化工原理-流体流动现象

第一章: 流体流动流体流动是化工厂中最基本的现象。

在化工厂内，不论是待加工的原料或是已制成的产品，常以液态或气态存在。

各种工艺生产过程中，往往需要将液体或气体输送至设备内进行物理处理或化学反应，这就涉及到选用什么型式、多大功率的输送机械，如何确定管道直径及如何控制物料的流量、压强、温度等参数以保证操作或反应能正常进行，这些问题都与流体流动密切相关。

流体是液体和气体的统称。

流体具有流动性，其形状随容器的形状而变化。

液体有一定的液面，气体则否。

液体几乎不具压缩性，受热时体积膨胀的不显著，所以一般将液体视为不可压缩的流体。

与此相反，气体的压缩民很强，受热时体积膨胀很大，所以气体是可压缩的流体。

如果在操作过程中，气体的温度和压强改变很小，气体也可近似地按不可压缩流体来处理。

流体是由大量的不断作不规则运动的分子组成，各个分子之以及分子内部的原子之间均保留着一定的空隙，所以流体内部是不连续而存在空隙的，要从单个分子运动出发来研究整个流体平衡或运动的规律，是很困难而不现实。

所以在流体力学中，不研究个别分子的运动，只研究由大量分子组成的分子集团，设想整个流体由无数个分子集团组成，每个分子集团称为“质点”。

质点的大小与它所处的空间在、相比是微不足道的，但比分子自由程要大得多。

这样可以设想在流体的内部各个质点相互紧挨着，它们之间没有任何空隙而成为连续体。

用这种处理方法就可以不研究分子间的相互作用以及复杂的分子运动，主要研究流体的宏观运动规律，而把流体模化为连续介质，但不是所有情况都是如此的，高真空度下的气体就不能视为连续介质了。

液体和气体统称为流体。

流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。

化工生产的原料及产品大多数是流体。

在化工生产中，有以下几个主要方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律：(1) 管内适宜流速、管径及输送设备的选定；(2) 压强、流速和流量的测量；(3) 传热、传质等过程中适宜的流动条件的确定及设备的强化。

第一章流体流动1.1概述1.1.1 流体流动是各单元操作的基础化工生产中，经常应用流体流动的基本原理及其流动规律：流体的输送、压强、流速和流量的测定、为强化设备提供适宜的流动条件等。

流程分析：流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等，是流体动力学问题。

流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是流体静力学问题。

为了确定流体输送管路的直径，需要计算流体流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。

根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。

流体流动将影响系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。

1.1.2 连续介质假定连续性假定：研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。

所谓流体质点是指含有大量分子的极小单元或微团。

1.1.3 流体流动中的作用力在流体中任取一微元体积作为研究对象，进行受力分析，它受到的力有表面力和质量力两类。

表面力与作用的表面积成正比，单位面积上的表面力称之为应力。

通常可以将表面力分解为法向分力与切向分力，如图1.1.2所示。

法向应力总是垂直且指向流体微元之任一表面。

单位面积上的法向力又称之为压强。

单位面积上的切向力称之为剪切应力F c（N/m2）。

静止流体不能承受任何剪切力，所以，只有法向力。

1.1.4 流体的特征和密度及其压缩性流体：液体和气体统称为流体。

流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。

密度是流体的物理性质。

液体的密度几乎不随压强而变化，但温度对液体密度有一定影响。

液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取。

气体的密度随温度和压强而变化，而且比液体显著得多，因此要根据温度及压强条件来确定气体的密度。

1.2 流体静力学流体静力学主要研究流体在静止状态下所受的各种力之间的关系，实质上是讨论流体静止时其内部压强变化的规律。

1.2.1 流体的压强及其特性Array工程上，习惯上常常将压强称之为压力，流体的压力除了用不同的单位来计量外，还可以用如图所示的不同的计量基准来表示: 绝对压力、表压、真空度。

化工原理–流体流动介绍引言流体流动是化工工程中一个非常重要的基础概念。

无论是在化工过程中的液体的传输，还是气体在设备中的流动，都需要对流体流动进行深入的了解和研究。

本文将介绍流体流动的基本定义、流动模型、流体力学方程以及常见的流动行为。

通过对流体流动的介绍，读者将能够更全面地了解化工原理中的流体流动问题。

流动的定义流动是指流体在空间中运动的过程。

在化工过程中，流动一般可以分为液体流动和气体流动。

液体流动是指液体在管道、槽道或容器中的流动，主要涉及到液体的运动、运动状态和运动参数。

气体流动是指气体在管道、设备中的流动，主要涉及到气体的流动速度、气体流量和气体压力等参数。

流动模型在化工工程中，流体流动可以分为层流和湍流两种模型。

层流层流是指流体在流动过程中，流线穿过流体时呈现分层状态，流体粒子之间的相对运动速度较小。

层流的特点是流速分布规则、流体速度均匀，流体粒子之间的作用力较小，流体流动状态相对稳定。

层流一般发生在低速流动和粘性较大的流体中。

湍流湍流是指流体在流动过程中，流线交织混乱，流体粒子之间的相对运动速度较大。

湍流的特点是流速分布不规律，流体速度颠簸不定，流体粒子之间的作用力较大，流体流动状态相对混乱。

湍流一般发生在高速流动和粘性较小的流体中。

流体力学方程流体力学方程是描述流体流动的基本方程，其中最基本的是连续性方程、动量方程和能量方程。

连续性方程连续性方程是描述流体中质点的守恒关系。

对于液体流动来说，连续性方程可以表示为质流速的守恒，即质流速的变化量等于流入和流出的质量之和。

对于气体流动来说，连续性方程可以表示为能量流速的守恒，即能量流速的变化量等于流入和流出的能量之和。

动量方程动量方程是描述流体中质点的动力学性质。

对于液体流动来说，动量方程可以表示为流体的加速度与外力之差等于质量流量产生的力。

对于气体流动来说，动量方程可以表示为流体的加速度与外力之差等于能量流量产生的力。

能量方程能量方程是描述流体中能量变化的方程。

化工原理第一章流体流动第一章 流体流动一、流体流动的数学描述在化工生产中，经常遇到流体通过管道流动这一最基本的流体流动现象。

当流体在管内作稳定流动时，遵循两个基本衡算关系式，即质量衡算方程式和机械能衡算方程式。

质量衡算方程式在稳定的流动系统中，对某一划定体积而言，进入该体积的流体的质量流量等于流出该体积的质量流量。

如图1—1所示，若取截面1—1′、2—2′及两截面间管壁所围成的体积为划定体积，则ρρρuA A u A u ==222111 (1-1a)对不可压缩、均质流体(密度ρ＝常数)的圆管内流动，上式简化为2221211ud d u d u == (1-1b)机械能衡算方程式在没有外加功的情况下，流动系统中的流体总是从机械能较高处流向机械能较低处，两处机械能之差为流体克服流动阻力做功而消耗的机械能，以下简称为阻力损失。

如图1—1所示，截面1—1′与2—2′间单位质量流体的机械能衡算式为f 21w Et Et += (1-2)式中 221111u p gz Et ++=ρ，截面1—1′处单位质量流体的机械能，J ／kg ；222222u p gz Et ++=ρ，截面2—2′处单位质量流体的机械能，J ／kg ；∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑+∑=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∑+=2)(222f u d l l u d l w e λζλ，单位质量流体在划定体积内流动时的总阻力损失，J ／kg 。

其中，λ为雷诺数Re 和相对粗糙度ε / d 的函数，即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=d du εμρφλ,。

上述方程式中，若将Et 1、Et 2、w f 、λ视为中间变量，则有z 1、z 2、p 1、p 2、u 1、u 2、d 1、d 2、d 、u 、l 、∑ζ(或∑l e )、ε、ρ、μ等15个变量，而独立方程仅有式(1-1)(含两个独立方程)、式(1-2)三个。

因此，当被输送流体的物性(ρ，μ)已知时，为使方程组有唯一解，还需确定另外的10个变量，其余3个变量才能确定。