第一章流体流动
液体和气体统称为流体。流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小，无固定形状，随容器的形状而变化，在外力作用下其内部发生相对运动。
流体随压强的改变而改变自身体积的性质称为流体的压缩性。
压缩性的大小被看作是气体和液体的主要区别。由于气体在压强增大时体积缩小，而液体则变化不明显，故气体属于可压缩性流体，液体属于不可压缩性流体。
气体在输送过程中若压强和温度变化不大，因而体积和密度变化也不大时，也可按不可压缩流体来处理。
一般气体在常温常压下仍可按理想气体考虑，以简化计算。
在化工生产中，涉及流体流动的规律，主要有以下几个方面：
(1)流体阻力及流量、压强的计算
(2)流动对传热与传质及化学反应的影响
(3)流体的混合
第一节流体静力学基本方程
流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。也即流体在静止状态下流体内部压力的变化规律。
1－1－1 流体的密度
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：
（1—1）
式中：ρ——流体的密度，kg / m3；
m——流体的质量，kg；
V——流体的体积，m3。
不同流体的密度是不同的，对一定的流体，密度ρ是压力p和温度T的函数，可用下式表达：
ρ = f ( p，T )
液体的密度随压力的变化甚小，可忽略不计，故常称液体为不可压缩的流体。温度对液体的密度有一定影响，但改变不大（极高压力下除外），液体的密度ρ一般可从物理化学手册或有关资料中查到。
气体具有压缩性及膨胀性，其密度随压强，温度的变化很大。当压强不太高，
温度不太低时，其密度可近似地按理想气体状态方程式来计算：
ρ= m / V = pM / RT （1—2）
式中：p——气体的绝对压强，kN / m2或kPa；
T——气体的绝对温度，K；
M——气体分子的分子量；
R——气体常数，8.314 kJ / kmol·K。
若以知标准状态下气体的密度ρ0、温度T0和压力P0，则某状态下(T、P)理想气体的密度ρ也可按下式计算：
ρ = ρ0T 0P / TP0（1—3）式中：ρ0——标准状态下（T０＝273K P０＝101.33 kPa）气体的密度，
kg / m3
ρ0 = M / 22.4 kg / m3
在化工生产中所遇到的流体，往往是含有几个组分的混合物。通常手册中所列出的为纯物质的密度，所以混合物的平均密度ρm还得通过以下公式进行计算：气体混合物的密度ρm可由下式求得（假定混合时各组分的体积不变）：
ρm = ρ1y1 + ρ2y2 + … + ρn y n (1—4)
式中：ρi——各组分的密度；
y i——各组分的体积分数。
当气体混合物的温度，压力接近理想气体时，（即温度不太低时，压强不太高时）仍可用式（1—2）来计算气体的密度，但式中气体分子的分子量M应以混合气体的平均分子量M m代替，即：
Ｍm＝Ｍ１Ｙ１＋Ｍ２Ｙ２＋…＋Ｍn Y n(1—5) 式中：Ｍi——气体混合物各组分的分子量；
Ｙi——气体混合物各组分的摩尔分率。
气体混合物的组成通常以体积分率表示。
对于理想气体，其体积分率与摩尔分率，压力分率是相等的。
液体混合物的组成通常以质量分率表示，它的密度可按下式计算：
1 / ρm ＝a1/ρ1＋a2/ρ2＋…＋a n / ρn（1—6）
式中：a i——液体混合物中各组分的质量分率；
ρi——液体混合物中各组分的密度；
ρm——液体混合物的平均密度。
比容密度的倒数称为比容，以υ表示，单位为m３/kg，表达式为：
υ= V / m = 1/ρ
重度是指单位体积的流体所具有的重量，单位为kg / m3，表达式为：
γ = G / V
式中：G——流体的重量，kg；
V——流体的体积，m3；
γ——流体的重度，kg / m3。
例：以知炼焦煤气的组成为：CO2 1.8%；C2H4 2%；O2 0.7%；CO 6.5%；CH4 24%；H2 58%；N2 7%（皆为体积%）。试求103.9 kPa及298 K时炼焦煤气的密度。
解：查附录知，在标准状态下，各组分气体的密度分别为：
ρCO2=1.976 kg/m３ρC2H4=1.261 kg/m３
ρO2=1.429 kg/m３ρCO =1.250 kg/m３
ρCH4=0.717 kg/m３ρH2=0.0899 kg/m３
ρN2=1.293 kg/m３
按式(1—4)先求出标准状态下（T０＝273K P０＝101.33 kPa）炼焦煤气（气体混合物）的密度：
ρ0 =ρm = ρ1y1 + ρ2y2 + … + ρn y n
ρ0 =ρm = 1.976×1.8%＋1.261×2%＋1.429×0.7%＋1.250×6.5%＋0.717×24%＋0.0899×58%＋1.293×7% = 0.4667 kg / m３
再按式(1—3)求出在给定条件下（T = 298 K P = 103.9 kPa）炼焦煤气（气
体混合物）的密度：
ρm = ρ 0T0p / Tp0 = 0.4667×（103.9 / 101.3）×（273 / 298）= 0.438kg / m3
也可以先求出混合气体分子的平均分子量Ｍm，再按式（1—2）计算在所给条件下的炼焦煤气的密度ρm，两种计算结果基本相同：
按式（1—5）求出气体混合物的平均分子量Ｍm：
Ｍm＝Ｍ１Ｙ１＋Ｍ２Ｙ２＋…＋Ｍn Y n
其中：
M CO2= 44 M C2H4= 28 M O2= 32
M CO = 28 M CH4= 16 M H2= 2 M N2= 28 所以：
Ｍm＝44×1.8%＋28×2%＋32×0.7%＋28×6.5%
＋16×24%＋2×58%＋28×7% =10.356
再按式（1—2）求出气体混合物的密度ρm：
ρm= pM / RT
则：
ρm= 103.9×10.356 / 8.314×298 = 0.434 kg / m3
例：计算293 K时60%（质量）的醋酸水溶液的密度。
解：查293K时：ρ水= 998 kg / m３，ρ醋酸= 1049 kg / m３。
醋酸水溶液的密度按式（1—6）计算：
1/ρ m = a水/ ρ水＋a醋酸/ ρ醋酸= （1－0.60）/ 998 ＋0.60 / 1049 所以：
ρm = 1028 kg / m３
1—1—2 流体的静压强
流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的静压强，简称压强，其表达式为：
p = P / A （1—7）
式中：p ——流体的静压强，Pa；
P ——垂直作用于流体表面上的压力，N；
A ——作用面的面积，m2。
在SI中，压强的单位是Pa，称为帕斯卡，以Pa表示。但习惯上还采用其它单位，如atm(标准大气压)、mmHg、bar (巴)或kgf／cm2等，它们之间的换算关系为：1atm = 1.033 kgf／cm2 = 760mmHg = 10.33mH2O = 1.0133 bar = 1.0133×105 Pa
工程上为了使用和换算方便，常将1 kgf／cm2近似地作为1个大气压，称为1工程大气压。于是：
1 kgf／cm
2 = 735.6mmHg = 10mH2O = 0.9807 bar = 9.807×104 Pa
流体的压强除用不同的单位来计量外，还可以用不同的方法来表示。
以绝对零压作起点计算的压强，称为绝对压强，是流体的真实压强。
以当地大气压为基准，压强表上的读数则称为表压强。
表压与绝对压力的关系可用下式表示：
表压 = 绝对压－大气压（1—8）
绝对压 = 表压＋大气压
当被测流体的绝对压强小于外界大气压时，其低于大气压的数值称为真空度，即：
真空度 = 大气压－绝对压（1—9）
绝对压 = 大气压－真空度
大气压 = 绝对压＋真空度
绝对压力，表压和真空度之间的关系，可用下图来表示：
大气压强的数值不是固定的，它随大气温度、湿度和所在地区的海拔高度而不同。因此，大气压强应以当地当时气压计上的读数为准。在表明压强时，必须注明是绝对压强、表压、还是真空度，并要注明其单位。
例：某台离心泵进、出口压力表读数分别为220 mmHg(真空度)及1.7 kgf /cm2 (表压)。若当地大气压力为760 mmHg, 试求它们的绝对压力各为多少？(以法定单位表示)
解：泵进口绝对压力p1：p1 =大气压力－真空度
p1 = 760－220 = 540 mmHg
以知： 1 mmHg = 133.3 Pa (查手册得)
所以：p1 = 540×133.3 = 7.2×104 Pa
泵出口绝对压力p2：p2 =大气压力+表压
以知：760 mmHg = 1.033 kgf /cm2
所以：p2 = 1.033 + 1.7 = 2.733 kgf /cm2
又知： 1 kgf /cm2 = 9.807×104 Pa
所以：p2 = 2.733×9.807×104 = 2.68×105 Pa
l-1-3 流体静力学基本方程式
流体静力学所研究的是流体处于相对静止时的规律。也就是流体在重力和压力作用下的平衡规律。由于重力就是地心吸力，可以看作是不变的，起变化的是压力。所以流体静力学实质上是讨论静止流体内部压力(压强)变化的规律。用于描述这一规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程式。
对于不可压缩流体，密度不随压力变化，其静力学基本方程式可用下面的方法推导而出。
下图所示的容器中盛装有密度为ρ的静止液体。
现从静止液体中任意画出一底面积为A的垂直液柱。若以容器的器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z l，Z2；以P1与P2分别表示高度Z l及Z2处的压力。
在垂直方向上作用于液柱上的力有：
(1)下底面所受之向上压力为P2；kg·m/s2
(2) 上底面所受之向下压力为P1；kg·m/s2
(3) 作用于整个液柱的重力为：G＝ρgA (Z1－Z2)；kg·m/s2
在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：（向上的力用正号，向下的力
用负号）
P2－P1－ρgA (Z1－Z2) = 0
把上式各项都除以面积A，又因P1/A= p1（kg/ m s2或N / m2或Pa ），P2 /A= p2，
并整理得：
p2 = p1 + ρg (Z1－Z2) （Pa）（1—10）
为讨论方便，对式（1—10）进行适当的变换，将液柱的上底面取在容器的液面上，设液面上方的压强为p0，下底面取在距液面任意距离h处，作用于其上的压强为p，则p1= p0、p2= p、Z1－Z2 = h，则上式可改写成为：
p = p0 + ρgh （Pa）（1—11）
式（1—10）和（1—11）称为流体静力学基本方程式，说明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。此式即为巴斯葛定律的数学表达式。
由式（1—11）可知：
(1)当容器液面上方的压强p0一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面的深度h有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点，因其深度相同，亦其压强都相等。
(2)当液面上方的压强p0有改变时，必将引起液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变。这就是巴斯葛原理。
(3)式（1—11）可改写为：
h = (p－p0) / ρg （1—12）
式（1—12）说明压强差的大小可以用一定高度的液柱来表示。由此可以引伸出压强的大小也可用一定高度的液体柱来表示，这就是前面所介绍的压强可以用mmHg、mH2O等单位来计量的依据。
当用液柱高度来表示压强或压强差时，必须注明是何种液体，否则就失去了意义。
值得注意的是，上述式子只能用于静止的连通着的同一种流体内部，因为它们是根据静止的同一种连续的液柱导出的。
下面进一步讨论流体静力学基本方程式中各项的意义：
将式（1—10）p 2 = p 1 + ρg (Z1－Z2) 两边均除以ρg并加以整理可得：
或
（1—13）
式（1—13）中各项的单位均为m，其中的一项Z为流体距基准面的高度，称为位压头；另一项p／ρg称为静压头，又称单位质量流体的静压能。
例：如图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1 = 0.7 m , 密度ρ1= 800 kg / m3，水层高度（指油水界面与小孔的距离）h2 = 0.6 m, 密度ρ2 = 1000 kg / m３。
（1）判断下列两关系是否成立，即p A= p Aˊp B = p Bˊ。
（2）计算水在玻璃管内的高度h。
解：（1）p A = p Aˊ的关系成立，因为A及Aˊ两点在静止的连通着的同一种流体内，并在同一水平面上。
p B = p Bˊ的关系不成立，因B及Bˊ两点虽在静止的流体同一水平面上，但不是连通着的同一种流体中。
(2) 玻璃管内水的高度h由（1）可知：p A = p Aˊ。
A点的压力p A 与A′点的压力p Aˊ都可以用流体静力学基本方程式计算，即
p A = p a+ρ1gh1+ρ2gh2
p Aˊ= p a+ρ2gh
因为：p A = p Aˊ
所以：p a+ ρ 1gh1+ρ2gh2 = p a+ρ2gh
两边除以g得：p a/g + ρ 1h1+ρ2h2 = p a/g + ρ2h
整理后得：ρ1h1+ρ2h2 =ρ2h
将已知数据代入计算得：
800×0.7+1000×0.6 = 1000h
解得：h = 1.16 m
l—1—4 流体静力学基本方程式的应用
压强与压强差的测量
测量压强的仪表很多，现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器，
这种测压仪器统称为液柱压差计，可用来测量流体的压强或压强差。
一、U型管压差计
U型管压差计的结构如下图所示，它是一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液。指示液要与被测流体互不相溶，不起化学作用，且其密度应大于被测流体的密度。
指示液的选择，随被测流体的不同而不同。常用的指示液有汞，四氯化碳，水和石蜡等。
将U型管的两端与管道中的两截面相连通，若作用于U形管两端的压力p1和p2不等（图中p1> p2），则指示液就在U形管两端出现高度差R。
根据读出的高度差R的数值，利用静力学基本方程式，就可计算出流体两点之间的压强差。
U形管内部的液体是密度为ρA的指示液，上部为被测流体，其密度为ρB，图中a和aˊ两点的压力是相等的，因为这两点都在同一种静止液体(指示液)的同一水平面上，即p a = p aˊ。通过这个关系，便可求出(p1－p2)的差值：
根据流体静力学基本方程式（1—11），可得：
p aˊ= p2 +ρB gm+ρA gR
p a = p1 +ρB g(m+R)
由于有：p a = p aˊ
于是：p 1+ ρ B g(m+R) = p2+ ρ B gm + ρ A gR
上式简化后即得：
Δp = p1－p2 =（ρA－ρB）gR （1—14）
由式（1—14）可知：因为g是常数，压差p1－p2 (或Δp)只与读数R和密度差(ρA －ρB)有关，U型管的粗细和(m+R)、m段的高低对所测结果都没有影响。而且密度差越小，测量的灵敏度越高。
若被测流体是气体，气体的密度要比液体的密度小得多，即ρA－ρB≈ρA，于是上式可简化为：Δp = p1－p2≈ρA gR （1—15）
二、液位的测量
化工生产中经常需要了解容器里液体的贮存量，或需要控制设备里液体的液面，因此要对液面进行测定。
最原始的液位计是在容器底部的器壁和液面上方器壁处各开一小孔，两孔间用玻璃管相连。玻璃管内所示的液面高度即为容器内的液面高度。这种构造易于破损，不便于远处观测。
下图是用液柱压差计测量液位的示意图。
图中，在0—0′基准面上的1点和2点的压强相等，即：
P1 = P2
由流体静力学方程得：
P1 = P a＋ρgZ1P2 = P b＋ρgZ2
于是
P a＋ρgZ1 = P b＋ρgZ2
因液面计上部与储槽连通，故
P a = P b
所以
Z1 = Z2
由此可知，用一根玻璃管与储槽上下相连通，从玻璃管液面的高度便可观察容器内液体的高度。所测液面高度与液面计的玻璃管的粗细无关。
三、液封高度的计算
在化工生产中，为了控制设备内气体压力不超过规定的值，常装有如下图所示的安全液封(又称为水封)装置。其作用是当设备内压力超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备安全操作。
p1
若设备要求压力不超过p1（表压），按静力学基本方程式，则水封管插入液面下的深度h（m）为：
p1 = ρH2O g h
变形后：
h = p1/ρH2O g （1—18）
为了安全起见，实际安装时，管子的插入深度h应比按上式计算出的h值略低。
第二节流体在管内的流动
前面讨论了静止流体内部压强的变化规律。对于流动着的流体内部压强变化的规律的研究也是十分必要的。反映管内流体流动规律的基本方程式有连续性方程式与柏努利方程式。
1—2—1 流量与流速
一、流量
1、体积流量
单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以V表示，其单位为m3/s 。
2、质量流量
单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量，以G表示,其单位为kg／s。
体积流量与质量流量之间的关系为：
G = ρV（1—19）
二、流速
1、平均流速
流速是指单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠近管壁速度愈小。在紧靠管壁处，由于流体质点粘附在管壁上，其速度等于零。
工程上，一般系以体积流量V除以管道截面积A所得的值，来表示流体在管道中的流动速度。此种速度称为平均速度，简称流速，以u表示，单位为m／s。
u = V/A （1—20）流量与流速的关系为：
G = ρV = ρAu（1—21）
2、质量流速
单位时间内流体流经道管截面积的质量称为质量流速，以w表示，单位为kg /m2·s。它与流速及流量的关系为：
w = G /A =ρV/A = ρAu /A = ρu(1—22)
由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将随之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。
3、管道直径的估算
若以d表示管内径，则式(1—20)可写成：
于是
(1—23)
流量V一般为生产任务所决定，而合理的流速则应根据经济权衡决定，一般液体流速为0.5—3 m／s，气体为10—30 m／s。某些流体在管道中的常用流速范围，可参阅有关书籍和资料查找。
应用式(1—23)计算出管径后，还需从有关手册或教材附录中选用标准管径。即所谓“圆整”。
例：某厂精馏塔进料量为50000kg／h，料液的性质和水相近，密度为960 kg／m3。试选择进料管的管径。
解：根据式(1—23)计算管径，即：
d = [V/0.785 u]1/2
根据式（1—21）知：
V = G/ ρ = 50000/（960×3600）= 0.0145 m３/s
因料液性质与水接近，从常用流速范围表中查得选取u = 1.8 m/s，故：
d = [0.0145/(0.785×1.8)]1/2 = 0.101 m
再根据教材附录查取管子的标准规格，选用Ф108×4 mm的无缝钢管，其内径为：d = 108－4×2 = 100 mm = 0.1 m
重新核算流速，即：
u = V/（0.785×d2）= 0.0145/(0.785×0.12)= 1.85 m/s
例：以内径105 mm的钢管输送压力为2 atm、温度为120℃的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630 m3／h，试求此空气在管内的流速和质量流速。
解：依题意空气在标准状态下的流量应换算为操作状态下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程计算如下：
依式(1—23)，得流速：
取空气的平均分子量M m= 28.9，则实际操作状态下空气的密度ρ为：
依式(1—22)，得质量流速：
例：某厂要求安装一根输水量为30 m3／h的管道，试选择合适的管径。
解：按式(1—23)计算：
选取水在管内的流速u = 1.8 m／s，
查附录中管道规格，确定选用Φ89×4 (外径89 mm，壁厚4 mm)的管子，其内径为：
d = 89－（4×2）= 81 mm = 0.081 m
重新核算流速，即水在输送管内的实际操作流速为：
u = 30 / 0.785×0.0812×3600 = 1.62 m / s
1—2—2 稳定流动与不稳定流动
在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而变，这种流动称为稳定流动。
若流体在各截面上的有关物理量既随位置而变，又随时间而变，则称为不稳定流动。
如图所示：
流动情况示意图
如图所示，水箱3上部不断地有水从进水管1注入，而从下部排水管4不断地排出，且在单位时间内，进水量总是大于排水量，多余的水由水箱上方溢流管2溢出，以维持箱内水位恒定不变。在流动系统中，任意取两个截面1—1ˊ和2—2ˊ，经测定发现，该两截面上的流速和压强虽然不相等，即u1≠u2、p1≠p2，但每一截面上的流速和压强并不随时间而变化，这种流动情况属于稳定流动。
若将图中进水管的阀门关闭，箱内的水仍由排水管不断排出，由于箱内无水补充，则水位逐渐下降，各截面上水的流速与压强也随之而降低，此时各截面上水的流速与压强不但随位置而变；还随时间而改变，这种流动情况属于不稳定流动。
化工生产中多属于连续稳定过程，本章着重讨论稳定流动的问题。
1—2—3 流体流动时的连续性方程式
设流体在下图所示的管道中作连续稳定流动，从截面1—1流入，从截面2—2流出。若在管道两截面之间无流体漏损，根据质量守衡定律，从截面1—1进入的流体质量流量G1应等于从截面2—2流出的流体质量流量G2，即：
G1＝G2
由式(1—22)知，G = ρＡu
故有G =ρ1Ａ1 u 1＝ρ2Ａ2 u 2(1—24)
此关系可推广到管道的任一截面，即
G = ρ 1Ａ1 u 1＝ρ2Ａ2 u 2 = ρＡu = 常数（1—25）
式（1—25）表示在稳定流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变，而流速u随管道截面积A及流体的密度ρ而变化。
若流体不可压缩，即ρ=常数，则上式可简化为：
V = Ａ1 u 1＝Ａ2 u 2 = Ａu＝常数（1—26）
式（1—26）说明，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，不仅流经各截面的质量流量相等，它们的体积流量也相等，流体的流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速愈小，反之亦然。
式(1—24)（1—25）（1—26）都称为连续性方程式。
对于圆形管道，由式（1—26）可得：
（1—27）式中d1及d2分别为管道上截面1和截面2处的管内径。
上式说明，体积流量一定时，不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。
例：在稳定的状态流动系统中，介质连续地从粗管流入细管，粗管的直径是细管的两倍，则粗管内介质的流速是细管内介质的流速的多少（ B ）倍。
解：设粗管的直径为d1，流速为u1，细管的直径为d2(d2 =1/2 d1)，流速为u2：根据连续性方程知：u1/ u2=(d2/ d1)2
所以有：u1/ u2=［(1/2d1)/ d1]2 = 1/4
例：如附图所示的输水管道，管内径为：d1＝2.5cm；d2=10cm；d3=5cm。
(1)当流量为4L／s时，各管段的平均流速为若干?
(2)当流量增至8L／s或减至2L／s时，平均流速如何变化？
解：（1）根据式（1—20）：
由式（1—27）则：
（2）各截面流速比例保持不变，流量增至8L/s时，流量增为原来的2倍，则各段流速增加至2倍，即：
u1 = 16.3m/s，u2 = 1.02m/s，u3 = 4.08m/s，
流量减小至2L/s时，即流量减小1/2，各段流速为原值的1/2，即
u1 = 4.08m/s，u2 = 0.26m/s，u3 = 1.02m/s
1—2—4 柏努利方程式
一、流动系统的总能量衡算
它是研究流体在稳定情况下从管道的某一截面流到另一截面时的能量守恒。
为了从最简单的情况出发，暂不考虑流体流动时的摩擦阻力及压缩性，也就是说将流体作为理想流体来处理。
如下图所示，有一理想流体在稳定流动系统中，流体从截面1—1′流入，经粗细不同的管道，从截面2—2′流出。管路上装有对流体做功的泵2及向流体输入或从流体取出热量的换热器1。
图柏努利方程式的推导
衡算范围：内壁面、1—1′与2—2′截面间。
衡算基准：1kg流体。
基准水平面：O—O′面。
设：u1、u2——流体分别在截面1—1′和2—2′处的流速，m／s；
p1、p2——流体分别在截面1—1′与2—2′处的压强，Pa；
Z1、Z2——截面1—1′与2—2′的中心至基准水平面O—O′的垂直距离，m；
A1、A2——截面1—1′与2—2′的面积，m2；
υ1、υ2——流体分别在截面1—1′与2—2′处的比容，m3／kg。
1 kg流体进、出系统时输入和输出的能量有下面各项：
（1）内能物质内部能量的总和称为内能，用符号U表示。
1 kg流体输入与输出的内能分别以U1和U2表示，单位是J / kg。
（2）位能流体因受重力的作用，在不同的高度具有不同的位能；相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所作的功，即：
位能= m g Z
位能的单位= kg·（m / s2 ）·m = N·m = J 其中：1 kg·m / s2 = 1N
1 kg流体输入与输出的位能分别为gZ1与gZ2，其单位为J／kg。
位能是个相对值，随所选的基准水平面位置而定，在基准水平面以上的位能为正值，以下的为负值。
（3）动能流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能。质量为m，流速为u 的流体所具有的动能为：
动能= 1/2 m u2
动能的单位= kg·(m / s)2 = kg·（m / s2 ）·m = N·m = J
1 kg流体输入与输出的动能分别为1/
2 u12与1/2 u22，单位是J / kg。
（4）静压能(压强能) 静止流体内部任一处都有一定的静压强。流动着的流体内部任何位置也都有一定的静压强。
对于上图所示的流动系统，流体通过截面l—1′时，由于该截面处流体具有一定的压力，这就需要对流体作相应的功，以克服达个压力，才能把流体推进系统里去。于是通过截面1—1′的流体必定要带着与所需的功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能。
设质量为m、体积为V1的流体通过截面1—1′，把该流体推进此截面所需的作用力为p1A1，而流体通过此截面所走的距离为V1 /A1，（能量或功=力×距离）则流体带入系统的静压能为：
输入的静压能= p1A1·V1 /A1 = p1V1
对1 kg流体，则有：
输入的静压能= p1V1 / m = p1υ1
静压能的单位= Pa·m3 / kg = N / m2×m3 / kg = N·m / kg = J / kg
同理，1 kg流体离开系统2—2′时输出的静压能为p2υ2，其单位为J／kg。
上述输入与输出系统的四项能量，实际上就是流体在截面1—1′及2—2′上所具有的各种能量，其中位能、动能及静压能又称为机械能，三者之和称为总机械能或总能量。
此外，在上图中的管路上还安装有换热器和泵，则进、出该系统的能量还有：
(1)热设换热器向1kg流体供应的或从1kg流体取出的热量为Q，其单位为J ／kg。若换热器对所衡算的流体加热，则Q为从外界向系统输入的能量；若换热器对所衡算的流体冷却，则Q为系统向外界输出的能量。
(2)外功(净功) 1 kg流体通过泵(或其他输送设备)所获得的能量，称为外功或净功。有时称为有效功，以W表示，其单位为J／kg。
有效功W是按外界向系统输入的能量来讨论的。
根据能量守恒定律，连续稳定流动系统的能量衡算是以输入的总能量等于输出的总能量为依据的，于是便可列出以1kg流体为基准的能量衡算式，即：
U1＋gZ1＋u12/ 2＋p1υ1＋Q＋W = U2＋gZ2＋u22/ 2＋p2υ2（1—28）
令ΔU = U2－U1gΔZ = gZ2－gZ1
Δu2/ 2 = u22/ 2－u12/ 2 Δ(pυ) = p2υ2－p1υ1 式（1—28）又可写成：
ΔU＋gΔZ＋Δu2/ 2＋Δ(pυ) = Q＋W （1—28a）
式（1—28）与式（1—28a）是稳定流动过程的总能量衡算式，也是流动系统中热力学第一定律的表达式。方程式中所包括的能量项目较多，可根据具体情况进行简化。
二、流动系统的机械能量衡算与柏努利方程式
1、流动系统的机械能量衡算式为：（适用于可压缩与不可压缩流体）
（1—29）
式中：W e——即为有效功W，单位为J／kg；
Σh f——因克服流动阻力而损失的总能量，单位为J／kg。
式（1—29）是表示1 kg流体流动时的机械能的变化关系，称为流体稳定流动时的机械能衡算式。
2、柏努利方程式
将式（1—29）应用于不可压缩流体，即得到柏努利方程式。
不可压缩流体的比容υ或密度ρ为常数，故式（1—29）中的积分项变为：
于是式（1—29）可改写成：
（1—30）或者：
（1—30a）对于理想流体而言，不存在流动阻力，同时又没有外功加入，即Σh f = 0，W e = 0，式（1—30a）可简化为：
（1—31）
式（1—31）称为理想流体的柏努利方程式。单位为J / kg。
式（1—30）和式（1—30a）是柏努利方程式的引伸，它考虑了实际流体的情况，也称为柏努利方程式。
三、柏努利方程式的讨论
(1)式（1—31）表示理想流体在管道内作稳定流动而又没有外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能之和为一常数，称为总机械能，以E表示，单位为J / kg。
这个常数E意味着1 kg理想流体在各截面上所具有的总机械能相等，而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。即：式（1—31）表示了理想流体流动过程中各种形式的机械能相互转换的数量关系。
(2) 式（1—30a）中各项单位为J／kg，表示单位质量流体所具有的能量。应注意gZ、u2 / 2、p / ρ与W e、Σh f的区别。前三项是指在某截面上流体本身所具有的能量，而后两项是指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量。
式中W e是输送设备对单位质量流体所作的有效功，单位是J / kg，它是决定流体输送设备的重要数据。
单位时间输送设备对流体所作的有效功称为有效功率，以N e表示，单位是J / s 或W。
N e = W e·G （1—32）式中：G——流体的质量流量，kg / s。
(3) 对于可压缩流体的流动，若所取系统两截面间的绝对压强变化小于原来绝对压强的20% (即（p1－p2）/ p1＜20% 时，仍可用式（1—30）与式（1—31）进行计算，但此时式中的流体密度ρ应以两截面间流体的平均密度ρm来代替。
(4)如果系统里的流体是静止的，则u＝0；没有运动，自然没有阻力，即Σh f = 0；由于流体保持静止状态，也就不会有外功加入，即W e = 0；于是式（1—30a）变成：
上式与流体静力学基本方程式无异。由此可见柏努利方程式除表示流体的流动规律外，还表示了流体静止状态的规律，而流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式罢了。
(5) 流体的衡算基准（单位）不同，式（1—30a）便有不同的表达形式。
①以单位质量流体为衡算基准：
将式（1—30a）各项除以g，则得：
化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 、填空题 一个生产工艺是由若干个 各单元操作的操作原理及设备计算都是以 四个概念为依据的。 常见的单位制有 一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过 断。 单位时间过程的变化率称为 问答题 7. 什么是单元操作？主要包括哪些基本操作? 8. 提高过程速率的途径是什么？ 第一章流体流动 填空题 流体垂直作用于单位面积上的力，称为 两种。 当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是 因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力 流体在管道中的流动状态可分为 点运动方式上的区别是 判断液体处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是 流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是 在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将 ________ ，若改用转 子流量计，随流量增加转子两侧压差值 ___________________ 。 选择题 构成的。 由于在计量各个物理量时采用了不同的 ，因而产生了不同的单位制。 来判 单位体积流体的质量称为 ，它与 互为倒数。 单位时间流经管道任一截面的流体量称为 ,其表示方法有 的。 产生流体阻力的根本原因是 ；而 是产生流体阻力的第二位原 .两种类型，二者在部质 10 . 液体的密度随温度的升高而
11 表压值是从压强表上读得的，它表示的是 D 大气压强 13 - 气体在等截面的管道中流动时，如质量流量不变则其质量流速 14 - 粘度愈大的流体其流动阻力 15 - 柏努利方程式既可说明流体流动时的基本规律也能说明流体静止时的基本规律, 响却越来越明显。 18 - 当液体部任一点的压强有变化时，将使液体部其它各点的压强 二' 判断题 19 - 气体的粘度随压力的升高而增大。 （） 20 - 层流层的厚度随流体湍动程度的增加而增加。 21 -流体在管路中作稳定流动时，任一截面处流体的流速、密度与截面积的乘积均相等。 22 ■当液体部某点压强一定时，则液体的密度越大，此点距液面的高度也越大。 23 -流体阻力的主要表现之一是静压强下降。 24 ■ 真空度为定值时，大气压强越大，则绝对压强越大。 A 增大 B 减小 C 不变 不一定 A 比大气压强高出的部分 B 设备的真实压力 比大气压强低的部分 12 ■ 流体的流动类型可以用 的大小来判定。 A 流速 B 雷诺准数 C 流量 摩擦系数 A 随温度大小变化 B 随压力大小变化 C 不变 D 随流速大小变化 A 愈大 B 愈小 C 二者无关系 D 不会变化 表明静止流体任一点流体的 是常数。 A 总能量 B 静压能与动压能的和 C 压强 静压 台匕 冃匕 16 -流体的流动状态是由多方面因素决定的, 增大，都使流体向 向移动， 增大，使流体向 方向移动。 A 湍流 B 滞流 C 过渡流 D 稳流 17 ■ 湍流流动的流体随 Re 值的增大，摩擦系数与 关系不大，而 的影 A 雷诺准数 B 粘度 C 管壁粗糙度 D 流体阻力 A 发生变化 B 发生同样大小的变化 C 不变化 D 发生不同情况的变
第一章《流体力学》练习题 一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 A 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 A 3．层流与湍流的本质区别是（）。
A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 D 4．气体是（）的流体。 A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 B 5．在静止的流体内，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。
C 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 A 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 D 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。
A 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 A 10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 D 11. 流体在园管内流动时，管中心流速最大，若
为湍流时，平均流速与管中心的最大流速的关系为（）。 A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 B 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 A
化工原理绪论、流体流动、流体输送机械 一、填空题 1．一个生产工艺是由若干个__________ 和___________构成的。 2．各单元操作的操作原理及设备计算都是以__________、___________、___________、和___________四个概念为依据的。 3．常见的单位制有____________、_____________和_______________。 4．由于在计量各个物理量时采用了不同的__________，因而产生了不同的单位制。 5．一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过__________来判断。 6．单位时间内过程的变化率称为___________。 二问答题 7．什么是单元操作？主要包括哪些基本操作？ 8．提高过程速率的途径是什么？ 9．第一章流体流动 一填空题 1．单位体积流体的质量称为________，它与________互为倒数。 2．流体垂直作用于单位面积上的力，称为____________。 3．单位时间内流经管道任一截面的流体量称为________，其表示方法有________和________两种。 4．当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是_________的。 5．产生流体阻力的根本原因是________；而___________是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力_______________。 6．流体在管道中的流动状态可分为______ 和__________两种类型，二者在内部质点运动方式上的区别是_____________________________________。 7．判断液体内处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是_________、___________、________________。 8．流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是______________________________。 9．在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将_______，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值________。 一、选择题 10．液体的密度随温度的升高而_________。
1. 当地大气压为750mmHg，测得一容器内的绝对压力为360mmHg，则真空度为_________mH2O。测得另一容器内的表压强为980mmHg，则其绝对压强为________KPa。； 2．液体在圆形管道中流动，如果只将流量增加一倍后仍为层流流动，则阻力 损失为原来的________倍；如果保持流量不变只将管径增加一倍，则阻力损失为原来的__________倍。2；1/4 3．已知某油品在圆管中稳定流动，其雷诺数为1600。测得此时管中心处的点速度为1m/s，则此管截面上的平均速度为______m/s。1/2（或s） 4. 水在内径一定的圆形管中稳定流动，若质量流量一定，当温度降低时，Re 值将________。减小 5. 如图所示，用离心泵将密封储槽中的20°C的水通过φ100×2mm的管道送往敞口高位储槽。两储槽液面高度差为16m，密封槽液面上真空表p1读数为500mmHg（真空度），泵进口处真空表p2读数为290mmHg（真空度）。泵排出管路上装有一个孔板流量计，其孔口直径为70mm，流量系数为，所接U型水银压差计读数R为170mm。已知全部管路能量损失为36J/kg，试求： （1）* 3/h)。 （2）泵的输水量(m （3）泵出口处压力表p3的指示值(KPa)。(已知真空表与压力表相距 （4）包 括全部 局部阻 力的当 量长度 在内的 管路长 度。（已 知摩擦系数为）
' （1） /h 62.84m /s 0.0174m 03.4207.0785.07.0 1000 ) 100013600(17.081.9207.04 7.0 ) (233220==???=-???? ?? =-=πρρρgR A C V O O s ￥ （2） s m d V u /405.2096 .0785.00174 .04 2 2 =?= = π 选低槽液面1-1和高液面4-4之间列伯努利方程： kPa p kPa p H g u g p Z H g u g p Z f 66.3833.101760 29066.6633.101760500 22212 4 2421114 1=?==?=+++=+++-∑ρρ O mH H g p Z Z H f 23311446.2681 .936 81.9101066.6616)(41=+??+=+--=∑-ρ 选泵进出口为2-2和3-3截面列伯努利方程
化工原理流体流动部分模拟试题及答案 一填空 (1）流体在圆形管道中作层流流动，如果只将流速增加一倍，则阻力损失为原来的 2 倍；如果只将管径增加一倍而流速不变，则阻力损失为原来的 1/4 倍。 (2）离心泵的特性曲线通常包括 H-Q 曲线、 η-Q 和 N-Q 曲线，这些曲线表示在一定 转速 下，输送某种特定的液体时泵的性能。 (3) 处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须是 静止的 、 连通着的 、 同一种连续的液体 。流体在管内流动时，如要测取管截面上的流速分布，应选用 皮托 流量计测量。 (4) 如果流体为理想流体且无外加功的情况下，写出： 单位质量流体的机械能衡算式为????常数=+ + =g p g u z E ρ22 ???少乘一个g ???????????； 单位体积流体的机械能衡算式为????? 常数=++ =p u gz E 2 2 ρρ????????????； 单位重量流体的机械能衡算式为?????? 常数=+ + =g p g u z E ρ22 ???????????； (5) 有外加能量时以单位体积流体为基准的实际流体柏努利方程为 z 1ρg+（u 12 ρ/2）+p 1+W s ρ= z 2ρg+（u 22ρ/2）+p 2 +ρ∑h f ，各项单位为 Pa （N/m 2） 。 (6）气体的粘度随温度升高而 增加 ，水的粘度随温度升高而 降低 。 (7) 流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能 减小 。 (8) 流体流动的连续性方程是 u 1A ρ1= u 2A ρ2=······= u A ρ ；适 用于圆形直管的不可压缩流体流动的连续性方程为 u 1d 12 = u 2d 22 = ······= u d 2 。 (9) 当地大气压为745mmHg 测得一容器内的绝对压强为350mmHg ，则真空度为 395mmHg 。测得另一容器内的表压强为1360 mmHg ，则其绝对压强为2105mmHg 。 (10) 并联管路中各管段压强降 相等 ；管子长、直径小的管段通过的流量 小 。 (11) 测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将 增加 ，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将 不变 。 (12) 离心泵的轴封装置主要有两种： 填料密封 和 机械密封 。 (13) 离心通风机的全风压是指 静风压 与 动风压 之和，其单位为 Pa 。 (14) 若被输送的流体粘度增高，则离心泵的压头 降低，流量减小，效率降低，轴功率增加。 降尘室的生产能力只与 沉降面积 和 颗粒沉降速度 有关，而与 高度 无关。 (15) 分离因素的定义式为 u t 2 /gR 。 (16) 已知旋风分离器的平均旋转半径为0. 5m ，气体的切向进口速度为20m/s ，则该分离器的分离因数为 800/9.8 。 (17) 板框过滤机的洗涤速率为最终过滤速率的 1/4 。 (18) 在层流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 2 次方成正比，在湍流区颗粒的沉降速度与颗粒直径的 0.5 次方成正比。 二选择
第一章 流体流动 流体的重要性质 1．某气柜的容积为6 000 m 3，若气柜内的表压力为5.5 kPa ，温度为40 ℃。已知各组分气体的体积分数为：H 2 40%、 N 2 20%、CO 32%、CO 2 7%、C H 4 1%，大气压力为 101.3 kPa ，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 ()mol 4.246245mol 313 314.86000 0.10005.53.101t =???+== RT pV n 各组分的质量： kg 197kg 24.246245%40%4022H t H =??=?=M n m kg 97.1378kg 284.246245%20%2022N t N =??=?=M n m kg 36.2206kg 284.246245%32%32CO t CO =??=?=M n m kg 44.758kg 444.246245%7%722CO t CO =??=?=M n m kg 4.39kg 164.246245%1%144CH t CH =??=?=M n m 2．若将密度为830 kg/ m 3的油与密度为710 kg/ m 3的油各60 kg 混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。 解： ()kg 120kg 606021t =+=+=m m m 33 122 1 1 21t m 157.0m 7106083060=??? ? ??+=+ = +=ρρm m V V V 3 3t t m m kg 33.764m kg 157 .0120=== V m ρ 流体静力学 3．已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa ，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa ，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa 。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力 绝压=大气压-真空度= () kPa 3.65Pa 1020103.8533=?-?
一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 3．层流与湍流的本质区别是（）。 D A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。4．气体是（）的流体。 B A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 5．在静止的流体，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 C A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 D A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。
10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 D A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 11. 流体在园管流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的 最大流速的关系为（）。 B A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 13.层流底层越薄( )。 C A. 近壁面速度梯度越小； B. 流动阻力越小； C. 流动阻力越大； D. 流体湍动程度越小。 14.双液体U形差压计要求指示液的密度差( ) C A. 大； B. 中等； C. 小； D. 越大越好。 15.转子流量计的主要特点是( )。 C A. 恒截面、恒压差； B. 变截面、变压差； C. 恒流速、恒压差； D. 变流速、恒压差。 16.层流与湍流的本质区别是：( )。 D A. 湍流流速>层流流速； B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数； D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 17.圆直管流动流体，湍流时雷诺准数是（）。 B A. Re ≤ 2000； B. Re ≥ 4000； C. Re = 2000～4000。 18.某离心泵入口处真空表的读数为 200mmHg ，当地大气压为101kPa, 则泵入
流体流动 一填空 (1）流体在圆形管道中作层流流动，如果只将流速增加一倍，则阻力损失为原来的 2 倍；如果只将管径增加一倍而流速不变，则阻力损失为原来的 1/4 倍。 (2）离心泵的特性曲线通常包括 H-Q 曲线、 η-Q 和 N-Q 曲线，这些曲线表示在一定 转速 下，输送某种特定的液 体时泵的性能。 (3) 处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须是 静止的 、 连通着的 、 同一种连续的液体 。流体在管内流动时，如要测取管截面上的流速分布，应选用 皮托 流量计测量。 (4) 如果流体为理想流体且无外加功的情况下，写出： 单位质量流体的机械能衡算式为????常数=++=g p g u z E ρ22 ??????????????； 单位重量流体的机械能衡算式为????? 常数=++ =p u gz E 2 2 ρρ????????????； 单位体积流体的机械能衡算式为?????? 常数=++=g p g u z E ρ22???????????； (5) 有外加能量时以单位体积流体为基准的实际流体柏努利方程为 z 1ρg+（u 12ρ/2）+p 1+W s ρ= z 2ρg+（u 22ρ/2）+p 2 +ρ∑h f ，各项单位为 Pa （N/m 2） 。
(6）气体的粘度随温度升高而增加，水的粘度随温度升高而降低。 (7) 流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能减小。 (8) 流体流动的连续性方程是 u1Aρ1= u2Aρ2=······= u A ρ；适用于圆形直管的不可压缩流体流动的连续性方程为 u1d12 = u2d22 = ······= u d2。 (9) 当地大气压为745mmHg测得一容器内的绝对压强为350mmHg，则真空度为 395mmHg 。测得另一容器内的表压强为1360 mmHg，则其绝对压强为2105mmHg。 (10) 并联管路中各管段压强降相等；管子长、直径小的管段通过的流量小。 (11) 测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将增加，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将不变。 (12) 离心泵的轴封装置主要有两种：填料密封和机械密封。 (13) 离心通风机的全风压是指静风压与动风压之和，其单位为Pa 。 (14) 若被输送的流体粘度增高，则离心泵的压头降低，流量减小，效率降低，轴功率增加。 降尘室的生产能力只与沉降面积和颗粒沉降速度有关，而与高度无关。
1.3流体流动中的守恒原理 以管流为主， ?质量守恒守恒原理?机械能守恒 ?动量守恒 1.3.1质量守恒 ?流量及流速 a.流量：单位时间通过管截面的流体量。有 质量流量q m ，kg/s ；体积流量q v ，m 3/s 。 ?瞬时特性 ?作定态流动时，流量不随时间而变
b．流速 点速度：（u）单位时间质点在流动方向上的位移。 各点速度在流场（流体空间）内有一个分布，以管流为例，在管截面上，各点速度沿r分布
平均流速=q v /A 工程上常用一个平均值代替一个物理量的分布。平均值描述的结果要与用实际分布描述的结果等效。流体流动中，以流量相等为原则确定平均流速。 必须指出，上述方法确定的平均流速（）只有在计算流量时才能代替点速度分布，而在其它方面并不与点速度分布描述结果等效。 u u 质量流速G=q m /A c.q v 、q m 、、G 之间的关系 u
气体密度计算 标准状态下： 换算： 质量流速不随温度压力变化T T p p 000ρρ=
?质量守恒方程 取控制体1-1-2-2管段，作质量衡算 (欧拉法)：流入量=流出量+累积 ρ1A 1=ρ2A 2+定态条件下，=01u 2u ???dV t ρ???dV t ρ所以ρ1A 1=ρ2A 2 ——质量守恒方程 1u 2u
表明：定态流动时，流体通过任一截面 的质量流量为常数。 ?对不可压缩流体， ρ1=ρ 2 =const，有 q v1=q v2 =const u 1/u 2 =A 2 /A 1 表明不可压缩流体作定态流动时，管内体积流量为常数，流体通过各截面的（平均）流速与管截面积成反比。 ?若A 1=A 2 (=const，均匀管) 则u 1 =u 2 (=const)
化工原理习题：第一部分流体流动 一、填空 1.流体在圆形管道中作层流流动，如果只将流速增加一倍，则阻力损失为原来的 2 倍；如果只将管径增加一倍而流速不变，则阻力损失为原来的 1/4 倍。 ( 2 f l u = d2 Wλ,层流时： du Re= ρ μ ， 64 = Re λ，带入可知：阻力损失正比于流速，反比于 管径平方) 2.离心泵的特性曲线通常包括H-Q曲线、η-Q 和 N-Q 曲线，这些曲线表示在一定转速下，输送某种特定的液体时泵的性能。 3.处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须是静止的、连通着的、同一种连续的液体。流体在管内流动时，如要测取管截面上的流速分布，应选用皮托流量计测量。 4.牛顿粘性定律的表达式τ=μ，其应用条件是牛顿型流体层（滞）流流体。 5.如果流体为理想流体且无外加功的情况下，写出： 单位质量流体的机械能衡算式为??????????????????； 单位重量流体的机械能衡算式为?????????????????； 单位体积流体的机械能衡算式为?????????????????； 6.有外加能量时以单位体积流体为基准的实际流体柏努利方程为 z 1ρg+（u 1 2ρ /2）+p 1+W s ρ= z 2 ρg+（u 2 2ρ/2）+p 2 +ρ∑h f ，各项单位为 Pa（N/m2）。 7.气体的粘度随温度升高而增加，水的粘度随温度升高而降低。 8.流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能减小。 9.并联管路中各管段压强降相等；管子长、直径小的管段通过的流量小。 10 在离心泵工作时，用于将动能转变为压能的部件是____泵壳__________。 11.测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将增加，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将不变。 12. 离心泵的轴封装置主要有两种：填料密封和机械密封。 13.若被输送的流体粘度增高，则离心泵的压头降低，流量减小，效率降低，轴功率增加。
[1] 通常用毕托管直接测得的是管道内流体的( B )。 (A)平均速度 (B)点速度 (C)流量 (D)压力 毕托管又名测速管,直接测得的就是某一点的流速 [2] 用测速管测得管道中心的速度为uc,管径为d,则流量Vs为( D ) (A)d^2×uc×(1/4) (B)0.5譽c譫^21(1/4) (C)0.82譽c譫^21(1/4) (D)k譽c譫^21(1/4),k为系数 对层流k=0.5,对湍流k≈0.82。 流体在管内流动存在速度分布,管中心速度最大,所以测得的是最大速度uc,计算流量应取平均速度um,对于层流um=uc/2,对于湍流um≈0.82uc,所以应先判别流动型态,再计算Vs=um× d^2×(1/4) [3] 在层流流动的范围内,流速增大,摩擦因数1(B ),阻力损失( B )。 (A)减小,减小 (B)减小,增大 (C)增大,增大 (D)增大,减小 层流时,1=64/Re,流速增大,爰跣1,但根据范宁公式:Wf=胱(l/d)1(u^2/2)=(64/Re)1(l/d)1(u^2/2)∝u,即层流时阻力损失与流速一次方成正比,故流速增大,阻力损失增大。 [4] 雷诺数Re=馾u/1=馾u2/靧表征惯性力与粘性力之比。流体的速度_A____或粘度______，Re便大，表示惯性力占主导地位；若流体的速度______或粘度_____，Re便小，表示粘度占主导地位。 (A) 大，小，小，大 (B)大，小，大，小 (C)小，大，大，小 (D)小，大，小，大 雷诺准数反映流体流动中惯性力与粘性力之比。对于圆管中流体，ρdu2与单位面积的惯性力成正比，μu/d与流体内的剪应力成正比，于是ρu2/(μu/d)=Re就表征惯性力与粘性力之比。若流体的速度小或粘度大，Re便小，表示粘度力占主导地位。 [5] 孔板流量计的主要缺点是( C )。 (A)结构复杂 (B)不能测量流速 (C)阻力损失过大 (D)价格过高 孔板流量计的主要缺点是阻力损失大。如动画所示，流体通过孔板后并不能立刻充满缩小后的截面，而是继续缩小，经过一最小截面后，才逐渐充满小管整个截面，同时产生大量漩涡，机械能损失很大。孔板流量计可以间接测得流速。 [6] 牛顿流体在管内作层流流动,流体层之间的剪切应力在(B )。 (A)管中心最大
化工原理流体力学习题及答案精编W O R D版 IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】
一、单选题1．层流与湍流的本质区别是（）。 D A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 2．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 3．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 D A 真空度；B 表压力；C 相对压力；D 绝对压力。 4．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为真空表。 B A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 5. 流体在园管内流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的最大流 速的关系为（）。 B A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 6. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关；
C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 7.层流底层越薄( )。 C A. 近壁面速度梯度越小； B. 流动阻力越小； C. 流动阻力越大； D. 流体湍动程度越小。 8.层流与湍流的本质区别是：( )。 D A. 湍流流速>层流流速； B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数； D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 9.在稳定流动系统中，水由粗管连续地流入细管，若粗管直径是细管的2倍，则细管流速是粗管的（）倍。 C A. 2； B. 8； C. 4。 10.流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是（）。 C A. 流动速度大于零； B. 管边不够光滑； C. 流体具有粘性。 11.水在园形直管中作滞流流动，流速不变，若管子直径增大一倍，则阻力损失为原来的（）。 A A. 1/4； B. 1/2； C. 2倍。 12．柏努利方程式中的项表示单位质量流体所具有的（）。 B A 位能； B 动能； C 静压能； D 有效功。
流体流动复习题 一、填空题： 1.（3分）雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝1000kg/m3,粘度μ=1厘泊的水,在内径为d=100mm,以流速为1m/s在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型为______.（Re=dｕρ/μ ; 105；湍流） 2.（2分）某流体在圆管中呈层流流动,今用皮托管测得管中心的最大流速为2m/s,此时管内的平均流速为_________.（1m/s） 3.（2分）牛顿粘性定律用粘滞力的表达式为_______________. 用剪应力的表达式为_______________. （F'=μAdu/dy; τ=μdu/dy） 4.（2分）当地大气压为750mmHg时,测得某体系的表压为100mmHg,则该体系的绝对压强为_________mmHg,真空度为_______mmHg. （850; -100） 5.（2分）圆管中有常温下的水流动,管内径d=100mm,测得其中的质量流量为s/,其体积流量为___________.平均流速为__________.( s,s) 6.（4分）当20℃的水(ρ=998.2kg/m3,μ=厘泊)在内径为100mm的光滑管内流动时,若流速为s时,其雷诺准数Re 为______,直管摩擦阻力系数λ为_____.×104; 7.（2分）某长方形截面的通风管道, 其截面尺寸为30×20mm,其当量直径de为__.( 24mm) 8.（3分）测量流体流量的流量计主要有如下四种: __ ___,______,____ , _______,测量管内流体点的速度,则用____. (转子流量计;孔板流量计;丘里流量计;湿式气体流量计;皮托管) 9.（2分）测量流体压强的仪器主要有如下两种: ______,_____.( U管压差计;弹簧压力计) 10.（4分）计算管道流体局部阻力的方法有: ________,____________,其相应的阻力计算公式为 _____________,____________,( 当量长度法; 阻力系数法; h f=λ(le/d)(u2/2g); h f=(u2/2g) ) 11.（3分）在流体阻力计算中,当量长度的定义是__________________________ . (能产生与某局部阻力相当的直管长度, 称为该局部阻力的当量长度。) 12.（2分）管出口的局部阻力系数等于________,管入口的局部阻力系数等于______.( ; 13.（3分）理想流体是指＿＿＿＿______＿＿＿；而实际流体是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 (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。) 14.（3分）流体体积流量用＿＿＿＿＿来计算；质量流量用＿＿＿＿＿来计算；而流体流速用＿＿＿＿＿来计算。(Vs＝m s＝.ρ u＝Vs /A) 15.（3分）流体在园直管内流动，当Re≥4000时的流型称为＿＿＿，其平均速度与最大流速的关系为＿＿＿＿＿＿，而Re≤2000的流型称为＿＿＿，其平均速度为＿＿＿＿＿＿。 ( 湍流，u m＝，滞流，u m＝u max。) 16.（3分）流体体积流量一定时,有效截面扩大,则流速＿＿＿,动压头＿＿＿,静压头＿＿＿。(填增加,减少,不变）( 减少,减少,增加。) 17.（2分）当量直径的定义是de＝＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿,在套管环间流动的流体,外管的内径是d1,内管的外径是d2,则当量直径de＝＿＿＿＿＿＿＿。 ( de＝4×流通截面积/浸润周边; de＝d1－d2) 18. 流体的粘度指__________________________。粘度值随温度变化而变化,对于液体，温度升高，粘度________；对于气体，温度升高，粘度________。( 流体流动时,相邻流体层间,在单位接触面上,速度梯度为1时,所产生的内摩擦力; 减少; 增大) 19.(2分）米糠油在管中作流动,若流量不变,管径不变,管长增加一倍,则摩擦阻力损失为原来的______倍。(2倍) 20.（3分）柏努利方程如衡算基准以J/kg表示,柏努利方程可表示为＿＿＿＿＿＿＿＿＿______________＿, 若用J/m3表示则可表示为________＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。( gZ1+P1/ρ+u12/2= gZ2+P2/ρ+u22/2+∑W f; ρgZ1+P1+ u12/2×ρ=ρgZ2+P2+ u22/2×ρ+∑W f g)
流体输送试题 一、填空题 1．流体的密度是指______________________________，其单位为______________。单位体积流体 所具有的质量，3/m kg 2．20℃时苯的密度为880kg/m 3，甲苯的密度为866kg/m 3，则含苯40%（质量）苯、甲苯溶液的 密度为 _____________。871.553/m kg 3．101.3kap 、20℃时空气的密度为_____________ 。1.2063/m kg 4．1atm ＝__________kpa ＝_________mmHg ＝_________mH 2O 。101.3， 760，10.33。 5．流体的粘度是描述流体_________性能的物理量，一般用符号_____表示；流体的粘度越大，流 动时阻力损失 __________。流动，μ，越大。 6．流体的流动形态有 _____________和____________两种，可用________判断。层流，湍流， 雷诺数Re 。 7．流体阻力产生的根本原因是_________________，而_______________与_________是产生流体 阻力的外因。流体本身的粘性，流动型态，管路条件 8．减小流体阻力的途径为_____________________________；_________________________； ___________________________；______________________等。减少不必要的管件；适当放大管径；加入一些添加剂以减小流体的粘度；给管子穿衬衣将粗糙管变成光滑管。 9．φ108×4mm 的无缝钢管，其实际外径为_________mm ，内径为_______mm 。108mm ,100mm 10．管路防腐要涂油漆，一般油漆的颜色与物料的性质、用途有关。那么红色管为________ ___________；黄色管为_______________；绿色管为________________ 。主要物料管，危险品管，水管。 11．离心泵的构造主要包括________和________组成的旋转部件以及________和_________组成的 固定部件。叶轮，泵轴，泵壳，轴封 12．离心泵的流量调节方法有________________________和___________________________，一般 在生产中采用__________________________，在需要长期改变流量时采用___________________。改变管路特性曲线，改变泵的特性曲线，改变管路特性曲线，改变泵的特性曲线。 13．离心泵开车时，泵空转、吸不上液体、进口处真空度低，此时泵发生了__________现象，其 原因可能是________________或__________________。气缚，没有灌泵，轴封不严密。
第一章 流体的压力 【1-１】容器A 中的气体表压为60k Ｐa,容器B 中的气体真空度为.?41210Pa 。试分别求出A 、B 二容器中气体的绝对压力为若干帕，该处环境的大气压力等于标准大气压力。 解 标准大气压力为101．32５k Ｐa 容器A 的绝对压力 ..p kPa ==A 101325+60161325 容器Ｂ的绝对压力 ..B p kPa =-=1013251289325 【１-2】某设备进、出口的表压分别为-12kP ａ和1５７ｋPa,当地大气压力为1０１.３kPa 。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。 解 进口绝对压力 ..进101312893 =-=p kPa 出口绝对压力 ..出101 31572583 =+=p kPa 进、出口的压力差 ..p kPa p kPa ?=--=+=?=-=157（12）15712169 或 258 389 3169 流体的密度 【１-３】正庚烷和正辛烷混合液中,正庚烷的摩尔分数为０.4,试求该混合液在2０℃下的密度。 解 正庚烷的摩尔质量为/kg kmol 100，正辛烷的摩尔质量为/kg kmol 114。 将摩尔分数换算为质量分数 正庚烷的质量分数 (10410003690410006114) ω?==?+? 正辛烷的质量分数 ..2103690631ω=-= 从附录四查得2０℃下正庚烷的密度/kg m ρ=31684,正辛烷的密度为/kg m ρ=32703
混合液的密度 /..31 69603690631684703ρ==+m kg m 【1-4】温度20℃，苯与甲苯按4:6的体积比进行混合，求其混合液的密度。 解 20℃时，苯的密度为/3879kg m ，甲苯的密度为/3867kg m 。 混合液密度 ../3879048670．68718 ρ=?+?=m kg m 【1-5】有一气柜，满装时可装36000m 混合气体，已知混合气体各组分的体积分数为 2224 H N CO CO CH .04 0.2 0.32 0.07 0.01 操作压力的表压为5．5ｋＰa ，温度为4０℃。试求:(１)混合气体在操作条件下的密度; （2）混合气体的量为多少kmol 。 解 ...T K p kPa =+==+=27340313，101 35 5106 8 （绝对压力） 混合气体的摩尔质量 ....../2042802280324400716001186 =?+?+?+?+?=m M kg kmol (1）混合气体在操作条件下的密度为 .../.m m pM kg m RT ρ?===?310681860763 8314313 (２)混合气体36000=V m ，摩尔体积为 ./.m m M m kmol ρ=31860763 混合气体的量为 ..m m V n kmol M ρ?===60000763246 186 流体静力学 【1-6】如习题1-6附图所示，有一端封闭的管子,装入若干水后，倒插入常温水槽中，管中水柱较水槽液面高出2m ，当地大气压力为101.２kP ａ。试求：（1)管子上端空间的绝对压力;（2)管子上端空间的表压;(３)管子上端空间的真空度；(4)若将水换成四氯化碳，管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米? 解 管中水柱高出槽液面2ｍ，ｈ=2m 水柱。 （1)管子上端空间的绝对压力绝p 在水平面11'-处的压力平衡,有 .绝绝大气压力 1012001000981281580 （绝对压力）ρ+==-??=p gh p Pa (2)管子上端空间的表压 表p 习题1-6附图
化工原理第1章 化工原理试题(附答案) 姓名 _________ 班级 _________ 学号 __________ 一、填空题: 1.( 3分) 题号 1001 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝1000 kg.m,粘度μ=1[厘泊]的水,在内径为d=100[mm],以流速为1 [m.s]在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型 为_____. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 10; 湍流 2.( 3分) 题号 1002 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝1000 kg. m,粘度μ=1[厘泊]的水,在内径为d=10[mm],以流速为0.15 [m. s]在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型 为_____. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 1500; 层流 3.( 3分) 题号 1003 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝820 kg. m,粘度μ=3[厘泊]的水,在内径为d=100[mm],以流速为2[m.s] 在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型为_____. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 5,46X10; 湍流 4.( 3分) 题号 1004 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝820 kg. m,粘度μ=3[厘泊]的水，在内径为d=10[mm]，以流速为0.5[m. s]在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型为__ ___. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 1366; 层流 5.( 2分) 题号 1005 第 1章知识点: 600 难度: 易 某流体在圆管中呈层流流动,今用皮托管测得管中心的最大流 速为2m.s,此时管内的平均流速为_____________. ***答案*** 1m.s 6.( 2分) 题号 1006 第 1章知识点: 600 难度: 易 某流体在圆管中呈层流流动,今用皮托管测得管中心的最大流 速为3m.s,此时管内的平均流速为_____________.
化工原理第1章流体流动 化工原理试题(附答案) 姓名 _________ 班级 _________ 学号 __________ 一、填空题: 1.( 3分) 题号 1001 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝1000 kg.m,粘度μ=1[厘泊]的水,在内径为d=100[mm],以流速为1 [m.s]在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型 为_____. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 10; 湍流 2.( 3分) 题号 1002 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝1000 kg. m,粘度μ=1[厘泊]的水,在内径为d=10[mm],以流速为0.15 [m. s]在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型 为_____. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 1500; 层流 3.( 3分) 题号 1003 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝820 kg. m,粘度μ=3[厘泊]的水,在内径为d=100[mm],以流速为2[m.s] 在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型为_____. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 5,46X10; 湍流 4.( 3分) 题号 1004 第 1章知识点: 600 难度: 易 雷诺准数的表达式为________________。当密度ρ＝820 kg. m,粘度μ=3[厘泊]的水，在内径为d=10[mm]，以流速为0.5[m. s]在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型为__ ___. ***答案*** Re=dｕρ/μ ; 1366; 层流 5.( 2分) 题号 1005 第 1章知识点: 600 难度: 易 某流体在圆管中呈层流流动,今用皮托管测得管中心的最大流 速为2m.s,此时管内的平均流速为_____________. ***答案*** 1m.s 6.( 2分) 题号 1006 第 1章知识点: 600 难度: 易 某流体在圆管中呈层流流动,今用皮托管测得管中心的最大流 速为3m.s,此时管内的平均流速为_____________.