化工原理第一章流体流动思维导图

化工原理第一章流体流动思维导图：管路计算：n个简单管路在入口端A和出口端B都汇合在一起的管路为并联管路。

第一章 流体流动

• 流体在管内的流动阻力
  • 总能量损失
  • 直管阻力
    • 直管阻力计算公式
    • 圆管阻力通式
    • 绝对粗糙度ε，相对粗糙度ε/d
      • 层流与湍流
        • (1) Re<2 000为层流: 阻力次方区 (2)Re>4000为湍流;Re增大，λ减小，Re固定，ε/d增大，λ增大 (3) Re在2000~4 000范围内，过渡区 条件不同，λ不同，可能是层流,亦可能是湍流。外界条件变化，如管道直径或方向的改变、外来的轻微振动，易促使过渡状态下的层流变为湍流。 （4）完全湍流 阻力平方区 ε/d越大，越容易达到阻力平方区
        • 层流
          • 与ε/d无关
        • 湍流
          • λ=f(Re) e＜δb
        • 过度湍流区
          • λ=f(Re,ε/d) e＞δb
        • 完全湍流
          • λ=f(ε/d) 与Re无关 e≈δb
    • 光滑管
    • 非圆管
  • 局部阻力
    • 阻力系数法
      • 突然扩大或缩小，u以小管流速为准
      • 进口与出口
        • 进口 容器→管 大A1,小A2 A2/A1=0 ξ=0.5
        • 出口 管→容器 小A1,大A2 A1/A2=0 ξ=1
    • 当量长度法
• 管路计算
  • 简单管路
    • 简单管路是由等径或异径管段串联组成的管路。流体通过各管段的流量相等，总阻力等于各管段阻力相加。简单管路的计算公式
    • 连续性方程
    • 机械能衡算方程
    • 阻力系数方程
  • 并联管路
    • n个简单管路在入口端A和出口端B都汇合在一起的管路为并联管路。
    • (1)主管中的流量Vs。等于各支管流量Vs,i.(i= 1,2..n)之和
    • (2)各支管的机械能损失相等
  • 分支管路
    • n个简单管路仅于入口端汇合，这样的管路为分支管路。
    • (1)主管流量Vs,等于各支管流量Vs,i(i= .2.,.n)之和
    • (2)单位质量流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等
  • 可压缩流体管路的计算
    • 如果压力降较小(Δp/p1<20%),右侧表示动能变化的第一项可以忽略
• 流量测量
  • 皮托管
    • 测速管的读数R与被测点的速度uτ的关系为
      • 式中C为校正系数,C=0. 98~1.00。应注意，测速管测定的流速是管道截面上某点的 局部值(点速度)。对于圆管，可测出管中心点的速度umax，然后根据umax 与平均流速u的关系将u求出。
  • 孔板流量计
    • 孔板流量计的读数R与体积流量Vs,的关系为
      • 式中C0为流量系数,其值与Re、面积比A0/A1及取压法有关,需由实验测定。
  • 文丘里流量计
    • • 式中p1-p0为上游截面与喉管截面之间的压力差;Cv为文丘里流量计的流量系数,其值由实验测定，一般为0. 98~0.99。
  • 转子流量计
    • • Vs为转子的体积;P:为转子的密度;A:为转子的最大截面积:ρ为被测流体的密度;AR为转子与玻璃管之间环隙的截面积;CR为转子流量计的流量系数,其值与Re及转子形状有关，需 由实验测定。
• 流体流动基本方程
  • 管路系统定态流动的连续性方程
    • 注意：(1)流体在控制体内的流动必须是连续的， 即流体连续不断地从上游截面1流人，从下游截面2流出。 (2)对于定态流动系统，当流量一 定,管路任一 截面上流体的平均流速仅与该截面的面积及该处流体的密度有关，而与管路上是否装有管件、阀门及输送机械无关。
    • 不可压缩流体
    • 圆形管道
  • 管路系统定态流动的机械能衡算方程
    • 定态、不可压缩粘性流体的机械能方程
      • 1kg流体为基准
      • 流体静止时转换为流体静力学方程
    • 机械能衡算分析
      • 适用条件：不可压缩流体，定态连续流动
      • 理想流体机械能守恒方程
      • 输送机械有效功率
      • 1N流体为基准
      • 1m³流体为基准
    • 机械能衡算方程的应用
• 流体流动
  • 流动体系分类
    • 定态流动与非定态流动
      • 定态流动
        • 流体流速等物理量仅随位置变化而不随时间改变
      • 非定态流动
        • 流体流速等物理量随位置变化也随时间改变
    • 一维与多维流动
      • 一维流动
        • 流速等物理量只依赖于一个曲线坐标
      • 二维流动
        • 流速等物理量依赖于两个曲线坐标
      • 三维流动
        • 流速等物理量依赖于三个曲线坐标
    • 绕流与封闭管道内的流动
      • 绕流
        • 绕流指流体绕过一个浸没物体的流动，故也称为外部流动。
      • 封闭管道内流动
        • 流动是流体在封闭管道
  • 流量与平均流速
    • 体积流量和质量流量
      • 体积流量
        • 单位时间内流过任-流通截面的流体体积称为体积流量或体积流率，以Vs表示,m³/s。
      • 质量流量
        • 单位时间内流过任-截面的流体质量称为质量流量或质量流率，以ws,表示,kg/s
      • 体积流量与质量流量的关系
        • ws=ρVs
    • 平均流速与质量平均流速
      • 平均流速
        • 输送管为圆管平均流速
      • 质量平均流速
        • kg/（m².s)
  • 流动形态与雷诺数
    • 流动形态与雷诺数
      • 流动形态
        • 层流
        • 湍流
      • 雷诺数
        • 公式
          • Re=dρu/p
        • 物理意义：雷诺数的物理意义:流体流动的惯性力与黏性力之比
      • 二者关系
        • (1) Re<2 000为层流: (2)Re>4000为湍流; (3) Re在2000~4 000范围内，可能是层流,亦可能是湍流。外界条件变化，如管道直径或方向的改变、外来的轻微振动，易促使过渡状态下的层流变为湍流。
    • 当量直径
  • 流体的动量传递现象
    • 层流
      • 流体在圆管速度分布
        • 速度分布
        • 管中心最大流速
        • 管内平均流速
    • 湍流
      • 流体在圆管速度分布
        • 光滑圆管半经验公式
          • 管内平均流速
        • 经验公式
          • 管内平均流速
    • 边界层与形体阻力
      • 边界层
        • 对于高雷诺数的流动，速度梯度(即剪应力)集中在壁面附近。将壁面附近这一速度梯度较大的薄层流体称为速度边界层，而远离壁面的速度变化很小，可视为理想流体。
      • 边界层分离
        • 当流体流经具有较大曲率的壁面时，在逆压梯度和壁面附近的黏性摩擦的双重作用下,会出现边界层与固体壁面相脱离的现象。
      • 边界层分离必要条件
        • 流体具有黏性和流动过程中存在逆压梯度。
      • 形体阻力
        • 当流体流经具有较大曲率的壁面时，在逆压梯度和壁面附近的黏性摩擦的双重作用下,会出现边界层与固体壁面相脱离的现象。边界层内的流体会倒流并产生旋涡，导致流体的能量损失。它是黏性流体流动时能量损失的重要原因之一，称为形体曳力(局部阻力)
• 流体静力学
  • 静压力定义及特性
    • 静压力的定义
      • 作用于静止流体上的法向应力称为流体的静压强,习惯上称为压力，以p表示。压力的方向与法向应力的方向相反。
    • p的重要性质
      • 流体的静压力处处与其作用面垂直，且总是指向流体的作用面:流体中任点静压 力的大小与所选择的作用面在空间的方位无关，即压力为-标量。
    • 压力的单位
      • N/m2或Pa ,atm(标准大气压)，流体柱高度如mH;O.mmHg等(注意须注明流体种类)，bar(巴)或kgf/cm2等
      • 换算关系(一般取4位有效数字): 1 atm= 101 300 N/m²=1.013kPa= 1.033 kgf/cm2 = 10. 33 mH2O=760mmHg
    • 压力表示基准
      • 表压力=绝对压力一大气压力
      • 真空度一大气压力一绝对压力
      • 真空度=一表压力
  • 流体静力学方程
    • 重力作用下不可压缩流体静力学方程式
    • 液面上方压力为p0
    • 液柱高度表示
  • 流体静力学方程的应用
    • U管压差计
      • U管压差计用于测量管路或设备中两点间的压力差，所用指示液的密度应大于被测流体的密度,并与被测流体不互溶。
      • 被侧两点压差
    • 双液U管微压差计
      • 当U管微压差计两端与压力分别为p和p:的两个取压口相连接时，U管两端上方扩大室的截面积比U管截面积大得多(100倍以上),U管中指示液读数变化对两扩大室中液面影响不大
      • 指示液A与C的密度差ρA一ρc足够小,读数R可以达到较大值。
• 流体的物理性质
  • 连续介质假定
    • 连续介质假定是将流体视为由无数流体微团或质点组成的连续介质。根据该假定，流体是 由连续分布的流体质点所组成，表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续 的分布函数。
  • 流体密度
    • 气体密度
      • ρ=f（p，T）
      • 理想气体，低压气体密度
      • 气体混合物密度
    • 液体密度
      • ρ=f（T）
      • 液体混合物密度
  • 粘性
    • 牛顿粘性定律
    • 牛顿流体与非牛顿流体
      • 牛顿流体：遵循牛顿粘性定律
      • 非牛顿流体：不遵循牛顿粘性定律
    • 流体的黏度
      • 定义：流体黏度是流体状态(压力、温度、组成)的函数，气体的黏度随温度的升高而增大,液体的黏度随温度升高而减小。压力对黏度的影响较小。
      • 黏度的单位换算:1 cP=0.01 P=1X10^-3 Pa.s
    • 运动粘度
      • 分类
        • 具有黏性的流体称为黏性流体或实际流体。
        • 完全没有黏性(μ =0)的流体为理想流体。
• 化工201杨烨铭200301140126