中各项物理量的单位必须一致流体的压强可以都用绝压或都用表压，但要统一4、截面很大时（如贮槽），流速可认为0.伯努利方程式解题的一般步骤：n1、画出示意图(一般题目中给出)；n2、选上下游截面以明确衡算的系统范围；n3、选基准水平面；n4、在两截面间列伯努利方程；n5、由题目中的已知条件计算方程中的有关物理量或进行单位换算；n6、将物理量带入，简化方程，求解。

n某车间用离心泵将料液送往塔中，塔内压强为4.91×105(表压)，槽内液面维持恒定,其上方为大气压.储槽液面与塔进料口之间垂直距离为20m，设输送系统中的压力损失为5m液柱，料液密度为900㎏/，管子内径为25㎜，送液量为2000㎏/h，求：（1）泵所需的有效功率Pe （2）若泵效率为60%，求泵的轴功率Pa第三节 流体阻力n一、流体的粘度n1、流体阻力的表现和来源 由上式可见，存在流体阻力使静压能下降存在流体阻力使静压能下降阻力越大，阻力越大，静压强下降就越大静压强下降就越大 流体阻力的表现是静压强的下降静压强的下降n产生流体阻力的原因？1、内摩擦(粘性)是产生流体阻力的根本原因；2、流体流动状况是产生流体阻力的第二位原因；3、管壁粗糙程度和管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响n2、流体的粘度定义：衡量流体粘性大小的物理量称为粘度符号：µ 国际制单位：Pa·s又称为：动力粘度、绝对粘度粘度的物理意义; 促使流体流动时产生单位速度梯度的剪应力 3、运动粘度n定义：流体的绝对粘度和密度之比n符号：γn表达式：n国际制单位：㎡/sn1㎡/s=1×106cstn4、牛顿粘性定律:n流体的剪应力与速度梯度成正比。

n表达式：n 称为速度梯度n牛顿型流体：n非牛顿型流体：n气体、液体的粘度随温度、压力的变化规律？n气体的粘度比液体小n气体的粘度随温度的升高而增大，液体的粘度随温度的升高而减小，粘度越大的液体，它的粘度对温度的变化越明显n压强变化时，液体的粘度不变；气体的粘度随压强的增加也增加的很小练习n1、运动粘度、运动粘度v=µ/ρ，其单位是，其单位是( )nA、、Pa·s B、、Pa/s C、、m2·s D、、m2/s n2、下列说法正确的是、下列说法正确的是 ( )nA、粘性是流体固有的属性之一、粘性是流体固有的属性之一 B、静止的流体无粘性、静止的流体无粘性nC、粘度是衡量液体粘性大小的物理量、粘度是衡量液体粘性大小的物理量nD、一般的液体粘度随温度的升高而增大、一般的液体粘度随温度的升高而增大,气体的粘度则随温度的气体的粘度则随温度的升高而减小升高而减小n3、有两种关于粘性的说法：、有两种关于粘性的说法：n（（1）无论是静止的流体还是运动的流体都具有粘性无论是静止的流体还是运动的流体都具有粘性n（（2）粘性只有在流体流动时才表现出来。

正确的结论应是）粘性只有在流体流动时才表现出来正确的结论应是( )nA．两种说法都对．两种说法都对 B.两种说法都不对两种说法都不对nC.第一种说法对，第二种说法不对第一种说法对，第二种说法不对 D.第一种说法不对，第第一种说法不对，第二种说法对二种说法对n4、流体运动时，能量损失的根本原因是由于流体存、流体运动时，能量损失的根本原因是由于流体存在着（在着（ ）nA、压力；、压力；B、动能；、动能；C、湍流；、湍流；D、粘性、粘性n5．温度对流体的粘度有一定的影响，当温度升高时，．温度对流体的粘度有一定的影响，当温度升高时，（（ ）nA、液体和气体的粘度都降低；、液体和气体的粘度都降低；B、液体和气体的粘度都升高；、液体和气体的粘度都升高；nC、液体的粘度升高、而气体的粘度降低；、液体的粘度升高、而气体的粘度降低；D、、液体的粘度降低、而气体的粘度升高液体的粘度降低、而气体的粘度升高二、流体的流动类型n1、影响流动类型的因素n d 内径n u 流速n ρ 密度n µ 粘度n d、u 、ρ增大，向湍流湍流方向移动n µ增大，向层流流方向移动n2、雷诺准数nRe是一个量纲为1的数群。

nRe≤2000 层流（滞流）n2000＜Re ＜4000 过渡流nRe≥4000 湍流（紊流）式中 d——管道的内径，m； ρ——流体的密度，kg/m3； u——流体的平均流速，m/s； μ——流体的黏度，Pa·s； ν——流体的运动黏度，m2/sn1、密度为850 kg/m3、粘度为8×10-3 Pa·s的液体在内径为14 mm的钢管内流动，液体的流速为1 m/s计算：（1）雷诺准数，并指出属于何种流型；（2）若要使该流动达到湍流，液体的流速至少应为多少？ n3、当量直径nA、圆管：de=dnB、a×b矩形n nC、内径为d1大圆套外径为d2小圆环形流道n de= d1- d2 练习n1、有一套管，其外管的内径为d1，内管的外径为d2，则套管环隙的当量直径为( ) nA、d1+d2 B、(d1+d2)/2 C、d1/d2 D、d1-d2 n2、有一矩形，长和宽各为a、b，则此矩形的当量直径为nA、a+b B、2ab/(a+b) C、a+b/2ab D、a-bn3、密度为1000kg/m3的流体，在1084mm的管内流动，流速为2m/s，流体的粘度为1mPa·s，其Re为（ ）。

nA、105； B、2107；C、2106；D、2105三、滞流与湍流的比较n1、流体内部质点的运动方式n滞流：质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点各不碰撞，互不混合n湍流：质点做不规则的杂乱运动，并互相碰撞，产生大大小小的漩涡n质点的脉动是湍流运动的最基本特点n2、流体在圆管内速度分布n滞流时，平均流速等于管中心最大流速的0.5.n湍流时，平均流速等于管中心最大流速的0.8.n层流内层：n定义：湍流时管壁处的速度为零，在靠近管壁处流体做层流流动，这一作层流流动的流体薄层称为流体内层n厚度随Re值的增大而减小练习n1、滞流和湍流的本质区别是（ ）nA、湍流的流速大于滞流 B、湍流的Re值大于滞流nC、滞流无径向脉动，湍流有径向脉动 D、湍流时边界层较薄n2、以下几种关于流体说法正确的是（ ）nA、流体在圆管内流动时，无论层（滞）流或湍流，管中心处流速最大、距管壁越近 流速越小,在管壁处流速为零nB、层流时,平均流速大约是管中心处流速的0.8倍nC、湍流时,平均流速大约是管中心流速的0.5倍nD、层流内层对传热和传质过程影响很大,它的厚度随Re的增大而增厚n3、下列叙述正确正确的是（ ）nA.层流时，摩擦系数仅是Re的函数，与管壁粗糙度无关nB.流体只能从压力高处流向压力低处nC.湍流时，管道内的全部流体都作湍流流动nD.流体粘度的大小取决于流体的流动类型n4、下列关于流体流动的描述错误错误的是（ ）n A.湍流时质点作不规则的杂乱运动nB.层流内层的厚度随雷诺准数的增大而增大nC.层流时质点只在流体流动方向上运动nD. .层流内层的存在对传热和传质过程都有重要影响四、流体阻力n伯努利方程式中Σhf所研究的是管路系统的总能量损失或称总阻力损失。

n直管阻力hfn局部阻力hf'nΣhf=hf+hf'n1、直管阻力的计算n范宁公式n用于计算直管阻力，既用于滞流又用于湍流n λ为摩擦系数， λ值随流动类型而异：n（1）滞流时，摩擦系数与管壁粗糙度无关，仅为雷诺数的函数n（2）完全湍流时，摩擦系数与Re值关系不大，值关系不大，而粗糙度的影响越来越明显而粗糙度的影响越来越明显 λ值查表n5、局部阻力的计算n（1）当量长度法：（2）阻力系数法 ξ扩=1，，ξ收收=0.5第四节 管路布置n管路布置和安装的一般原则： n重点是记忆练习n1、符合符合化工管路布置原则的是( )nA、管路远离厂房 nB、管路布置排列时,有腐蚀的在上,无腐蚀的在下nC、各种管路成列平行,尽量走直线 nD、并列管路上的管件阀们应集中安装n2、符合符合化工管路布置原则的是( )nA、各种管路成列平行,尽量走直线 nB、平行管路垂直排列时,冷的在上,热的在下nC、并列管路上的管件阀们应集中安装 nD、一般采用暗线安装n3. 管路通过人行横道时，其高度不低于nA. 2m B. 4.5m C. 5m D.6mn4. 管路通过工厂主要交通干线时，其高度一般不低于（ ）nA. 2m B. 4.5m C. 5m D.6mn5、有关化工管路排列原则，下列说法错误错误的是（ ）n A. 输气管路在上，输液管路在下 nB. 冷流体管路在上，热流体在下n C. 无腐蚀性流体管路在上，有腐蚀性流体管路在下 nD. 高压管路在上，低压管路在下n6、下列对管路布置和安装一般原则的叙述不正确不正确的是（ ）nA.管子、管件与阀门应尽量采用标准件，以便于安装与维修nB.管路垂直排列时，通常使冷的在上，热的在下；无腐蚀的在上，有腐蚀的在下nC.在闭合管路上必须设置活接头或法兰nD.对于有凝液的管路要安装凝液排出装置。