化工原理个人笔记第一章

化学与材料科学学院化工原理笔记应用化学2016/X长春应化所考研用参考资料：化工原理第三版陈敏恒丛德滋等编1目录第一章流体流动.................................................................................................................................................21.1概述...............................................................................................................................................................2几个概念.....................................................................................................................................................21.2流体静力学...................................................................................................................................................3静压强在空间的分布.................................................................................................................................3压强能与位能.............................................................................................................................................4压强的表示方法.........................................................................................................................................41.3流体流动中的守恒原理...............................................................................................................................5质量守恒.....................................................................................................................................................5★机械能守恒.............................................................................................................................................5★动量守恒.................................................................................................................................................7动量守恒定律和机械能守恒定律的关系..................................................................................................71.4流体流动的内部结构...................................................................................................................................7流动的类型.................................................................................................................................................7★流型的判据.............................................................................................................................................8湍流基本特征.............................................................................................................................................8边界层及边界层脱体.................................................................................................................................8★圆管内流体运动的数学描述.................................................................................................................81.5阻力损失.....................................................................................................................................................102第一章流体流动1.1概述几个概念（1）考察方法类连续性假定：假定流体是大量质点构成的。（高真空稀薄空气假定不成立）描述方法：拉格朗日法——选定一质点，跟踪观察其运动状况，描述其运动状况（v,s等）。使用情况：在有关流体的问题中，一般会使问题变复杂，所研究问题中的任一质点均遵循一般规律时才用此方法。欧拉法——在固定位置观察流体质点的运动情况。使用情况：一般情况下，需对流动做出描述时，常有欧拉法，尤其是流动是定态时。即：拉格朗日法描述的一个质点在不同时刻的状态；欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。定态流动：即运动空间各点的状态不随时间变化的流动，也就是指定点的𝑢𝑥,𝑢𝑦,𝑢𝑧,p不随时间变化。轨线：拉格朗日法某一流体质点的运动轨迹。流线：欧拉法在流场中每一点上都与速度矢量相切的曲线称为流线。流线是同一时刻不同流体质点所组成的曲线，它给出该时刻不同流体质点的速度方向。流线上的各点的切线代表某一时刻各点的速度的方向。系统（封闭系统）：拉格朗日法包含众多流体质点的集合，可以与外界有能量交换但没有质量交换。控制体：欧拉法控制体是指流场中某一确定的空间区域，这个区域的周界称为控制面。注：流场——流体运动所占据的空间。（一）流体流动1、考试内容（1）流体运动的考察方法、流体受力和能量守恒分析方法；（2）流体静力学及压强测定；（3）流体流动的连续性方程及其应用；（4）机械能守恒及伯努利方程的应用；（5）流动型态（层流和湍流）及判据；（6）流速分布及流动阻力分析计算；（7）因次分析方法；（8）管路计算；（9）流速和流量的测定、流量计。2、考试要求掌握流体流动过程中的基本原理及流动规律，包括流体静力学和机械能守恒方程。能够灵活运用流体力学基本知识分析和计算流体流动问题，包括流体流动阻力计算和管路计算。3（2）流体流动中的作用力体积力：体积力作用与流体的每一质点上，并于其质量成正比，也成为体积力，对于均质流体也与体积成正比；如：重力，离心力（非惯性参照系中的惯性离心力）。表面力：表面力与表面积成正比。取流体任一微小平面，作用于其上的表面力中，垂直于表面的力为压力，平行于表面的为剪力；单位面积所受压力为压强，所受剪力为剪应力。（压强的单位N/m²=Pa106=1MPa工程上常用MPa作为计量单位）★剪应力𝜏：通俗解释，木板飘在水上，推木板走，木板会带着水走，离木板越远的水走的越慢。其服从牛顿黏性定律(也叫做牛顿内摩擦定律)τ=μd𝑢d𝑦其中：μ：流体的粘度单位N·s/m²d𝑢d𝑦：法向梯度单位1/s。d𝑢d𝑦：剪切率μ：黏度，单位为Pa·s，以前也用cP(厘泊)，1cP=1×10−3Pa·s运动粘度ν：黏度μ与密度ρ的比值，ν=𝜇𝜌单位：m²/s设某一流层速度为u，与其相邻流层速度为u+d𝑢，d𝑢为其流速变化值，设流层间沿y轴距离差为d𝑦，若两板间的距离很小，则两板间的流速变化无限接近线性，即可化为流速梯度d𝑢d𝑦。流体流动中的机械能位能：由于各物体间存在相互作用而具有的、由各物体间相对位置决定的能叫势能，又称作位能，势能是状态量。机械能：物体由于作机械运动而具有的能。压强能：由于压强产生的能量。此外，流体黏性所造成的剪力为内摩擦力，消耗机械能转换为热能。1.2流体静力学静压强在空间的分布（1）静压强：静止流体中，作用在某点各方向的压强数值上是相等的，只要确定了点，压强就确定了，可用方程𝑝=𝑓（𝑥,𝑦,𝑧）表示。（2）★流体微元受力平衡：①表面力（理解：此假设有体积力，类似水越深压强越大，所右手坐标系4得公式中的12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥正对应着ρg∆H）设中心点C处静压强为p，沿着x方向，作用于B面的压强为p−12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥，压力为(p−12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥)𝛿𝑦𝛿𝑧；作用于A面的压强为p+12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥，压力为(p+12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥)𝛿𝑦𝛿𝑧。②体积力设作用在单位质量的流体上的体积力在x轴分量为X，则所受体积力为Xρδxδyδz，又因流体处于静止状态，外力之和必定为零，故有：(p−12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥)𝛿𝑦𝛿𝑧−(p+12×𝜕𝑝𝜕𝑥𝛿𝑥)𝛿𝑦𝛿𝑧+Xρδxδyδz=0可解得X−1𝜌𝜕𝑃𝜕𝑋=0同理得：Y−1𝜌𝜕𝑝𝜕𝑦=0;Z−1𝜌𝜕𝑝𝜕𝑧=0①重力场中：即X=0,Y=0,Z=-g；代入①得d𝑝+𝜌𝑔d𝑧=0；同除𝜌然后积分：∫d𝑝𝜌+𝑔∫d𝑧=0设流体不会被压缩，即𝜌不变，积分可得：𝑝𝜌+𝑔𝑧=𝐶其中C为常数。对于静止流体中任意两点𝑝1𝜌+𝑔𝑧1=𝑝2𝜌+𝑔𝑧2,整理得：𝑝2=𝑝1+𝜌𝑔(𝑧1−𝑧2)=𝑝1+𝜌𝑔ℎ压强能与位能由上推到知，gz项实际为单位质量流体的位能，𝑝𝜌项为单位质量流体所具有的压强能，压强能，位能均为势能。以符号𝓅𝜌表示单位质量流体的总势能，则有：𝓅𝜌=𝑔𝑧+𝑝𝜌其中𝓅可理解为虚拟的压强，与压强有相同纲量，𝓅=𝜌gz+p压强的表示方法（1）其他表示方