生物化工.ppt

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1、第一章流体与流体中的传递现象 任课教师：任课教师：梁玉祥梁玉祥Email:新世纪化工教学(2)由于市场需要,化工专业毕业生参加愈来愈广泛的各类技术工作,导致专业界限更加淡化。因此专业 需耍在更广泛的范围内扩宽。新世纪化工教学 根据根据 AIChE 2001年统计的化工专业的大学毕业生就业情况年统计的化工专业的大学毕业生就业情况 化工、石化工业 23.3%电子工业 15.9 燃料工业 15.7 食品/化装产品 10.6 生物技术/医药 9.3 商业服务 5.8 工程设计、建造 5.6 环境工程 2.4 其他 11.4 100.0%新世纪化工教学 由就业统计可见:传统的化工、石化以及设计、建造只占

2、 28.9%高科技与新兴工业(电子、能源、生物、环境等)占 42.8%就业分布很分散 故可以认为化工专业已成为通用的过程工程专业,甚至认为是与高新科技最密切相关的工程专 业。因此化工专业需要适应未来的就业发展情 况，扩大知识面。新世纪化工教学 由此可见，化工专业范围已扩大到跨学科发展,而 且成为高新科技不可缺少的技术。化工学科的内 容已从过去的宏观宏观层次逐步发展到介观介观(泡、滴、粒、团)、亚微观亚微观(界面、纳米)、微观微观(分子)及大大宏宏 观观(环境、资源、能源等的全球可持续发展)的多多层层 次学科次学科。因此化工本科教育也要相应扩大视野，本专业的教学内容亦应适当修改与更新。(一)新世

3、纪教学改革的背景(续)建立交叉学科（例如与管理、生命科学等）的 学习体制。重新注重实践,培养独立工作能力。更加灵活的学分制，例如学习与实践交叉进行。改革专业基础课程内容，打破过去体系。增设与高新技术或学科新发展有关的选课。开展大学生的学术竞赛(例如 化工学会及学校 设科技、论文奖等）。成绩构成成绩构成作业作业5 5考试考试7 7每节课后的必做作业每节课后的必做作业:用不到八十个字将本节内容进行用不到八十个字将本节内容进行概括概括,且在第二次课之前必须交到我的邮箱内且在第二次课之前必须交到我的邮箱内(或文稿或文稿)随堂作业随堂作业 15%15%物质的三种形态物质的三种常规聚集状态 固体-液体-气

4、体-约为110-8cm(分子尺度的量级)约为1.510-8cm(分子尺度的量级)约为3.310-7cm(分子尺度的量级)连续介质假定(Continuum hypotheses)(2)连续介质假定(Continuum hypotheses)(3)流动质点流动质点连续介质假定连续介质假定实际状态理想状态注意：该假定对绝大多数流体都适用。但当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。基本术语基本术语:固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体第一节第一节 流体静力学及其应用流体静力学及其应用物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体

5、；物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体；流体流体:气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、等等离子体等特殊流体），气体可压缩，液体不可压缩。离子体等特殊流体），气体可压缩，液体不可压缩。流体的基本特征是具有流动性。流体的基本特征是具有流动性。流体的基本特征是具有流动性。流体的基本特征是具有流动性。从微观来看从微观来看分子之间有空隙分子之间有空隙流体的物理量流体的物理量(如如密度、密度、压强和速度等压强和速度等)在空在空分布不连续。分布不连续。分子的随机运动分子的随机运动所以在空间任一点上，流体的所以在空间任一点上，流体的物理量物理量在时间上的变化

6、也是不在时间上的变化也是不连续的。连续的。在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即大量分子的统计平均值。大量分子的统计平均值。固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体固体、液体和气体第一节第一节 流体静力学及其应用流体静力学及其应用一、流体的物理性质与作用力一、流体的物理性质与作用力非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等 接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想接触力，大小

7、与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力表面）积成正比，例如：压强和应力 处于重力场中的流体，处于重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。无论运动与否都受到力的作用。连续介质的受力服从牛顿定律。连续介质的受力服从牛顿定律。重力场重力场重力加速度重力加速度离心力场离心力场离心加速度离心加速度 流体的受力流体的受力流体的受力流体的受力场力或体积力（质量力）场力或体积力（质量力）表面力表面力(一一)、质量力和密度、比体积、质量力和密度、比体积单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用 表示，其单表示，其单位为位为kg

8、/m3。式中式中m_流体的质量，流体的质量，kg;V_流体的体积，流体的体积，m3气体密度：气体密度：气体密度：气体密度：一般可当成理想气体处理一般可当成理想气体处理:混合气体密度混合气体密度混合气体密度混合气体密度:混合气体的平均分子量；混合气体的平均分子量；A组分的分子量；组分的分子量；A组分的摩尔分率；组分的摩尔分率；B组分的分子量；组分的分子量；B组分的摩尔分率。组分的摩尔分率。(质量守恒质量守恒)A组分的分容；组分的分容；B组分的分容。组分的分容。(一一)、质量力和密度、比体积、质量力和密度、比体积单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用 表示

9、，其单表示，其单位为位为kg/m3。式中式中m_流体的质量，流体的质量，kg;V_流体的体积，流体的体积，m3气体密度：气体密度：液体的密度液体的密度液体的密度液体的密度:混合液体的密度混合液体的密度混合液体的密度混合液体的密度:设定混合液体的体积设定混合液体的体积=分体积之和分体积之和,即即:液体的密度液体的密度:为为A组分的质量分率组分的质量分率,为为B质量分率质量分率,则有：则有：(一一)、质量力和密度、比体积、质量力和密度、比体积单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用单位体积流体所具有的质量称为密度，通常用 表示，其单表示，其单位为位为kg/m3。式中式中m_流体的质量，流体的质量，

10、kg;V_流体的体积，流体的体积，m3气体密度：气体密度：液体的密度液体的密度液体的密度液体的密度:流体密度的倒数称为流体的比体积，又流体密度的倒数称为流体的比体积，又叫比容，以叫比容，以 表示，其单位为表示，其单位为m3/kg。注意注意:压强压强(工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力)压力单位压力单位:(二二)压力与静压强压力与静压强垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。用用p表示。表示。式中式中 p_压强，压强，N/m

11、2或或Pa；F_垂直作用于流体表面的压力，垂直作用于流体表面的压力，NA_作用面的表面积，作用面的表面积，m2SI制制:N/m2或或Pa；压力压力 的单位的单位:kPa1kPa=1000Pa工程制工程制:标准大气压标准大气压(atm)、工程压力、工程压力(kgf/cm2)、某流体柱高度等。、某流体柱高度等。1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa1at=1kgf/cm2=9.807104Pa注意注意:压强压强(工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力)压力单位压力单位:(二二)压力与静

12、压强压力与静压强垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。用用p表示。表示。式中式中 p_压强，压强，N/m2或或Pa；F_垂直作用于流体表面的压力，垂直作用于流体表面的压力，NA_作用面的表面积，作用面的表面积，m2真空度与表压真空度与表压真空度与表压真空度与表压当被测流体的压力当被测流体的压力(或绝对压力或绝对压力)小于大气压时小于大气压时:当被测流体的压力当被测流体的压力(或绝对压力或绝对压力)大于大气压时大于大气压时:表上读数表上

13、读数=大气压大气压绝对压力绝对压力表上读数表上读数=绝对压力大气压绝对压力大气压真空度真空度表压表压真空表真空表压力表压力表压力表与真空表压力表与真空表注意注意:压强压强(工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力)压力单位压力单位:(二二)压力与静压强压力与静压强垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。通常，把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强。用用p表示。表示。式中式中 p_压强，压强，N/m2或或Pa；F_垂直作用于流体表面的压力，垂直作用于流体表面的压力，NA_作用

14、面的表面积，作用面的表面积，m2真空度与表压真空度与表压注意注意:大气压与海拔高度有关大气压与海拔高度有关注意注意:大气压与海拔高度有关大气压与海拔高度有关例例:有一设备要求绝压为有一设备要求绝压为20mmHg,成都、拉萨的大气压分成都、拉萨的大气压分别为别为720mmHg、459.4mmHg,问真空度各为多少问真空度各为多少Pa?20mmHg成都的真空度成都的真空度=72020=700mmHg=700101325/760=93326Pa解解:拉萨的真空度拉萨的真空度=459.420=439.4mmHg=439.4101325/760=58581Pa1mmHg=133.32Pa(三三)剪力、剪

15、应力和粘度剪力、剪应力和粘度剪应力：剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。表面张力：存在于不同流体的相邻界面，表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使使流流体表面具有收缩的趋势。表面张力体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数的大小用表面张力系数s s 来表示，其单位为来表示，其单位为N/mN/m。其大小对于流体的分散和多相。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响流动与传热传质有重要影响粘度粘度(放到后面应用之前讲放到后面应用之前讲)二、二、二、二、流体静力学基本方程流体静力学基本方程 (Basicequations

16、offluidstatics)及其应用及其应用重力场中、静止的、均匀重力场中、静止的、均匀(=const)流体中的力学规律流体中的力学规律h基准面基准面Az2z1p1p2向上的力向上的力向下的力向下的力受力平衡，向下的力受力平衡，向下的力=向上的力向上的力h基准面基准面Az1z2p1p2或或或或单位体积流体的总势能守恒单位体积流体的总势能守恒单位体积流体的单位体积流体的位能位能单位体积流体的单位体积流体的压能压能单位质量流单位质量流体压能体压能单位质量流体单位质量流体的位能的位能单位体积流体的总势能单位体积流体的总势能单位单位kJ/m3又叫虚拟压强又叫虚拟压强单位单位Pa物意：物意：物意：物意

17、：即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒1.重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面称为等压面；称为等压面；2.静止液体内任意点处的压强与该点距液面的静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离距离呈线性关系，也正比于液面上方的压强；呈线性关系，也正比于液面上方的压强；3.液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：流体静力学基本方程，表

18、达了如下的流体静力学原理：流体静力学基本方程为：（重力场流体静力学基本方程为：（重力场流体静力学基本方程为：（重力场流体静力学基本方程为：（重力场,不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体、密度、密度、密度、密度为常数）为常数）为常数）为常数）应用上注意几点：应用上注意几点：1.公式的适用条件公式的适用条件(1)重力场重力场;(2)讨论的两个点或两个面是静力学连通的讨论的两个点或两个面是静力学连通的;(3)连通的流体是均匀的连通的流体是均匀的()2.液柱压力液柱压力3.上下压力上下压力应用要点应用要点:1.等压面等压面;.(静止的、连通的、均匀的、同一水平面静止的、连通的、均匀的、同一

19、水平面压力相等压力相等)2.上下压力上下压力讨论讨论:pA与与pB之关糸之关糸?(4)(3)AB(1)水水A(2)油油BpA与与pB之关糸之关糸?pC与与pD之关糸之关糸?ABCD流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用1.1.液柱压差计液柱压差计（Manometers)a)a)普通普通U型管压差计（型管压差计（Simplemanometer）b)b)倒置倒置U型管压差计（型管压差计（Up-sidedownmanometer）c)c)倾斜倾斜U型管压差计（型管压差计（Inclinedmanometer）d)d)双液体双液体U型管压差计（型管压差计（Two-liquidmanometer

20、）液柱压差计液柱压差计液柱压差计液柱压差计（Manometers)P33Manometers)P33(a)(a)(c)(c)(b)(b)(d)(d)U型管内位于同一水平面上的型管内位于同一水平面上的 a、b两两点在相点在相连连通的同一静止流体内，两点通的同一静止流体内，两点处处静静压压强强相等相等由指示液高度差由指示液高度差 R 计计算算压压差差,若被若被测测流体流体为为气体，其密度气体，其密度较较指示液密指示液密度小得多，度小得多，计算式为计算式为:普通普通普通普通 UU型管压差计型管压差计型管压差计型管压差计（SimplemanometerSimplemanometer）p0 p0 0 p

21、1 p2 R a b 用于测量液体的压差，指示剂密度用于测量液体的压差，指示剂密度 0 小于被测液小于被测液体密度体密度 ，U U 型管内位于同一水平面上的型管内位于同一水平面上的 a a、b b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等等由指示液高度差由指示液高度差 R 计计算算压压差差若若 0倒置倒置倒置倒置 U U 型管压差计型管压差计型管压差计型管压差计（Up-sidedownmanometer)Up-sidedownmanometer)采用采用倾倾斜斜 U型管可在型管可在测测量量较较小的小的压压差差 p 时时，得到，得到较较大的大的读

22、读数数 R1值值。压压差差计计算式算式倾斜倾斜倾斜倾斜 U U 型管压差计型管压差计型管压差计型管压差计（InclinedmanometerInclinedmanometer）微差微差压计压计，支管，支管顶顶端有一个端有一个扩扩大室。大室。扩扩大室内径大室内径一般大于一般大于U U型管内径的型管内径的1010倍。倍。压压差差计计内装有密度分内装有密度分别为别为 01 01 和和 02 02 的两种指示的两种指示剂剂。有微有微压压差差 p 存在存在时时，尽管两，尽管两扩扩大室液面高差很大室液面高差很小以致可忽略不小以致可忽略不计计，但，但U型管内却可得到一个型管内却可得到一个较较大大的的 R 读

23、读数数。对对一定的一定的压压差差 p，R 值值的大小与所用的指示的大小与所用的指示剂剂密度有关，密度密度有关，密度差差越小，越小，R 值值就越大，就越大，读读数精度也越高。数精度也越高。双液体双液体双液体双液体 UU型管压差计型管压差计型管压差计型管压差计（Two-liquidmanometerTwo-liquidmanometer）？A AA AB B当被测管段不是水平而是倾斜时当被测管段不是水平而是倾斜时,公式的推导公式的推导 如右图所示如右图所示,A、B面为等压面面为等压面,即即当当z1=z2时时,则有则有B BA AR RzAz zB Bh h1 1h h2 21 12 2基准面基准面

24、流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用1.1.液柱压差计液柱压差计（Manometers)2.液封问题液封问题要求乙炔发生器要求乙炔发生器里的表压不超过里的表压不超过80mmHg，问管伸入水中深度最大，问管伸入水中深度最大为多少为多少?要使乙炔发生器里的表压不超过要使乙炔发生器里的表压不超过80mmHg,管伸入管伸入.水中的深度水中的深度解解:即即解得解得流体静力学应用之二流体静力学应用之二液封问题液封问题 如图所示密闭室内装有测定室内气如图所示密闭室内装有测定室内气压的压的U型压差计和监测水位高度的压型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的强表。指示剂为水银的U型压差计读型压

25、差计读数数 R 为为 40mm40mm，压强表读数压强表读数 p 为为 32.5 32.5 kPa。试求：水位高度试求：水位高度 h。解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为 pa，则则室内气压室内气压 po 为为 (p pA A=p pB B;p;pA A=p pa a;p;pB B=p=p0 0+R+R 0 0g)g)A B【例例例例1-21-21-21-2】P13P13P13P13 第三节流体输送与流体输送机械流体输送与流体输送机械 流体的流量与流速流体的流量与流速 流量流量:单位时间内流经某截面流体的数量。单位时间内流经某截面流体的数量。体积

26、流量体积流量(volume flowrate):(volume flowrate):qV,m,m3 3/s;m/s;m3 3/h;/h;质量流量质量流量(mass(mass flowrateflowrate):qm,kg/s;kg/h,kg/s;kg/h;流速流速:流体流动的距离流体流动的距离/时间时间;质量流速质量流速:w;kg/(s.m;kg/(s.m2 2)点速度点速度u;u;平均速度平均速度 ;m/s ;m/s 之间关糸之间关糸:例例例例:输送水输送水输送水输送水q qV V=32m=32m=32m=32m3 3 3 3/h;/h;/h;/h;求管规格求管规格求管规格求管规格解解:查查

27、P131;表表3.3d=0.0793m=79.3mm 查附录查附录(管规格管规格)P435选公称口径选公称口径80mm 外径外径88.5mm 内径内径=88.5-24=80.5mm即即d=80.5mm雷诺实验雷诺实验雷诺实验雷诺实验流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态,层流与湍流。层流与湍流。层流（层流（层流（层流（LaminarFlowLaminarFlow）与湍流（与湍流（与湍流（与湍流（TurbulentFlowTurbulentFlow）P16P16P16P16湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向湍流：流体质点沿管轴线方向

28、流动的同时还有任意方向 上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定 的，大小和方向不断改变。的，大小和方向不断改变。层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流 动，动，不产生流不产生流 体质点的宏观混合。体质点的宏观混合。湍流流体的流速波形反映了湍湍流流体的流速波形反映了湍动的强弱与频率，同时也说明动的强弱与频率，同时也说明宏观上仍然有一个稳定的时间宏观上仍然有一个稳定的时间平均值。其它参数如温度、压平均值。其它参数如温度、压强等也有类似性质。强等也有类似性质。xy湍流的基本特征湍流的基本特征 时均速度与脉动速

29、度时均速度与脉动速度湍流的特点湍流的特点湍流的特点湍流的特点tt湍流时的瞬时速度湍流时的瞬时速度湍流时的瞬时速度湍流时的瞬时速度:物理意义：物理意义：惯性力与粘性力之比惯性力与粘性力之比 雷诺准数雷诺准数Reynolds number除流速除流速u u 外，外，和和 ，管径，管径d d 也都影响流动型态。也都影响流动型态。流型判别的依据流型判别的依据雷诺准数雷诺准数（Reynolds numberReynolds number）Re 2000 稳定的层流区稳定的层流区 2000 Re 4000 湍流区湍流区 流体在管内流动时：流体在管内流动时：物理意义：物理意义：惯性力惯性力/粘性力粘性力雷诺

30、准数雷诺准数Reynolds number流型判别的依据流型判别的依据雷诺准数雷诺准数（Reynolds numberReynolds number）求雷诺数求雷诺数Re1.d=0.1m,=1000kg/m3,u=1m/s,=1cp2.d=0.1m,u=1m/s,=10-6m2/s3.d=0.1m,qm=(10/4)kg/s,=1cp湍流的特点牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律(P7):(P7):(P7):(P7):1.1.3 流体的黏度流体的黏度 流体在运动时流体在运动时,任意相邻两层流体有相互抵抗力任意相邻两层流体有相互抵抗力,这种相互抵抗的作用力称为剪切力这种相互抵抗的作用

31、力称为剪切力,流体所具有的流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的粘性粘性。粘性是流体固有的物理性质。粘性是流体固有的物理性质。牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律:uu u=0=0d du ud dy yy yx xF面积面积A A固定板固定板牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律:牛顿粘性定律牛顿粘性定律凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体体(如水、空气等如水、空气等),),否则为非牛顿型流体。否则为非牛顿型流体。牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律(P7):

32、(P7):(P7):(P7):1.1.3 流体的黏度流体的黏度流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 粘度是流体的重要物理性质之一粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成它是流体组成和状态和状态(压力、温度压力、温度)的函数。的函数。一般一般 而言而言:气体气体:液体液体:流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 的单位的单位的单位的单位:SI制制工程制的单位工程制的单位:泊泊(P);厘泊厘泊(cP或或mPa.s)关糸关糸:单位单位:SI制制 运动粘度运动粘度:牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定

33、律(P7):(P7):(P7):(P7):1.1.3 流体的黏度流体的黏度流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 混合物粘度的估算混合物粘度的估算混合物粘度的估算混合物粘度的估算:常压气体混合物粘度常压气体混合物粘度,可采用右式计算可采用右式计算非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算式中式中:m 气体混合物的粘度气体混合物的粘度yi 气体混合物组分的摩尔分数气体混合物组分的摩尔分数 i 同温度下纯组分的粘度同温度下纯组分的粘度 Mi 纯组分的摩尔质量纯组分的摩尔质量式中式中:m 液体混合物的粘度液体混合物的粘度xi 液体混合物组分的摩尔分数液体混合物组分的摩

34、尔分数混合物粘度的估算混合物粘度的估算混合物粘度的估算混合物粘度的估算:理想流体与粘性流体理想流体与粘性流体具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体的流体称为理想流体的流体称为理想流体牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律(P7):(P7):(P7):(P7):1.1.3 流体的黏度流体的黏度流体的粘度流体的粘度流体的粘度流体的粘度 混合物粘度的估算混合物粘度的估算混合物粘度的估算混合物粘度的估算:非牛顿流体（非牛顿流体（非牛顿流体（非牛顿流体（Non-Newtonian fluidNon-Newtonian fluidNon-Newtonian

35、fluidNon-Newtonian fluid）P144P144P144P144牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体非牛顿流体（非牛顿流体（非牛顿流体（非牛顿流体（Non-Newtonian fluidNon-Newtonian fluidNon-Newtonian fluidNon-Newtonian fluid）P146P146P146P146高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时含微细颗粒较多的

36、悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。非牛顿流体的非牛顿流体的粘度粘度 不再为一常数而不再为一常数而与与 dux/dy 有关有关宾汉塑性流体或塑性流体（宾汉塑性流体或塑性流体（Bingham plastics）y 屈服应力（屈服应力（threshold shear stress）K 宾汉粘度宾汉粘度n 流变指数（流变指数（flow behavior index）K 稠度系数（稠度系数（flow consistency index）a a 表观粘度表观粘度幂律（幂律（power law）流体流体n1 涨塑性流体（涨塑性

37、流体（Dilatant fluid）P1P16 6非牛顿流体（非牛顿流体（非牛顿流体（非牛顿流体（Non-Non-NewtonianfluidNewtonianfluid）热力学第二定律指出:所有系统非平衡态向平衡态转化非平衡因素推动下物理量传输的共性规律非平衡因素推动下物理量传输的共性规律唯象方程唯象方程（Phenomenologicalequation）：扩散通量扩散系数扩散推动力扩散现象与扩散定律扩散现象与扩散定律DiffusionphenomenaanddiffusionlawsDiffusionphenomenaanddiffusionlaws贯穿本课程的基本思想之一动量扩散与牛顿粘

38、性定律MomentumdiffusionandNewtonianviscouslawMomentumdiffusionandNewtonianviscouslaw对象：单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象层流流体中由速度梯度推动的扩散称为分子动量扩散 动量速度梯度速度分布动量为一矢量，方向-流速的方向;而动量扩散的方向,指向速度降低的方向;yux,T,Aux(y),T(y),A(y)o动量扩散与牛顿粘性定律宏观上，动量浓度(即单位体积流体具有的动量)为在气体密度均匀的条件下，动量浓度 ux 仅仅取决于流体所在位置处的宏观流速ux(y)微观上，热运动-分子之间的碰撞和动量交换-动量

39、浓度趋于均匀-导致了流速不同的流体层与层之间在y 方向上的动量传递。流动气体分子的运动分子数密度为分子数密度为n、分子量为、分子量为Mr 厚度均不超过分子平均自由程（即保证 y 方向上气体分子的每一次迁移运动都会在两层流体之间产生动量交换）yux,T,Aux(y),T(y),A(y)oy考察任意 y 位置处相邻的两层气体在该微小尺度范围内流体宏观流速分布函数可视为线性，即两层流体的流速分别为ux 和ux+（dux/dy）ux+(dux/dy)ux动量扩散与牛顿粘性定律分子数通量 质量通量热运动在三维空间各向同性各向同性气体密度维持均匀，具有等分子数、反方向交换的特征。动量扩散通量动量扩散与牛顿

40、粘性定律取位于上层的单位微元体积的流体为体系取位于上层的单位微元体积的流体为体系从统计平均的观点，与相邻的下层流体在从统计平均的观点，与相邻的下层流体在y 方向上通过单位微元底面积在单位时间方向上通过单位微元底面积在单位时间内交换的通量为内交换的通量为气体分子气体分子均方根速均方根速率率根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律:运动体系的动量变化率等于作用在该体系上的力，动量变化率的方向与力的方向相同运动粘度Kinematicviscosity剪应力（shearstress）yx：表示平行作用于单位面积上的切向力，下标x 代表剪应力或者动量的方向，y 代表力的作用面的法线方向或者动量传递的方向。动量浓

41、度梯度动量扩散系数动量扩散通量的推动力动量扩散与牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律:1122u1、z1、p1u2、z2、p2hehf稳定的流体流动系统稳定的流体流动系统向高位槽输水向高位槽输水城市供水系统控制体控制体进入体系进入体系离开体系离开体系输输入入能能量量输输出出能能量量管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响管壁粗糙度对摩擦系数的影响:u u 层流时，阻力损失主要由流体内摩擦引起，取决于流体的粘度和速度梯度。圆层流时，阻力损失主要由流体内摩擦引起，取决于流体的粘度和速度梯度。圆管内牛顿流体层流速度梯度并不因管壁粗糙度的局部影响而发生明显改变，所

42、管内牛顿流体层流速度梯度并不因管壁粗糙度的局部影响而发生明显改变，所以粗糙度对摩擦系数的值无影响。以粗糙度对摩擦系数的值无影响。湍流速度梯度仅存在于管壁附近。阻力损失既有发生在管壁附近的流体粘性造成湍流速度梯度仅存在于管壁附近。阻力损失既有发生在管壁附近的流体粘性造成的内摩擦损失（粘性阻力），又有发生在湍流主体的旋涡引起的流体质点的激烈的内摩擦损失（粘性阻力），又有发生在湍流主体的旋涡引起的流体质点的激烈碰撞而造成的机械能损失（惯性阻力）。碰撞而造成的机械能损失（惯性阻力）。Re 增大到一定值以后，层流内层已经薄得使粗糙物几乎完全进入湍流主增大到一定值以后，层流内层已经薄得使粗糙物几乎完全进入

43、湍流主体成为流动阻力的控制性因素，而粘性阻力所占的比重可以忽略不计，从而体成为流动阻力的控制性因素，而粘性阻力所占的比重可以忽略不计，从而进入所谓阻力平方区。进入所谓阻力平方区。(P98)Re 越大，层流内层越薄，更多的壁面粗糙物暴露于湍流主体中加剧旋涡运越大，层流内层越薄，更多的壁面粗糙物暴露于湍流主体中加剧旋涡运动和流体质点的碰撞，增加惯性阻力。动和流体质点的碰撞，增加惯性阻力。状态参数：状态参数：U、p、z运行参数：运行参数：hf、he。直管阻力的通用表达式直管阻力的通用表达式介质挺正参数：介质挺正参数：、。、。局部阻力局部阻力工业管道的当量粗糙度（roughness）经验方程是在圆截面

44、人工粗糙管道中，根据流体流动阻力经验方程是在圆截面人工粗糙管道中，根据流体流动阻力损失的实验数据由损失的实验数据由 与无因次准数与无因次准数 Re 和和 /d 进行关联的结果。进行关联的结果。应用经验方程应注意几何相似和实验参数范围。实际问题往应用经验方程应注意几何相似和实验参数范围。实际问题往往不能与实验条件保持严格的几何相似，工程上采取当量尺往不能与实验条件保持严格的几何相似，工程上采取当量尺寸的方式使之近似相似并在原经验方程的基础上加以修正。寸的方式使之近似相似并在原经验方程的基础上加以修正。采用与人工粗糙管相同的实验方法测定一系列工业常见管道采用与人工粗糙管相同的实验方法测定一系列工业

45、常见管道的摩擦系数值的摩擦系数值 后，反算出与之相当的粗糙度后，反算出与之相当的粗糙度 。管道类别e,mm管道类别e,mm金属管无缝黄钢管、铜管及铅管0.010.05非金属管干净玻璃管0.00150.01新的无缝钢管或镀锌铁管0.10.2橡皮软管0.010.03新的铸铁管0.3木管道0.251.25具有轻度腐蚀的无缝钢管0.20.3陶土排水管0.456.0具有显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33旧的铸铁管0.85以上石棉水泥管0.030.8直管阻力损失非圆形截面管道流体流动的阻力损失可采用圆形管道的公式非圆形截面管道流体流动的阻力损失可采用圆形管道的公式来计算，只需用当量直径来

46、计算，只需用当量直径 de 来代替圆管直径来代替圆管直径 d当量直径定义：当量直径定义：流体浸润周边即同一流通截面上流体与固体壁面接触的周长流体浸润周边即同一流通截面上流体与固体壁面接触的周长非圆形截面管道的当量直径非圆形截面管道的当量直径 abr2r1非圆形截面管道的当量直径采用当量直径计算非圆形截面管道的采用当量直径计算非圆形截面管道的 Re，稳定层流的判据仍，稳定层流的判据仍然是然是 Re2000。计算阻力系数时，仅以当量直径计算阻力系数时，仅以当量直径 de 代替圆形截面直管阻力计代替圆形截面直管阻力计算公式中的算公式中的 d，并不能达到几何相似的满意修正，因此需要，并不能达到几何相似

47、的满意修正，因此需要对计算结果的可靠性作进一步考察。对计算结果的可靠性作进一步考察。一些对比研究的结果表明，湍流情况下一般比较吻合，但与一些对比研究的结果表明，湍流情况下一般比较吻合，但与圆形截面几何相似性相差过大时，例如环形截面管道或长宽圆形截面几何相似性相差过大时，例如环形截面管道或长宽比例超过比例超过 3:1 的矩形截面管道，其可靠性较差。的矩形截面管道，其可靠性较差。层流情况下可直接采用以下修正公式计算：层流情况下可直接采用以下修正公式计算：非圆形管的截面形状de常数C非圆形管的截面形状de常数C正方形，边长为aa57长方形，长2a，宽a1.3a62等边三角形，边长a0.58a53长方

48、形，长4a，宽a1.6a73环形，环宽=(d2-d1)/2(d2-d1)96局部阻力损失计算 管路系统中的阀门、弯头、缩头、三通等各种阀件、管件不管路系统中的阀门、弯头、缩头、三通等各种阀件、管件不仅会造成摩擦阻力仅会造成摩擦阻力(skin-friction)，还有流道急剧变化造成的，还有流道急剧变化造成的形体阻力形体阻力(form-friction)，产生大量旋涡而消耗机械能。流体，产生大量旋涡而消耗机械能。流体流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。流过这些阀件、管件处的流动阻力称为局部阻力。局部阻力损失计算局部阻力损失计算局部阻力系数法：局部阻力系数法：当量长度法：当量长度法：局部阻

49、力系数局部阻力系数 le 当量长度当量长度局部阻力损失计算 100mm 的闸阀的闸阀 1/2 关关 le=22m100mm 的标准三通的标准三通 le=2.2m100mm 的闸阀全开的闸阀全开 le=0.75m3.完完全全湍湍流流区区.对对一一定定管管糸糸,.一一定定,则则,.又称之为阻力平方区又称之为阻力平方区1.层流区层流区.,又称之为阻力一次方区又称之为阻力一次方区.2.湍流区湍流区.讨论讨论(关于关于 注重区域注重区域):流体输送管路计算的基本方程流体输送管路计算的基本方程 根据流体流动的质量守恒、动量守恒与能量守恒原理，不可根据流体流动的质量守恒、动量守恒与能量守恒原理，不可压缩流体

50、在管路中稳定流动时应服从压缩流体在管路中稳定流动时应服从 连续性方程连续性方程 柏努利方程柏努利方程 体积平均流速体积平均流速 由于流体输送系统的流速一般不会很低（湍流），因此动能由于流体输送系统的流速一般不会很低（湍流），因此动能校正系数校正系数 往往接近于往往接近于1.0。对于流速较低的层流流动，对于流速较低的层流流动，值与值与1.0 相差较大，但由于动能相差较大，但由于动能项在总能量中所占比例很小，也可不加校正。项在总能量中所占比例很小，也可不加校正。流体输送管路计算的基本方程流体输送管路计算的基本方程 输送单位质量流体所需加入的外功，输送单位质量流体所需加入的外功，是决定流体输是决定流