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化工单元操作英文教材-流体流动现象Fluid-flow phenomena

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化工原理第二版第二章

化工原理第二版第二章

23
§1.4 流体流动现象
（3）选择 ＝3个物理量作为基本物理量 ）选择r＝ 个物理量作为基本物理量 如选d、 及 如选 、u及 ρ （4）将其余 －r＝4－3＝1个物理量逐一与基本物理量组 ）将其余n－ ＝ － ＝ 个物理量逐一与基本物理量组 成无因次数群。 成无因次数群。 其余1个物理量是： µ 其余 个物理量是： 个物理量是
比例系数， 比例系数，称为 流体的粘度或动 力粘度， 力粘度，Pa·s
接触面积
牛顿粘性定律 Newton’s Viscous Law
Isaac Newton (1642 - 1727)
7
§1.4 流体流动现象
y ∆u/∆y表示速度沿法线方向上 ∆ 表示速度沿法线方向上 的变化率或速度梯度。 的变化率或速度梯度。 u ⊿y 实际流体在管内的速度分布 ⊿u u=0 x
22
什么叫因次? 什么叫因次?
因次：是物理量（测量）单位的种类。 因次：是物理量（测量）单位的种类。 基本因次： 量的单位。 基本因次：这些基本量组成了所有物理 量的单位。如，在 流体力学中， [L]、[M]、[T]； 流体力学中， [L]、[M]、[T]； 导出因次：由基本因次经公式推导而出，称为导出量。 导出因次：由基本因次经公式推导而出，称为导出量。
26
§1.4 流体流动现象
三、湍流的脉动现象和时均化 构成质点在主运动之外还有附加的脉动。 构成质点在主运动之外还有附加的脉动。 即瞬时速度围绕某一平均值而上下波动。 即瞬时速度围绕某一平均值而上下波动。 质点的脉动是湍流运动的最基本特点。 质点的脉动是湍流运动的最基本特点。
时均化速度: 时均化速度:
1 T u = ∫ udt T 0
瞬时速度: 瞬时速度:

第 一 章 流体流动fluid flow

第 一 章 流体流动fluid flow

第一章流体流动fluid flow本章要点★ 学习流体力学原理的目的在于分析与解决化工生产中大量存在的流体流动问题，并为各单元操作的学习提供理论基础。

流体流动原理是物理力学对流体流动现象的应用和发展。

★ 与位能基准一样，静压强也有基准。

工程上常用绝对零压线和大气压线两种基准。

在同一计算中，应注意用统一的压强基准。

★ U形测压管或U形压差计的依据是流体静力学原理。

应用静力学的要点是正确选取等压面。

★连续性方程与机械能衡算方程是描述流体流动过程的基本方程，是分析与计算流体流动过程的基本工具，它们分别是质量守恒定律和热力学第一定律用于流体流动过程的结果。

1．物料衡算---连续性方程一维稳定流动的连续性方程使用条件：将流体视为由无数质点彼此紧靠着而构成的连续体，如果用于管内流动时，流体必须充满全管，不能有间断之处。

2．机械能衡算---柏努力方程流体在流动时要作功克服流动的阻力，其机械能有所消耗，消耗了的机械能转化为热，将流体的温度略为升高，既增加流体的内能。

使用条件：假设流体是不可压缩的；流动系统中无热交换器；流体温度不变；并且流体在某种程度上可视为没有阻力的理想流体。

★流体按其流动状态有层流与湍流两种流型，这是有本质区别的流动现象。

在流体流动、传热及传质过程的工程计算中，往往必须先确定之。

流型判断依据是Re的数值。

★流体在管路中的流动阻力损失包括直管摩擦阻力损失和局部摩擦阻力损失，这是两种有本质区别的阻力损失。

前者主要是表面摩擦，而后者主要是涡流造成的形体阻力损失。

3．管内流动的阻力损失计算直管摩擦损失-----范宁公式实际流体在流动过程中因克服内摩擦而消耗机械能，故衡算式中要增加损失项，才能使输入与输出平衡。

使用条件：范宁公式是计算管内摩擦损失的通用算式，适用于不可压缩流体的稳定流动，此公式对于层流和湍流都适用。

第一节概述1、流体—液体和气体的总称。

流体具有三个特点：①流动性，即抗剪抗张能力都很小。

化工原理流体流动1

化工原理流体流动1

真空度 = 大气压强 — 绝对压强(真空表度量)
某设备的表压强为100kPa，则它的绝对压强
为 kPa；另一设备的真空度为300mmHg，
则它的绝对压强为
为101.33 kPa）
。（当地大气压
答案：201.33 kPa ，460mmHg
【例1-1】天津和兰州的大气压强分别为101.33kPa，
和85.3kPa，苯乙烯真空精馏塔的塔顶要求维持5.3kPa
p A' p 2 gm 0 gR
p A p A'
p1 g (m R ) p2 gБайду номын сангаас 0 gR
p1 p2 ( 0 ) gR
在压力不太高，温度不太低时，也可用下式计算
pM m m RT
M m M A yA M B yB ... M n yn
y —摩尔分数
1.1.2 流体的黏度 (Fluid Viscosity)
流体的典型特征是具有流动性 粘性（ Viscosity）：和流动性形成对立，在运动状态 下，流体还具有的一种抗拒内在的向前运动的特性 流体不管在静止还是在流动状态下，都具有粘性， 但只有在流体流动时才能显示出来。随流体状态的
重点 着重讨论流体流动过程的基本原理及在管 内的流动规律，并应用这些原理和规律去分 析和解决流体的输送问题。
1.1.1 流体的密度(density)
流体的密度ρ：单位体积流体所具有的质量 单位 kg/m3
m V
当ΔV→0时，Δm/ΔV 的极限值称为流体内部的 某点密度 m lim V 对一定的流体，其密度是压力和温度的函数，即 f ( p, T )
i i i i
i 1 2

第一章 流体流动

第一章 流体流动

水平面的垂直距离分别为 Z1 和 Z2，以 p1 与 p2 分别表示高度为 Z1 及 Z2 处的压 力。
在垂直方向上作用于液柱的力有：
下底面所受之向上总压力为 p2A； 上底面所受之向下总压力为 p1A； 整个液柱之 G＝ρgA(Z1-Z2)。 在静止液体中，上述三力之合力应为零，即
p2A－p1A－ρgA(Z1-Z2)＝0 此式中向上的力用正号，向下的力用负号。化简并消去 A，得
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ比容
单位质量流体的体积，称为流体的比容，用符号 v 表示，单位为 m3/kg，则
v=V = 1 mρ
(1—7)
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第一章-§1
亦即流体的比容是密度的倒数。 例 1-1 已知硫酸与水的密度分别为 1830kg/m3 与 998kg/m3，试求含硫酸为
60%(质量)的硫酸水溶液，其密度为若干？
内蒙古农业大学食品科学与工程系《化工原理》课程讲稿 第一章-§1
的能量。该式可理解为对 1m3 流体而言，静压能和位能之和是一定的。 (5) 式(1—14)中各项的单位为 m，亦可写成 J／N，每项可视为 1N 重量流
体的能量。也可以视为将各能量得大小化为液柱高度。在工程上将 p 称为静压 ρg
头，z 称为位压头。该式表明，两种压头在静止流体中处处相等。 （6）上述各式是根据 由上式可知： 当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身
压缩的连续的单一流体。
(2)式(1—11)表明，处于重力场中的流体的静压 p 的大小与流体本身的密度
ρ和垂直位置有关，而与各点的水平位置无关。换句话说，在静止的连续的同
一液体中，处在同一水平位置上 的各点的压力都相等。

化工专业英语——单元操作

化工专业英语——单元操作

单元操作Unit operation单元操作是化学工业和其他过程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作的总称。

对这些操作的研究，是化学工程的一个重要分支。

各种单元操作依据不同的物理化学原理，应用相应的设备，达到各自的工艺目的。

如蒸馏根据液体混合物中各组分挥发能力的差异，可以实现液体混合物中各组分分离或某组分提纯的目的。

对单元操作的研究，以物理化学、传递过程和化工热力学为理论基础，着重研究实现各单元操作的过程和设备，故单元操作又称为化工过程及设备。

单元操作的应用遍及化工、冶金、能源、食品、轻工、核能和环境保护等部门，对这些部门生产的大型化和现代化起着重要作用。

Unit operation is a general term for a series of material handling, transportation, heating, cooling, mixing and separation of materials in the chemical industry and other process industries. The study of these operations is an important branch of chemical engineering. Various unit operations according to different physical and chemical principles, the application of the corresponding equipment, to achieve the purpose of their respective processes. Such as distillation according to the difference of the volatile capacity of the liquid mixture, can achieve the purpose of separation of components in liquid mixture or a group of purification. Based on the theory of physical chemistry, transfer process and chemicalthermodynamics, the research on the operation of the unit has focused on the process and equipment of realizing the operation of each unit, so the unit operation is also called the chemical process and equipment. Application of unit operation in chemical industry, metallurgy, energy, food, light industry, nuclear energy and environmental protection departments, the production of these departments and the modernization of large-scale play an important role.单元操作沿革Unit operation evolution单元操作在化学工业的发展过程中，人们最初以具体产品为对象，分别进行各种产品的生产过程和设备的研究。

FLUID FLOW化工原理英文 单元操作 流体

FLUID FLOW化工原理英文 单元操作 流体

Total Friction in the Bernoulli equation
Metering of fluid use bernoulli eqution :
Ptiot tube :
p1 p1
p2
p1
So
Orifice meter:
p
1
2
d0
&
d
Rotameter meter:
2
2 m 1
2 m 2
Dividing the equation by qm，gives
u p1 u p2 gz1 H e gz2 hf 2 2
2 1
2 2
Skin friction and form friction
• Friction generated in unseparated boundary layers is called skin friction • When boundary layers separate and form wakes, additional energy dissipation appears within the wake, and friction of this type is called form friction.
FLUID-FLOW FRICTION
Friction of Straight Pipe: We get:
u
p1
1
d
2
p2
x
l
Because of the balance the direction of X :

then :
Make
be the factor of friction:

天大化工原理-英文版课件-Chapter 3-11流体流动现象


Quicksand 流 沙 and some sand-filled emulsions乳状液
32
3. Time-dependent flow
• Thixotropic（触变性） liquids break down under continued shear and on mixing give lower shear stress for a given shear rate; that is, their apparent viscosity decreases with time.
18
2. Laminar flow层流
• At low velocities fluids tend to flow without lateral mixing, and adjacent layers slide past one another as playing cards do. There are neither cross-currents nor eddies. This regime is called laminar flow. (p45)
2
3.1 INTRODUCTION
• • • • 1. Ideal fluid and actual fluid(viscous fluid ) 2. Potential flow 势流 3. Viscous flow 粘性流 4. Velocity field 速度场
3
1. Ideal fluid and actual fluid(viscous fluid )
6
2. Potential flow(or irrotational flow) 势流(或无漩流)
• (1) Neither circulations nor eddies can form within the stream, so that potential flow is also called irrotational flow; • (2) friction cannot develop, so that there is no dissipation of mechanical energy into heat. •理想流体的无漩流动

化工原理英文教材流动伯努利方程Measurement of flowing fluids


ub2
ua2
2
pa
pb
（8-31）
The continuity relation can be written, since the
density is constant, as
2
ua
da db
ub 2ub
（8-32）
ua is estimated from Eq(8-31) and Eq(8-32)
ub
1
1 4
2 pa pb
（8-33）
Venturi coefficient
Eq(8-33) applies strictly to the frictionless flow of non-compressible fluids. To account for the small friction loss between locations a and b, Eq(8-33) is corrected by introducing an empirical factor Cv and writing
The annular chamber and the small holes have the function of averaging individual pressure, it is called piezometer ring.
The average pressure is transmitted through the upstream pressure connection.
ub
Cv
1 4
2 pa （pb8-34）
When db is less than da/4, the approach velocity and the term β can be neglected, since the error is less than 0.2 percent.

第三节流体的流动现象

第三节流体的流动现象Fluid-flow Phenomena化工生产中的许多过程都与流体的流动现象密切相关，流动现象是个极为复杂的问题，涉及面广，本节只作简要的介绍。

3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律流体具有两个特性：（1）流动性：即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。

（2）粘性：即在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，粘性是流动性的反面。

以水在管内流动时为例，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点附于管壁上，其速度为零，其他流体在管内流动时也有类似的规律。

所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动，如图1-10所示。

由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动，速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向前运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等，方向相反的力，从而阻碍较快的流体层向前运动。

这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，所以又称为粘滞力或粘性摩擦力。

流体在流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。

流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关?可通过下面情况加以说明。

如图1-11所示，设有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满了某种液体。

若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以恒定的速度u沿x方向运动。

图10流体在圆管内分层流动示意图此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动?粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板而运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零。

实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层的速度差Δu成正比，与两层之间的垂直距离Δy 成反比；与两层间的接触面积S 成正比，，即：S yu F ∆∆∝ 若把上式写成等式，就需引进—个比例系数μ即：S yu F ∆∆=μ 式中的内摩擦力F 与作用面S 平行。

化工原理第一章 流体流动-学习要点


1.3 流体动力学 ( Fluid dynamics )
1.3.3 伯努利方程 ( Bernoulli equation ) 机械能的形式
位能: 流体在重力场中， 位能: 流体在重力场中，相对于基准水平面所具有的能量 动能: 动能: 流体由于流动所具有的能量 静压能：流体由于克服静压强流动所具有的能量 静压能： 能量损失： 能量损失：流体克服流动阻力损失的机械能 外加功：流体输送机械向流体传递的能量 外加功：
ε r :=
1
2ε 18.7 ) = 1.74 − 2 ⋅ lg( + d Re λ λ
Re :=
−3
0.005 × 10
−3
ε r = 2.857 × 10
1.1 流体性质 ( Properties of fluid )
1.1.2 压强 ( pressure )
表 压=绝对压力-大气压力 绝对压力真空度= 真空度=-表压强 真空度=大气压力真空度=大气压力-绝对压力 压强表：读数为表压强， 压强表：读数为表压强，用于被测体系绝对压强高于环境 大气压 真空表：读数为真空度， 真空表：读数为真空度，用于被测体系绝对压强低于环境 大气压 说明：(1)表压于当地大气压强有关 说明：(1)表压于当地大气压强有关 (2)绝压、表压、真空度， (2)绝压、表压、真空度，一定要标注 绝压 (3)压力相除运算时， (3)压力相除运算时，一定要用绝压 压力相除运算时 压力加减运算时，都可以，但要统一并注明 压力加减运算时，都可以，
1.4 流体流动现象 ( Fluid-flow phenomena )
1.4.1 流动类型 (The types of fluid flow)
Re = duρ
µ
Reynolds number is a dimensionless group .
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Bingham plastic
The rheological behavior of liquids called non-Newtonian.
o
du/dy
Figure 3 Shear stress versus velocity gradient for non-Newtonian fluids.
turbulent flow: The fluid moves erratically in form of crosscurrents and eddies.
Gas :
kinematic viscosities increase more rapidly with temperature than does the absolute viscosity.
Turbulence
It has long been known that a fluid can flow through a pipe or conduit in two different ways:
One-dimensional flow
Velocity is a vector, but only one velocity component is required. This simple situation is called Onedimensional flow.
Example: steady flow through straight pipe.
The assumptions of steady one-dimensional flow is the basis of following discussion. All we will talk about in this course belong to one dimensional steady flow
Gases and most liquids are Newtonian fluids
non-Newtonian fluids
plots of shear stress vs.
rate of shear are not
a straight line passing through the origin.
Gases
viscosities increase with temperature, but almost independent of pressure . (If at very high pressure the viscosities of gases increase with pressure. )
F
A
The relationships between the shear stress and shear rate in real fluids.
Bingham plastic
Pseudo-plastic
Newtonian
Dilatanthe curves are plots of shear stress vs. rate of shear
Viscosities of gases and liquids
The viscosity of Newtonian fluid depends primarily on the temperature and molecular structure and minor on pressure, except at very high pressures.
pseudo-plastic fluid and dilatant
The curve for pseudo-
plastic fluid passes
through the origin, is concave downward at low shear.
Pseudo-plastic Dilatant
Velocity gradient and rate of shear
Consider the steady one-dimensional laminar flow along a solid plane surface. Figure 3.1a shows the velocity profile for such a stream.
The curve for dilatant fluid passes through the origin, is concave upward at low shear.
o
du/dy
Figure 4 Shear stress versus velocity gradient for non-Newtonian fluids.
化工原理 Principles of Chemical Industry
Fluid-flow phenomena
Ideal fluid
which has zero viscosity. Without friction or resistance when fluid flows through the channel.
Laminar flow & turbulent flow
laminar flow: The fluid flows in parallel straight lines, without lateral mixing,
and there are neither cross-currents and eddies.
du/dy
Figure 2 Shear stress versus velocity gradient
For Newtonian
Newtonian fluid
the shear stress is proportional to the rate
du
dy
shear
(the proportionality constant μ is called the viscosity)
1)At low flow rates the pressure drop in the fluid increases directly with the fluid velocity.
2)At high rates it increases much more rapidly, roughly as the square of the velocity.
(2) friction cannot develop, so that there is no dissipation of mechanical energy into heat.
Potential flow can exist at distances not far from a solid boundary.
y
0
du/dy
Fig.3.1 b
The shear stress
In one-dimensional flow the shear force acts parallel to the plane of the shear.
The force per unit area of the shear plane is called the shear stress and denoted by τ
Kinematic viscosity(μ /ρ )
The ratio of the absolute viscosity to the density of a fluid, μ /ρ, is called kinematic viscosity.
Liquid:
kinematic viscosities vary with temperature over a narrower range than absolute viscosities.
Newtonian fluids
The simplest behavior is
a straight line passing through the origin.
Newtonian
Fluids following this
simple linearity are
called Newtonian fluids. o
Boundary layer
The effect of the solid boundary on the flow is confined to a layer of the fluid immediately adjacent to the solid wall, except for fluids moving at low velocities or pressing high viscosities.
Shear rate and shear forces are confined to this part of the fluid. Outside the boundary layer, potential flow survives.
The velocity field
If the wall is at rest in the reference frame, the velocity of the fluid at the interface is zero, but there’re variations in velocity from point to point in the flowing stream at distances away from the solid .
Liquids
the viscosities of liquids increase with molecular weight and decrease significantly when the temperature rises, but just have significant effects at pressure more than 40 atm.