化工流体流动与传热

17．如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m，水从φ108 mm×4 mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（1）A-A'截面处水的平均流速；（2）水的

流量（m3/h）。

解：（1）A- A'截面处水的平均流速

在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得

p12p22 gz1?1ub1?1?gz2?ub2???hf 2?2?（1）

式中 z1=7 m，ub1～0，p1=0（表压） z2=1.5 m，p2=0（表压），ub2 =5.5 u2 代入式（1）得

22 9.81?7?9.81?1.5?1ub2?5.5ub22 ub?3.0ms

（2）水的流量（以m3/h计）

3.142??0.018?2?0.004??0.02355m3s?84.78m3h 418. 20℃ 水以2.5m/s的流速流经φ38×2.5mm的水平管，此管以锥形管和另一φ53×3m的

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

绪论化工原理课程是化工、制药、生物、环境、 过程控制与装备的一门主干课程，是综合运用 数学、物理、化学、计算技术等基础知识，分 析和解决化工类型生产过程中各种物理操作问 题的技术基础课。 学习绪论，掌握五个方面的内容。

一、化工生产过程与单元操作 二、化工原理课程的研究方法 三、化工原理课程学习的要求 四、化工原理课程的五个重要基本概念 五、化工常用量和单位

一、化工生产过程与单元操作化工生产过程： 用化工的手段将原料加工成产品的生产过程，称为化工生产过程。 化 工产品成千上万，每种产品均有它自己特定的生产过程。由于原料、 产品的多样性及生产过程的复杂性，形成了数以万计的化工生产工艺。

例如：乙炔法制取聚氯乙烯的生产是以乙炔和氯化氢为原料进行加成 反应以制取氯乙烯单体，然后单体在0.8MPa、55℃左右进行聚合反应 获得聚氯乙烯。聚氯乙烯的工艺流程图见图1。

HCL 单 体 合 成加 入 成 分 ( (含有少量杂质 ( 水

碱液

全凝器 氯乙烯(CH2=CHCL)

H2O C2H2(g)含有少量杂质 反应釜 水 液体 压缩冷凝水洗

碱洗(除未反应的 HCL) 精馏塔

杂质

产品

(聚氯乙烯)

高压聚合

聚氯乙烯化工生产过程流程示意图干燥

(聚氯乙烯)

(1)化工生产过程的

绪论化工原理课程是化工、制药、生物、环境、 过程控制与装备的一门主干课程，是综合运用 数学、物理、化学、计算技术等基础知识，分 析和解决化工类型生产过程中各种物理操作问 题的技术基础课。 学习绪论，掌握五个方面的内容。

一、化工生产过程与单元操作 二、化工原理课程的研究方法 三、化工原理课程学习的要求 四、化工原理课程的五个重要基本概念 五、化工常用量和单位

一、化工生产过程与单元操作化工生产过程： 用化工的手段将原料加工成产品的生产过程，称为化工生产过程。 化 工产品成千上万，每种产品均有它自己特定的生产过程。由于原料、 产品的多样性及生产过程的复杂性，形成了数以万计的化工生产工艺。

例如：乙炔法制取聚氯乙烯的生产是以乙炔和氯化氢为原料进行加成 反应以制取氯乙烯单体，然后单体在0.8MPa、55℃左右进行聚合反应 获得聚氯乙烯。聚氯乙烯的工艺流程图见图1。

HCL 单 体 合 成加 入 成 分 ( (含有少量杂质 ( 水

碱液

全凝器 氯乙烯(CH2=CHCL)

H2O C2H2(g)含有少量杂质 反应釜 水 液体 压缩冷凝水洗

碱洗(除未反应的 HCL) 精馏塔

杂质

产品

(聚氯乙烯)

高压聚合

聚氯乙烯化工生产过程流程示意图干燥

(聚氯乙烯)

(1)化工生产过程的

流体流动 一、填空题：

1.牛顿粘性定律用内摩擦力的表达式为_____________. 用剪应力的表达式为____________. 答案：F=μAdu/dy; τ=μdu/dy

2.当地大气压为750mmHg时,测得某体系的表压为50mmHg,则该体系的绝对压强为_________mmHg, 真空度为_______mmHg. 答案： 800; -50

3.计算流体局部阻力损失的方法有:_______________,_________________,其相应的阻力损失计算公式为_______________,____________________。答案：当量长度法; 阻力系数法;

22

hf =λ(le/d)(u/2g); hf =ζ(u/2g) ;

4.理想流体是指________________________________；而实际流体是指___________________________。 答案：没有粘性、没有摩擦阻力、液体不可压缩；具有粘性、有摩擦力、液体可压缩、受热膨胀、消耗

能量。

5.牛顿粘性定律表达式为__________

pB pA z1 B A z2 pa ? ? C R 2 H 2? 例1-1 静力学方程应用

如图所示，三个容器A、B、C内均装有水，容器C敞口。密闭容器A、B间的液面高度差为z1=1m，容器B、C间的液面高度差为z2=2m，两U形管下部液体均为水银，其密度?0=13600kg/m3，高度差分别为R=0.2m，H=0.1m，试求容器A、B上方压力表读数pA、pB的大小。 解 如图所示，选取面1-1?、2-2?，显然面1-1?、

?，p2?p2?。 2-2?均为等压面，即p1?p1

再根据静力学原理，得：

1 1? pB??g?z2?H??pa??0gH

?0 于是 pB?pa??0gH??g?z2?H?

1 流体流动

1.1 教学基本要求

本章应掌握的内容：

（1）流体及相应的基本概念；

（2）流体静力学的基本原理及应用； （3）流体动力学的基本原理及应用；

（4）流体流动阻力的相关概念、基本原理及应用； （5）流体流量的测量原理及设备。

（6）液体输送机械的结构特点、工作原理、性能参数、操作、选型及典型设备间的区别，重点掌握离心泵及往复泵；

（7）典型气体输送机械的结构特点、工作原理和操作性能。

1.2 重点内容概要

1.2.1流体及其主要物理性质 1.2.1.1 连续介质假定

气体和液体具有易变形的特征，表现出流动性。气体和液体统称为流体。 液体可视为不可压缩性流体；气体可视为可压缩性流体。

在流体流动的研究中，常将流体视为由无数流体微团（或流体质点）组成的连续介质。这些质点一个紧挨着一个，质点间无空隙，即可认为流体充满其占据的空间，从而可以摆脱复杂的分子运动，从宏观的角度来研究流体在外力作用下的机械运动规律。

1.2.1.2 流体的物理性质 （1）流体的密度

m①定义： ?? kg/m3 （1-1）

V②影响因素： ρ= f (T,P）

对液体：密度随压力变化

1.7 管路计算1.7.1 概述一、管路计算内容和基本关系式

管路计算的目的是确定流量、管径和能量之间的关系。管路计算包括两种类型，即: 设计型计算 是给定输送任务，设计经济合理的输 送管路系统，其核心是管径。该类计算为定解问题，

存在参数优化选择。 操作型计算 是对一定的管路系统求流量或对规定的输送流量计算所需能量。

管路计算基本关系式：连续性方程，柏努力方程(包 括静力学方程)及能量损失计算式(含λ的确定) 由于某些变量间较复杂的非线性关系，除能量计算外， 一般需试差计算或迭代方法求解

二、管路分类1.按管路布局可分为简单管路与复杂管路(包括并 联管路和分支管路)的计算 2.按计算目的有三种命题： ①已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输 送量，求流体通过管路系统的能量损失，以便进一 步确定输送设备所加入的外功、设备内的压强或设 备间的相对位置等。这一类计算比较容易。

②已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量 损失，求流体的流速或流量。 ③已知管长、管件或阀门的当量长度、流体的流量及

允许的能量损失，求管径。后两种情况都存在着共同性问题，即流速u或管径d 为未知，因此不能计算Re值，则无法判断流体的流型， 所以亦不能确定摩擦系数λ。 在这种

第一章 流体流动习题答案

第一章 流体流动 1．若将90kg相对密度为0.83的油品与60kg相对密度为0.71的油品混合，试求混合油的密度。 解：?m?90?60?777(kg/m3)

9060?8307102．试计算空气在-40℃和41kPa(真空度)下的密度和重度，大气压力为1.013×105Pa。

pM(1.013?105?41?103)?29解：????0.902kg/m3 RT8314?(273.15?40) ??0.902?9.81?8.85N/m3?0.902kgf/m3 3．燃烧重油所得的燃料气，经分析测知其中含生8.5%CO2，7.5％02，76％N2，8%H20(均系体积百分率)。试求温度为500℃，压力为1.013×105Pa时，该混合气体的密度。 解：?CO2?pM101300?44??0.693kg/m3 RT8314?(273.15?500)pM101300?32??0.504kg/m3 RT8314?(273.15?500)pM101300?28??0.441kg/m3 RT8314?(273.15?500)pM101300?18??0.284kg/m3 RT8314?(273.15?500)?O?2?N

流体流动

【当前章节】流体流动内部结构【当前难度】1

1、 如下各物理量中，与压强有关的有几个（B） ①压强不太高时气体的黏度；②压强不太高时气体的运动黏度③压强不太高时气体的流速；④压强不太高时气体的质量流速 A.1 B.2 C.3 D.4 2、流体在管内流动时，如下有几项会使层流内层增厚？（B）* ①流体黏度变小；②流体流速减小；③如为液体，升高其温度；④如为气体，升高其温度 A.1 B.2 C.3 D.4

3、如下关于定态流动和非定态流动的说法，正确的是（B ） A.定态流动时，流体内各处的流动参数（）均相同

B.定态流动时，流体内各处的流动参数（）均不随时间而变化 C.非定态流动时，流体内各处的流动参数都不相同 D.非定态流动时，流体流量随时间的推移而减小

4、管内流体流动时，如下哪一项不利于形成湍流（B） A.增大管径 B.减小流体密度 C.增加流体流量 D.减小流体粘度 5、

针对圆管内的流体流动，关于层流与湍流的区别，如下表述中正确的是（C ）* A.剪应力沿径向分布的数学规律不同

B.湍流时不存在由于分子热运动而造成的动量传递，而层流时存在

C.同种流体在同样的速度梯度下，湍流剪应力大于层流

D.湍流时流体所有的质点