化工原理課件：1-1 流體流動概述

緒論一、化工生產(chǎn)過程原料→化學反應→產(chǎn)品原料→前處理→化學反應→后處理→產(chǎn)品反應工程（有化學反應參加）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：過程和設備三、課程性質(zhì)和特點性質(zhì)：工程學科特點：研究對象—實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)一的研究對象傳遞過程（動量、熱量、物質(zhì)）

2．統(tǒng)一的研究方法實驗研究方法（由此及彼、由小見大）數(shù)學模型法（合理簡化、建立模型）五、課程所回答的問題選擇、設計、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：用若干符號的組合表示一物理量例：長度時間 質(zhì)量力

2）量綱系統(tǒng)：基本量綱與導出量綱的總和

3）量綱的一致性：物理方程中各項具有相同的量綱

第1章流體流動

1.1概述1.1.1流體運動的考察方法一、連續(xù)性假定固體力學考察對象：單個固體流體力學考察對象：質(zhì)點（流體微團）質(zhì)點的定義：連續(xù)性假定：流體是連續(xù)介質(zhì)目的：可應用微積分和連續(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，與時間無關四、流線與軌線軌線：同一質(zhì)點在不同時刻所占空間位置的連線流線：同一瞬時不同質(zhì)點的相同速率的方向連線流線不會相交定態(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流體流動中的作用力一、力的分類體積力（質(zhì)量力）：作用于質(zhì)點與流體質(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、剪應力對大多數(shù)流體，剪應力服從牛頓黏性定律：

牛頓黏性定律說明：1）流體剪應力與法向速度梯度成正比，與正壓力無關2）流體靜止時，，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、理想流體與實際流體理想流體:

實際流體:四、黏度

1）黏度的物理本質(zhì)——分子間引力和分子

熱運動、碰撞

2）黏度是流體的一個重要物性參數(shù)，溫度對其有直接影響

運動黏度 ；動力黏度五、液體的表面張力1.1.3流體流動中的機械能流體流動時，除了位能、動能外，還具

有壓強能。1.2流體靜力學1.2.1靜壓強在空間的分布一、靜壓強的特性（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）作用于某一點所有不同方位靜壓強在數(shù)值上相等（3）壓強各向傳遞二、流體微元的受力平衡（1）表面力設A點壓強為，作用于兩表面上的壓力分別為：（2）體積力設作用于單位質(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)學整理得：

此式稱流體平衡一般表達式三、平衡方程在重力場中的應用重力場中，

，

若

則對圖中點1和2有：

或靜止流體內(nèi)壓強的分布規(guī)律：靜壓強僅與垂直位置有關，與水平位置無關。等高面即為等壓面。四、靜力學方程應用條件靜止的、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靜力學方程的物理意義靜力學方程中： ：單位質(zhì)量流體具有的位能 ：單位質(zhì)量流體具有壓強能令 , ：總勢能該式反映靜止流體內(nèi)部勢能分布規(guī)律：靜止流體內(nèi)各點總勢能相等

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

解:1.2.3壓強的表示方法一、壓強的表示方法1．定義：2．液柱高度：，3．大氣壓：相當于二、壓強的基準1．絕對真空：絕對壓2．大氣壓：表壓、真空度表壓=絕對壓—大氣壓真空度=大氣壓—絕對壓1.2.4壓強的靜力學測量方法一、簡單測壓管二、U型測壓管

1-2面為等壓面當流體為氣體時：

三、U型壓差計

上式表明：當壓差計兩端的流體相同時，直接反映的是虛擬壓強差當時：一般情況：例題1(P57,習題8):

例題2:圖中，原，壓差計讀數(shù)為，現(xiàn)改為，則=？解：例題3：如圖，水的流向如何？1.3流體流動中的守恒原理1.3.1質(zhì)量守恒一、流量：單位時間內(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：流量是一種瞬時的特性二、平均流速1）點速度：單位時間流體質(zhì)點在流動方向上的位移黏性流體在管內(nèi)流動時，流速沿管截面各點的值不等而形成某種分布2）平均流速:工程上常用一個平均速度來代替這一速度分布。在流體流動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：平均流速只在計算流量時才能代替速度分布三、質(zhì)量守恒方程定態(tài)流動時

則當時:或者當時:1.3.2機械能守恒一、理想流體沿流線的機械能守恒，流體微元受力與靜止流體相同：

整理得：重力場中:,

當時： 或流動流體中位能、壓強能、動能可相互轉(zhuǎn)換，但其和保持不變適用條件：重力場中，不可壓縮的理想流體作定態(tài)流動二、理想流體管流的機械能守恒1）均勻流段流段內(nèi)各流線相互平行且與流動截面垂直

圖中截面1，2位于均勻流段2）管流時的能量守恒將截面取在均勻流段，截面上各點總勢能相等理想流體，截面上各點動能相等經(jīng)過截面各點的每一條流線具有相同的機械能因而可應用于管流

均勻流段任一截面上單位質(zhì)量流體的總機械能相等三、實際流體管流的機械能衡算1）動能因子實際流體，截面上各點動能不等，應用平均動能代替以總動能相等的原則求平均動能：，令

,工程上2）機械能（阻力）損失黏性流體流動時因內(nèi)摩擦而導致機械能損耗，常稱阻力損失實際流體的機械能衡算為四、伯努利方程的幾何意義1）的三種表達形式

壓頭，位頭，速度頭

2）的幾何意義理想流體在流動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小孔流速解：在面至面列

小孔處的流速為

應用時所應注意的問題1、是否符合應用條件（連續(xù)、定態(tài)……）2、畫示意圖3、截面選?。ň鶆蛄鞫巍⒁阎孔疃?，大截面）1.3.3動量守恒一、管流中的動量守恒牛頓第二定律:

二、動量守恒定律的應用舉例彎管受力三、動量守恒定律與機械能衡算定律的關系1．二者均反映了流動流體各運動參數(shù)變化規(guī)律，流動流體應同時遵循這兩個規(guī)律。2．對二者的應用有不同的要求應用能量方程時，必須已知阻力損失；應用動量方程時，必須已知受力情況；在研究流體與固體邊界力的關系時，則必須用動量方程。

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

二、流型判據(jù)——雷諾數(shù)Re1．判據(jù)實驗表明：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)了徑向速度脈動一、時均速度與脈動速度時均速度瞬時速度二、湍流的強度和尺度湍流：主體流動+各種大小、強弱的旋渦湍流強度與旋渦旋轉(zhuǎn)速度及所包含機械能有關湍流尺度與旋渦大小有關：Re湍流尺度 三、湍流粘度湍流基本特征：速度的脈動這種脈動加速了徑向動量、熱量和質(zhì)量的傳遞層流