流体流动与传热学习指导书

绪 论

知识点聚焦

单元操作——指在化工生产过程中普遍使用的、遵循一定的物理学定律、所用设备相似、具有类似作用的物理操作，简称单元操作。引入单元操作概念可以将化工生产过程分成单元操作过程与化学反应过程两部分研究，从而缩短化工产品的研发周期。

三传——包括：动量传递、热量传递和质量传递。流体输送、过滤等在外力作用下进行的单元操作过程，由牛顿第二定律可知是涉及动量传递的过程；对象加热、汽化、冷却、冷凝等单元操作过程属于因温度差导致的热量传递过程；对于吸收、蒸馏、萃取、吸附等单元操作属于因浓度差导致的相际质量传递过程。 “三传”过程往往是同时进行并相互影响，如水的蒸发过程涉及传热与传质过程。

三传类似性——“三传”之间存在一定的类似性，如过程进行的方向都是从高（动量、能量、温度、浓度）到低；三传过程的阻力均集中于某一区域；过程速率均可表达为过程推动力除以阻力的形式等等。

单位与单位制——单位是衡量物理量的大小的依据，有基本单位和导出单位之分。基本单位与导出单位的集合则称为单位制（度）。由于不同时期对研究的需要和出发点的不同，先后有不同的单位制。由于国际单位制（SI）有“通用性”与“一贯性”两大优点，所以我国目前使用的法定单位制是以国际单位制为基础并结合国情增添了必要的辅助单位及词冠而构成的。

流体——具有流动性质的物体，包括气体和液体。液体的密度随压强的变化可忽略，故称为不可压缩流体；气体的密度随压强有明显的变化，故称为可压缩流体。无流动阻力的流体称为理想流体；满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体；实际流体多为非牛顿型流体。

系统——工程上指研究的对象，是指定研究的某个区域范围。

稳定流动系统与不稳定流动系统的概念——稳定流动系统又称定态或定常流动系统，是指流动系统中各物理量的大小仅随位置变化的系统，也即在指定截面上物理量的值恒为常数的流动系统。若流动系统中各物理量不仅随位置变化且随时间变化的，则称为不稳定流动系统，又称非定态或非定常流动系统。对连续生产系统，在正常操作状况下可视为稳定流动系统；在生产的开、停车及事故恢复阶段为不稳定流动系统。

稳定流动系统的连续性——欲使流动系统中指定截面上的物理量均为常数，系统中必须充满流体、无空隙。用数学语言描述就是系统中的流体质点处于连续状态。对此特性则称为稳定流动系统的连续性。

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稳定流动系统的守恒性——包括质量守恒与能量守恒（在特定条件下还可以转化为热量守恒），即输入、输出系统的质量或能量相等。

平衡——平衡状态是过程可能到达的极限，且随过程条件的变化而变化（如溶解度随温度的变化而变化等），故称为“动（态）平衡”。

过程速率——指过程进行的速度，如热量传递的速度、质量传递的速度等。对任意过程的速率，大小总是和过程推动力成正比而与过程的阻力成反比，也即，过程速率的计算通式类似于欧姆定律。

实验关联法——是获得经验公式的主要手段。当某个物理参数的影响因素较多，无法用逻辑演绎的方法得到它的计算关系式时，可以先对该物理参数的影响因素作出定性分析，然后在固定其它影响因素的前提下，用实验方法测出该物理参数与某个影响因素间的关系，并将所测出的关系通过特定的坐标绘成曲线，最后利用所得曲线建立数学模型，以获得该物理参数与某影响因素间的数学关系。余此类推，逐一获得该物理参数与各影响因素间的数学关系，最后通过实验校正，从而获得该物理参数的计算关系式。此法则称为实验关联法，所得的公式称为经验关联式或经验公式。

准数——又称特征数，是指由若干物理量构成的无单位（因次）代数式。 计算公式浓缩

稳定流动系统的物料衡算式——连续性方程：

nmm,i1、一般式

n?qi?1??qj?1m,j

m式中：?qm,i为单位时间内输入系统物料量之和，kg/s；?qm,j为单位时间

i?1j?1内输出系统物料量之和，kg/s。 2、对无分支系统 3、对不可压缩流体 4、不可压缩流体在圆管中流动 稳定流动系统的能量守恒：

nmiqm,1=qmqV,1=qVu1?d2????u2?d1? , ,2

1、一般式

n?Ei?1??Ej?1j

m式中：?Ei为单位时间内输入系统的能量之和，J/s或W；?Ej为单位时间

i?1j?1内输出系统的能量之和，J/s或W。

nm2、当系统除热量以外不涉及其它能量转化时

?Qi??Qj

i?1j?1 2

式中：?Qi为单位时间内输入系统的热量之和，J/s或W；?Qj为单位时间

i?1nmj?1内输出系统的热量之和，J/s或W。

3、对可近似为恒压的传热设备，在不涉及其它能量转化时

nmi邋Hi=1n=j=1Hj

mj?1式中：?Hi为单位时间内输入系统的热焓之和，J/s或W；?Hj为单位时

i?1间内输出系统的热焓之和，J/s或W。 过程速率计算通式 过程速率＝

过程推动力过程阻力

第一章 流体力学

第一节 流体的基本物性

知识点聚焦

密度、相对密度和比容——单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。相对密度又称比重，系指流体的密度与277K水的密度比，可用比重计实测，流体的相对密度与密度之间的关系为1/1000。比容又称比体积或质量体积，在数值上等于密度的倒数。

流体静压强的定义与特性——流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压力强度，简称静压强。流体静压强的两个特性：1、作用方向总是和作用面相垂直，并指向所考虑的那部分流体的内部；2、任意一点的静压强在各个方向上大小相等。

绝对零压强绝对压强、表压强及真空度——流体的静压强是一个相对量，计算确定需要规定基准，用人为规定的压强为0的状态称为绝对零压强，以绝对零压强为起点计量的压强称为绝对压强。工程上为便于计算和测量，常以大气压为基准，规定：系统压强高于大气压强的部分称为表压强，简称表压；系统压强低于大气压强的部分称为真空度。相应上述两种场合下的测压表分别称为压力表和真空表。

流量与流速——单位时间内通过流道有效截面的流体量称为流量；单位时间内通过单位有效流道截面的流体量称为流速。由于对流体量的衡量通常用体积或质量，因此，流量和流速都有用体积及质量分别计量的两种。此外，由流速的定义可知，此处的体积流速实际为流动截面上点流速的平均值。

内摩擦——系指流体在运动过程中质点间的相互约束作用。内摩擦是形成流动阻力的主要原因之一。

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粘度的概念——粘度是反映流体粘性大小的物理量，从某种程度上也反映流体的内摩擦性能，有（动力）粘度和运动粘度两种。（动力）粘度也是牛顿粘性 定律????dudy中的系数，因大小与流体的粘性有关故称为粘度。对满足牛顿粘

性定律的流体称为牛顿型流体。 计算公式浓缩 密度计算公式：

1、密度、相对密度与比容间的换算

ρ（密度）=1000×d2T77（相对密度） （v比容）?2、混合液的密度

1n1?

?L??i?1xw,i?L,i

式中：xw,i——混合液中i组分的质量分率；?L,i——混合液中i组分的密度，kg/m3。

公式应用前提：混合液体中各组分间无氢键及缔合作用。 3、气体的密度 ?V?mV?pMRT

n式中：p——气体的压强，kPa；R——气体通用常数，R=8.314 kJ/(kmol·K)；T——气体的温度，K； M——气体的千摩尔质量，对混合气体M?kg/kmol；。

绝对压强、表压强及真空度之间的换算：

表压强＝绝对压强 — 大气压强

真空度＝大气压强 — 绝对压强= —表压强 流量与流速换算：

qm（质量流量）=ρqv（体积流量）

G（质量流速）=qmA=qVrA=r（u体积流速）?i?1yi?Mi，

公式应用前提：气体的压强不太高、温度不太低，可近似为理想气体。

混合物的粘度：

n1、常压气体混合物的粘度 ?G??i?1yi??i?Mn1/2i

yi?Mi1/2?i?1式中：yi——气体混合物中i组分的摩尔分数；μi——相同温度下纯i组分的粘度Pa·s；Mi——i组分的摩尔质量kg/kmol。

n2、液体混合物的粘度 lg?L?度Pa·s。

?xi?1i?l?g i式中：xi——液体混合物中i组分的摩尔分数；μi——相同温度下纯i组分的粘

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公式应用前提：液体混合物中各组分之间无氢键及缔合作用。 相关习题解答

1-1已知丙酮的比重为0.81，试求其密度和比容。（810，1.23?10?3） 【解】根据题意丙酮的密度:

??d277K?1000?0.81?1000?810kg/m

11?33 丙酮的比容: ????1.23?10m/kg

?810T31-2 293K下苯-甲苯混合液，已知苯的质量分率为0.4，试求其密度。（872kg/m3） 【解】查表知，在293K下，苯密度?苯?879kg/m3，甲苯密度?甲苯?867kg/m3

由

1n?L??i?1xw,i?L,i?0.4879?0.6867?1.15?10?3m/kg

3 则 ?L?872kg/m3

1-3 已知汽油、煤油、柴油的密度分别为700kg/m3、760kg/m3和900kg/m3，若三种油品混合物中汽油、煤油、柴油的质量百分数分别为20％、30％和50%，求此混合液的密度。（809kg/m3） 【解】由

1?Ln??i?1xw,i?L,i?0.2700?0.3760?0.5900?1.24?10?3m/kg

3 得 ?L?809kg/m3

1-4 试估算CO2在360K和4MPa时的密度和比容。（58.8kg/m3，0.017m3/kg）

【解】根据题意

密度 ρ?pMRT1比容 ???8.314?36013?0.017m/kg 58.8?4?10?443?58.8kg/m

3?1-5 试估算含氮的体积百分率为25%的氮、氢混合气体在400K和600MPa下的密度。（1530kg/m3）

【解】根据题意

nM??yi?1i?Mi?0.25?28?0.75?2?8.5kg/m3

ρ?pMRT?600?10?8.58.314?4003?1530kg/m

31-6 某生产设备上真空表的读数为100mmHg，试计算设备内的绝对压强与表压强各为若干kPa；已知该地区大气压力为760mmHg。（115kPa，-13.3 kPa） 【解】真空度 = 大气压 — 绝对压强=—表压强

故 绝对压强=760mmHg-100mmHg=660mmHg=115kPa 表压强=-100mmHg=-13.3kPa

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