关于流体流动问题

关于流体流动问题的宏、中和微型仿生在计算机模拟中的最

新进展

摘要：过去十年里，计算方法已广泛地应用到各种各样的科学研究和工程设计中。虽然计算机流体动力学（CFD）方法已经在涉及流体流动、热以及大规模转移的研究及仿真运输现象中发挥主导作用，但是近年来，在模拟中、微观尺度的其他数值方法也已被积极地用来解决复杂流动和流体界面相互作用的问题。本文介绍了有关流体流动问题在仿生学的多尺度计算模拟的最新进展。先进的数字技术，例如，这种格子玻尔兹曼方法 (LBM)、分子动力学(MD)和常规CFD，被应用到不同的方面，如水流、电渗透影响蚯蚓的运动，和自动清洗疏水表面和数值方法的介绍。模拟仿生学新的挑战在发展自洁疏水表面的物理条件的问题方面进行讨论。

关键词: 仿生学、计算模拟、宏、细观、微尺度、疏水性曲面

1 说明

在自然界，植物和动物能够随时间而变化，最好的去适应环境。例如，蚯蚓和其他土壤动物如甲虫可以在泥或潮湿的土壤中有效地移动而不需要坚持。鲨鱼皮具有内置的障碍物减少装置可确保鲨鱼有很高的游泳速度。荷叶可以击退水和去除污染物，清洁其表面。白蚁巢的建立伴随着有效的自然通风和可控制的温度变化，等等。这种有趣的现象已被注意，并形成了一个新的仿生学，且得到了发展。

传统的仿生学，可以被解释为“从自然的良好设计的抽象”，可以到帮助找到解决方案，为改进技术设计提供适当的模型，用来开发高效和可持续工程功能表面的术应用程序。植物和动物非常有效地互动，通过他们的微结构和功能，能达到能量平衡和高效率的角质在环境交换能量和物质流。为了模仿这些工艺设计，在功能曲面和周围环境的交互应该更好地理解，其物理性质应该有效地模仿和模拟。只要可以开发理论模型，计算模型确实当然可以供应有效数值试验来获得最佳或优化的办法。例如，CFD的常规方法已用于模拟一个鱼形物体在液体（例如水）运动中的粘性【2-4】和根据爆炸性甲虫为发动机设计新型引擎组件[5]。但是，对于一些微结构的生物功能表面，从生物表面形貌模仿的良好的功能表面

微观结构设计技术不可能只是一个简单的几何比喻；根据物理相似的情形，需要确定和满足的条件；其他超出常规的CFD微观或细小尺度的数值方法可以是必要的。（第一页）所以，为了设计出自洁表面的工程材料，转移生物的低粘性超疏水的表面，有需要发展物理的和数值模式。

通过利用增加计算机能量，CFD在科学数值计算和工业及工程设计方面发挥越来越重要的作用。CFD，作为运输方程的主要工具(纳维尔-斯托克斯类型方程），已应用于几乎所有类型的工业进程或涉及流体流动的设施的设计。典型的例子包括在各种工程渠道中液体流量的数值预测和流经具有不同配置的表面，模拟多相流或混合反应器和燃烧室，在换热器里模拟流动和传热。

近年来，在有关不同表面包括生物接触面的不同的工程领域，自由表面流动和多相流体相互作用方面，花费了大量的精力集中理解复杂的物理流体流动。同时，科学家和工程师已经开始在亚微米和纳米级尺度下探索新的数值方法预测运输现象，由于其在发展下一代集成电路，超快激光加工，微观尺度系统和一系列新技术方面有着重要[ 6 ]。

在常规 CFD 技术发展的同时，中观和微观方法最近得到发展，这是基于连续理论主要利用有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）求解纳维尔-斯托克斯方程。作为一个典型的中尺度方法，格玻尔兹曼方法（方法）有许多的计算优势[ 7 ]。停留在介观（LBM）层次，可通过追踪分子集合的分布发展功能来模拟流体流动。在这样做时，LBM能够将流体相互作用的粒子吸收，这是物理本身的分隔力和表面张力。动态界面，是多相流的必要条件，但难以处理宏观层面上的问题，可以仿照LBM纳入的流体相互作用的粒子方法。此外，LBM方法计算效率高于分子动力学，因为它避免了跟踪单个分子并且解决程序是明确的，易于实现和并行的。因此，该方法已发展成为一个有前途的数值格式，可以模拟复杂流体流动，相分离或混合，和处理复杂的接触面。在微/纳米模拟，分子动力学（MD）和直接模拟蒙特卡洛方法（DSMD）已经被迅速开发和应用，并且用于模拟各种复杂的物理问题，同时模拟也覆盖了微/纳米结构和微观时间尺度[8 ,9]。

近年来，耦合宏观尺度模拟已取得重大进展，该方法通常是基于常规CFD 与分子水平模拟[10，11]的。高性能计算机的发展（HPC）促进了这种耦合方法和并行计算。该方法能够模拟带有复杂生物接触面的许多物理问题。本文首先回

顾了作者在诺丁汉大学在多尺度模拟流体流动有关的问题的工作进展，并提出了在发展物理条件自洁表面疏水性方面关于仿生造型问题的新的挑战。

2 CFD 宏观尺度仿生流体流动模拟和建筑的环境

自上世纪80年代，对流CFD方法传已应用于数值模拟仿生问题。大多数流行的数值工作[2 ,3]模拟在水中的鱼体运动，这是建立在常规流体力学理论基础上的。最近在诺丁汉大学（图1）的试验表明了使用商业CFD代码顺畅模拟这类仿生问题[4]。其他使用商业CFD代码来研究仿生的例子包括震动[12]模拟和爆炸模拟[5,13]。

英国利兹大学的研究人员正在研究的爆炸性甲虫的独特的“燃烧”技术，看它是否可以被复制使用在飞机工业。了解爆炸性甲虫基于射流的防御机制（图2）可以帮助解决一个偶尔出现在高海拔的问题，这个问题是当室外空气温度低-50°时，燃气涡轮飞机引擎会被切断。（第二页）

图 1 鱼体在水中的CFD模拟

图 2 甲虫100℃喷射它体内的水汽射流[ 13 ]

此外，为了学习自然或建筑的自然通风，商业代码如PHOENICS和FLUENT 已被用于研究建筑环境与城市规划的问题。图3显示了最近的结果，数值模拟环境设计的热通风的迪拜新市区[ 14 ]。根据压力和温度的分布，各地的建筑可以

进一步考虑如何改善当地环境设计。图4显示的结果，CFD商业代码FLUENT在新生病毒建筑——香港[ 15 ]大花园用于评价气流通气对“非典”病毒分布的影响。图4a显示的地图的花园和建筑物；图4b显示了在外部污水管缺乏的维护和窗式空调系统；

图4c的结果表明了一个模拟风速在第五楼的风速为5 m·s?1；而图4d显示图4c局部放大分布。很显然，风幕效应已导致病毒停留在窄间隙的建筑物定位的排水管道，该区域表现为低压力和低速。窗式空调系统以及与这些低压带的病毒区非常有助于非典爆发的。进行数值实验更容易和更好的使环境可以得到改善。图4e显示的是一个改进的结果通风的间隙面积大大提高，扩大的差距从1.5米到3米。

在图4中的数值试验表明可以开发基于CFD模拟设计工具在设计和规划阶段来预测潜在的人工灾难，而不是以研究可能修复或改进的解决办法后采取它。（第三页）

图 3 CFD为迪拜环境设计进行模拟

图 4 CFD窄间隙影响的试验在Amoy花园关于病毒分布

3 在发展仿生功能表面的挑战及限制

众所周知，生物与环境之间的基本交互发生在界面。这就是为什么经过数百万年的进化生物表面成为优化的多功能接口。在微观层次不同的功能导致各种复杂的三维的表面结构，例如限制控制水分流失，保护来自太阳辐射的影响，微诱导湍流流动减阻，抵御病原体等。

材料科学家一直感兴趣，产生少量或没有粘合剂的表面，但他们的唯一方法是生成光滑界面。1995以来，发现超微观和纳米生物表面已导致在这一领域的卓越创新[ 16 ]。近年来，在仿生方面研究生物功能表面已成为一个最重要的议题。今天的科学家正在越来越多地寻找有趣的动物和植物来获取设计的见解，帮助他们创造新的材料和化合物。（第四页）一些植物和动物转让生物形态的技术到应用的例子可以被确定，其中包括结构颜色的蝴蝶形态，根据夜间活动的蛾的角膜模型的防反射玻璃和塑料表面，鳞箔在飞机上类似于鲨鱼皮，铧式犁的仿生粗糙度拷贝于甲虫的表面结构[ 17 19 ]。这些设计是利用扫描电子显微镜（SEM）和理论的几何相似性。事实上这是非常困难的，因为，从微观上看，生物表面往往表现出意想不到的各种复杂的三维微型和纳米结构。许多植物，如荷叶，特点是有层次纹理何疏水表面化学。巴斯洛特等人，率先研究莲花效应和设计防水功能表面工程材料[ 20 ]。通过观察水滴在生物表面，发现由于结合微粗糙度和疏水性，水滴甚至有轻微的倾向滚下来；超疏水性（不浸润的）表面的属性是指自我清洁的能力。这些科学背后的现象是，微粗糙度的表面结构导致水滴与表面的污染物颗粒之间的减少如图5和6[20]。

图 5 汞滴在芋头的正表面呈现的莲花效应，节长：50微米生物防粘表面有很大的技术热点。科学家和工程师们努力转移或模仿生物功能表面结构到表面工程材料技术中。在过去十年中，不同的物种的微观表面结构的有效研究是由扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）模仿工程功能表

面完成的。然而，大多数这些仿制品是根据几何相似性；相似的物理性质是不合理的。虽然一些宏观物理性能可以通过验证实验测量或测试，实际的物理相似性还没有被应用于模仿或设计。事实上，复杂的微观形态的生物功能表面做任何实验验证仿制品的物理相似性都非常困难。不过，利用计算机电源能量这可以进行数值试验。验证物理相似的仿生设计，这些模型的重要方面需要创新的进一步研究：

（1）精确的数学特性描述功能表面与周围媒介如水污染物和颗粒直观相互作用。

（2）对影响媒介行为的物理表面形貌进行更深入的了解。

图 6 粒子和水滴从表面光滑（左）和微粗糙表面（右）滚下

4 亲水性和疏水性表面上的水滴的模拟

生物表面的物理模型与其周围的媒介将是越来越重要的工具为将生物低胶粘剂和超疏水表面转移到技术应用中。（第五页）

迄今关于这种模式的研究仍然十分有限，数值的方法不能有效的实现。为了模拟生物或模仿功能表面与环境的相互作用的行为，特定的微形貌和其周围的媒介，如水污染物颗粒表面必须视为一个系统。相互作用发生在生物或固体表面和周围的多相流体界面上。

在诺丁汉的一篇研究中，对在常温下，被空气包围着的水滴并涂润湿表面，

=1X103kg/m3进行了研究和模拟[21]。事实上，两者液体的密度（水和空气）是ρ

L

ρG=1.29(两者的密度比率是775)，最初的水和空气的表面张力是σ

=1x10-3kg/s2。目前的做法，运动的水滴其表面的亲水性与疏水使用新方案的格LG

玻尔兹曼方法已经模拟成功[21]。

根据Young法律[22]，当液体蒸汽表面接触部分潮湿固体界面时，在液体中

测量的接触角θw，可以通过表面伸缩的平衡方程来计算，计算方程如下：

这里的σ

SG 和σ

SL

分别是固-气和固-液表面的张力。在LBM计划里[21]，这

样的湿度角可以通过如下内在的湿度Ω进行计算：

因为湿度角有一个范围0<θw<π，Ω有如下的形式

这里的γ=arccos(sin2θw)

水滴在湿润或亲水性的表面均匀的扩散，这种方法第一次被使用。正如图7所示，水滴随着时间的传播，最后达到了平衡的形状；接触角接近于最初的预设值θw=π/4。图8显示了，水滴在湿润表面均匀传播的另一种情况，水滴最终以一个接触角θw=π/2达到平衡形状。

这种方法也被用在水滴在不均匀的表面传播。正如图9所示，一个小的半球状水滴在不均匀的表面传播的形式被仿真。这种不均匀的表面包含了亲水表面接触角θw=π/6和一条狭窄的疏水性（间距0.6mm），这条间距位于表面的中心线，接触角为θw=5π/6。在开始阶段水滴延伸在亲水性表面后来由于表面附着力的作用开始传播；（第六页）

图 7 水滴在亲水性表面传播，θw=π/4，t=0~0.0675s[21]

图 8 水滴在均匀适度的表面传播，θw=π/2，t=0~0.0415s[21]

同时它迅速沿疏水带向内收缩。随着时间的推移，水滴在亲水性表面移动的越来越快，远离疏水性中心线，最终分裂成两个小的水滴。均与的亲水表面从疏水带分离出来，水滴传播的速度受三个方面因素的影响，也就是说，疏水带的宽度，重力和亲水表面适当的湿度。一个关于影响水滴传播和分离的三个因素的更深的研究，将在不久的将来实行。

5 微观尺度晶格玻尔滋曼方法（LBM）的应用

图10展示了最近一项有关模拟流动的仿生、靠近体表的电渗驱动微流内的薄液层的研究。值得注意的是，变化的电渗力导致漩涡，在t=0形成，在一个厚度为400nm的微型薄液层内沿着体表以1mm/s的速度相对移动。移动的漩涡，或许可以改善抗土壤粘附的影响。（第七页）

图 9 水滴在非均匀表面传播，t=0~0.154s[21]

（a）潜在的（关于EDL）分布（b）外部应用领域的潜在分布

（c）在微液层速度和顶点的分布

图10

LBM自上世纪80年代开始发展，当时它主要用来间接地求解N–S方程[25]。仅当1991年开始，Gunstensen等人开发了动力学模型[26]，LBM才被用来模拟多相流体流动问题。从那时起，一些多相制模式已经提出；他们是伪电势模型，自由能模型和索引功能模型。一般来说，目前LBM模式的两个基本模式已经形成了相分离的LBM模型的框架。首先是Sham和Chen的模型，在模型里面，一个简单的，有效的互动潜力提出了描述流体与流体的相互作用。在大多数的方法，界面形成介绍了现象学模型的玻尔滋曼算子对相分离。Sham和Chen的工作试图分离微观相的相互作用。另一方法是将流体与流体在表面的相互作用力应用在玻尔兹曼方程里。

LBM方法去除二阶压力张量并且发现多出现实的界面相互作用。使用LBM来对聚泡沫和液滴的表面张力的建模的初步工作已由Takada、Inamuro等人完成，并且现在在诺丁汗大学里。在诺丁汉目前的方法中，D3Q15模型已经被应用，两种粒子的速度函数被用于晶格的玻尔兹曼方程里。一个用于计算一阶参数，它区分两者的相;另一种是用于计算两相流体没有压力梯度的速度。通过利用速度和压力的相互关系，他们由求解泊松方程来决定，可以得到满足速度的连续性方程。聚气泡或液滴的密度比高达1000的情况都可以模拟。关于模拟液滴扩散部分润湿表面，以及作者最近的工作展示在图7至图9中，其他有关的工作在参考文献[35]中。

6 微观分子动力学方法（MD）的应用

MD中著名的流体模型包括“硬球流体”，“方阱流体”和“勒纳德 -琼斯（L-J）流体”。L-J流体的一个重要特征是它是现实性的。也因为它可以表明汽液，固体液体和气体转换，临界点，三相点，L–J往往是用来作为流体性质的参考模型。

在与流体流动和传热的微系统等微型电子元件的冷却和微型热交换器有关的方面，许多工程问题被关注。图11表明了汽液固三相在蒸发和沸腾是的接触结构。分子动力学模拟方法有助于微观深入该地区附近的三相界面。影响固体和液体之间长链分子的作用力可以从微观角度来评价。一个厚度为几个分子层的超薄液膜的存在，最初是一个纳米观点验证的。在这方面，它是从研究物理化学的

角度，而不是液体动力学的观点，来得到一些结果，它影响在一个完全润湿系统的固体加热壁液膜。因此，在该区域附近的三相接触线的传热、传质现象的研究可以通过改变在系统中流体的原子数量，加热固体壁面温度，和模拟细胞的大小来实现。（第八页）

图 11 三相接触结构

在目前的调查中，在诺丁汉，一个有L-J流体定义限于两固体外墙，使用非平衡分子动力学（NEMD）模拟的系统正在被研究。图12显示了在不同温度条件下1200氩原子系统的液膜。当加热温度高达210度，液体膜仍然存在，但其厚度减少到只有一层为氩原子。在完全湿润的系统下，液体粒子由于较强的分子间作用力，液膜吸附在固体壁上。分子动力学模拟的二氧化碳附近的干燥区域的微通道热沉结果最近也已经出来。

图 12 在不同加热温度下1200氩分子系统的快照（只显示了加热墙和附近的流体）

7 耦合连续分子动力学模拟

主要技术难点在于，在分子动力连续的界面上建立这些不同类型的流体的耦合方法。在重叠区域的耦合描述，必须是一致的，与物理量，包括密度，动量和能量，和通量，都必须必须是连续的。边界条件所需的连续方程可直接地从在局部区域和时间内，描述的平均数量的粒子来获得。然而，相反的问题是，已知从宏观的数量产生微观粒子配置，如密度，动量，能量，是重要的的而且必须是唯一的。当有一个粒子通量在连续和离散区域之间时，这个问题会被放大。一般来

说，自积分步长为连续的N - S方程也有一个时间耦合问题，这个问题通常是几个数量级大于在分子动力区域的数量级。

几个耦合方案已经制定好。康奈尔和汤普森[39]指出，有一个有限的重叠区域很重要，该区域避免尖锐的密度振荡，并且允许两个解决方案在他们结合在一起之前就松开。他们使用一种放松的方法迫使平均分子动力速度在该区域遵循连续变速。本文介绍了一个任意的松弛率，但是他们相互靠近有个重要的限制，就是说在分子动力的连续界面上不包括质量流。虽然这是有限制的几何考虑，但这种方法成功地复制了一套一维流动方法。其他最近关于耦合的研究文章见参考文献[40?42]。在诺丁汉，一个多域耦合的数值方法，通常是处理边界唯一性的方法，并且已成功地开发和验证[43]。这些为进一步工作的微连续介质耦合铺平了道路。

8 结论

在这篇文章中，回顾了作者最近的工作，还有数值模拟的宏观，中观和微观尺度的先进的技术。关于仿生问题的计算流体力学模拟的潜力和最新进展是值得讨论的。计算流体动力学在不同尺度已被证明是有益的，该方法用于模拟和研究仿生问题，该问题与流体流体界面和固体功能表面的接触联系在一起。常规的CFD方法，就是通常的商业代码，可以适用于各种生物的问题。对于处理以液体固体界面为主的表面张力问题，微观晶格玻尔滋曼方法似乎是一个有吸引力的方法，它跟许多发展中的功能性表面（例如自洁表面）议题有关。此外，微观尺度分子动力学模拟是一个能够使我们获得深入了解以流体流动（特别是在不同阶段表面）为主的表面张力问题。然而，有效的连续和分子动力学模拟的耦合战略必须得到应用。

化工原理流体流动

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

空气在管道中流动的基本规律

第一章空气在管道中流动的基本 规律 工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。 通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的理论基础。 本章中心内容是工程流体力学基本知识，主要是空气的基本特性及运动时的基本规律。 1.1 空气的基本特性及流动的基本概念 流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分

子组成，分子之间有一定距离。而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体（主要是空气）可视为连续体，即所谓连续性的假设。这意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。研究证明，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。因此在工程应用上，用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。 1.1.1 空气的基本特性 1．密度和重度 单位体积空气所具有的空气质量称为空气密度，用符号ρ表示。其表达式为： （1-1） 式中：ρ——空气的密度（kg/m3）； m——空气的质量（kg）； V——空气的体积（m3）。

单位体积空气所具有的空气重量称为空气重度， 用符号表示。其表达式为： （1-2） 式中：——空气的重度（N/m3）； ——空气的重量（N）； ——空气的体积（m3）。 对于液体而言，重度随温度改变而变化。而对于气体而言，气体的重度取决于温度和压强的改变。 由公式（1-2）两边除以 ，可以得出空气的密度与重度存在如下关系； （1-3） 式中：——当地重力加速度，通常取9.81（m/s2）。 2．温度

(完整版)化工原理流体流动题库..

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

流动流体的基本规律

2.2 流动流体的基本规律 2.2.1 流动的基本概念 流体和连续性假设 流体是气体和液体的统称。气体和液体的共同点是不能保持一定形状，具有流动性；而其不同点表现在液体具有一定的体积，几乎不可压缩；而气体可以压缩。 当所研究的问题并不涉及到压缩性时，所建立的流动规律，既适合于液体也适合于气体，通常称为流体力学规律；此时通常不明确区分气体和液体而泛称为流体。当计及压缩性时，气体和液体就必须分别处理。 空气是由分子构成，在标准状态下（即在气体温度15℃、一个大气压的海平面上），每一立方毫米的空间里含有2.7×1016个分子。空气分子的自由行程很小，大约为6×10-6cm。当飞行器在这种空气介质中运动时，由于飞行器的外形尺寸远远大于空气分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，空气分子之间的距离完全可以忽略不计，即把空气看成是连续的介质。这就是空气动力学研究中常说的连续性假设。 随着海拔高度的增加，空气的密度越来越小，空气分子的自由行程越来越大。当飞行器在40km以下高度飞行时，可以认为是在稠密大气层内飞行，这时空气可看成连续的。在120~150km高度上，空气分子的自由行程大约与飞行器的外形尺寸在同一个量级范围之内；在200km高度以上，气体分子的自由行程有好几千米。在这种情况下，大气就不能看成是连续介质了。 运动的转换 在空气动力学中，为了简化理论和试验研究，广泛采用运动的转换原理 运动的转换原理，是根据加利略所确定的运动的相对原理而建立的。相对原理，即如果在一个运动的物体系上附加上一个任意的等速直线运动，则此附加的等速直线运动并不破坏原来运动的物体系中各物体之间的相对运动，也不改变各物体所受的力。 利用运动的转换原理，使问题的研究大为简化。设飞机以速度v∞在静止空气中运动(图2.2.1)，根据相对原理，可以给该物体系(飞机与周围空气)加上一个与速度v∞大小相等方向相反的速度。这样得到的运动是，飞机静止不动，无穷远处气流以速度v∞流向飞机。这两种情况下，空气作用在飞机上的力是完全相同的，这就是运动的转换原理。也就是说，空气作用在飞机上的力，并不决定于空气或物体的绝对速度，而决定于二者之间的相对运动。在风洞试验时，为了模拟飞行器在天空中的飞行情况，可以让模型固定不动，让气流吹过，这样就大大简化了试验技术。

流体在管内的流动阻力

2.2 流体在管内的流动阻力 本节重点：牛顿粘性定律、层流与湍流的比较。 难点： 边界层与层流内层。 2.2.1 牛顿粘性定律与流体的粘度 1. 流体的粘性 流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。 2. 牛顿粘性定律与流体的粘度 如图2-3所示，设有上、下两块面积很大且相距很近的平行平板，板间充满某种静止液体。若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以恒定速度u 沿x 方向运动。若u 较小，则两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，粘附在上板底面下的一薄层流体以速度u 随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，紧贴在下板表面的一层液体，因粘附在静止的下板上, 其速度为零，两平板间流速呈线性变化。对任意相邻两层流体来说，上层速度较大，下层速度较小，前者对后者起带动作用，而后者对前者起拖曳作用，流体层之间的这种相互作用，产生内摩擦，而流体的粘性正是这种内摩擦的表现。 平行平板间的流体，流速分布为直线，而流体在圆管内流动时，速度分布呈抛物线形，如图2-4所示。 实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F 与两流体层的速度差. u d 成正比，与两层之间的垂直距离dy 成反比，与两层间的接触面积A 成正比，即 图2-4 实际流体在管内的速度分布 图2-3 平板间液体速度变化

dy u d A F . μ= （2-16） 式中：F ——内摩擦力，N ； dy u d . ——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y 方向流体速度的变化率，1/s ； μ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa ·s 。 一般，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa ，则式（1-26）变为 dy u d . μ τ= （2-17） 式（2-16）、（2-17）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。 剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，包括所有气体和大多数液体；不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。本章讨论的均为牛顿型流体。 粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。粘度是反映流体粘性大小的物理量。 粘度也是流体的物性之一，其值由实验测定。液体的粘度，随温度的升高而降低，压力对其影响可忽略不计。气体的粘度，随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。 粘度的单位 在国际单位制下，其单位为 [][] s Pa m s m Pa .?== ?? ? ???= dy u d τμ 在一些工程手册中，粘度的单位常常用物理单位制下的cP （厘泊）表示，它们的换算关系为 1cP ＝10-3 Pa ·s 2.2.2 流动型态 1． 流体的流动型态

第四节 流体在管内的流动阻力

第四节流体在管内的流动阻力实际上理想流体是不存在的。流体在流动过程中需要消耗能量来克服流动阻力，本节讨论流体流动阻力的产生、影响因素及其计算。 §1.4.1牛顿粘性定律与流体的粘度 1、牛顿粘性定律 设有间距很小的两平行板，两平板间充满液体 (如图)。下板固定，上板施加一平行于平板的切向 力F，使上板作平行于下板的等速直线运动。紧贴 上板的液体层以与上板相同的速度流动，而紧贴固 定板的液体层则静止不动。两层平板之间液体的流 速分布则是从上到下为由大到小的渐变。 此两板间的液体可看成为许多平行于平板的流体层，这种流动称为层流，而层与层之间存在着速度差，即各液层之间存在着相对运动。运动较快的液层对与之相邻的运动较慢的液层作用着一个拖动其向运动方向前进的力；而与此同时，运动较慢的液层对其上运动较快的液层也作用着一个大小相等方向相反的力，从而阻碍较快的液层的运动。这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力（粘滞力）。流体流动时产生内摩擦力的这种特性称为粘性。 在上图中，若某层流体的速度为u，在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为u+du，则du/dy表示速度沿法线方向上的变化率，称为速度梯度。 实验证明，内摩擦力F与两流体层间的接触面积S成正比，与速度梯度du/dy成正比。即： F∝S·du/dy 亦即： F=μS·du/dy 剪应力τ：单位面积上的内摩擦力，即F/S, 单位N/㎡ 于是： τ=F/S=μ·du/dy——牛顿粘性定律 μ为比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度 说明：

①牛顿粘性定律可表达为剪应力与法向速度梯度成正比， 与法向压力无关，流体的这一规律与固体表面的摩擦力 的变化规律截然不同。 ②牛顿粘性定律的使用条件：层流时的牛顿型流体。 ③根据此定律，粘性流体在管内的速度分布可以预示为：如图 紧贴壁面的流体受壁面固体分子力的作用而处于静止状态， 随着离壁距离的增加，流体的速度连续地增大，至管中心 处速度达到最大。而当μ=0，无粘性时(理想流体)，管内 呈恒速分布，即速度不随位置，时间变化，各点均相同。 ④剪应力的单位： 因此，剪应力的大小也代表动量传递的速率(即单位时间、单位面积上传递的动量)。 传递方向：动量传递的方向与速率梯度的方向相反，即由高速度向低速度传递，以动量传递表示的牛顿粘性定律为： τ’：动量传递速率；“负号”表示两者方向相反 2、流体的粘度 (1)、粘度的物理意义： 从τ=μ·du/dy 可得μ=τ/(du/dy) 其物理意义为促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力，粘度总是与速度梯度相联系，它只有在运动时才显现出来。分析静止流体规律时不用考虑粘度。(2)、粘度随压强、温度的变化 粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定。 一般地， 流体的粘度μ=f(p,T)

管内流体流动现象

第一章流体流动 §3 管内流体流动现象 本节重点：牛顿粘性定律、层流与湍流的比较。 一、流体的粘度 （一）、牛顿粘性定律 流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。流体的粘性越大，其流动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。 如图1-23 所示，设有上、下两 块面积很大且相距很近的平行平 板，板间充满某种静止液体。若将 下板固定，而对上板施加一个恒定 的外力，上板就以恒定速度u沿x方向运动。若u较小，则两板间的液体就会分成无数平行的薄层而向右运动，粘附在上板底面下的一薄层流体以速度u随上板运动，其以下各层液体的速度依次降低，紧贴在下板表面的一层液体，因粘附在静止的下板上, 其速度为零，两平板间流速呈线性变化。对任意相邻两层流体来说，上层速度较大，下层速度较小，前者对后者起带动作用，而后者对前者起拖曳作用，流 体层之间的这种相互作用，是 由内摩擦力引起的，而流体的

粘性正是这种内摩擦的表现。 平行平板间的流体，流速分布为直线，而流体在圆管内流动时，速度分布呈抛物线形，如右图所示。 实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F 与两流体层的速度差. u d 和两层间的接触面积S 成正比，与两层之间的垂直距离dy 成反比，即 dy du S F μ= 式中：F ——内摩擦力，N ； dy u d .——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y 方向上流体速度的变化率，1/s ； μ(英文读音：mju:)——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa·s 。 一般，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa ，则式（1-26）变为 dy u d .μτ= （1-49） 式（1-49）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，包括所有气体和大多数液体；不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。本章讨论的均为牛顿型流体。 (二) 粘度的物理意义和单位 1、粘度的物理意义 流体流动时在与流动垂直的方向上产生单位速

化工原理 流体流动

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_________。

流体力学基础 第一节 空气在管道中流动的基本规律

流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律 一、流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律 第一章流体力学基础 第一节空气在管道中流动的基本规律 工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。 通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的基础。 本章中心内容是叙述工程流体力学基本知识，主要是空气的物理性质及运动规律。 一、流体及其空气的物理性质 (一) 流体 通风除尘与气力输送涉及的流体主要是空气。 流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。但在流体力学中，一般不考虑流体的微观结构而把它看成是连续的。这是因为流体力学主要研究流体的宏观运动规律它把流体分成许多许多的分子集团，称每个分子集团为质点，而质点在流体的内部一个紧靠一个，它们之间没有间隙，成为连续体。实际上质点包含着大量分子，例如在体积为10-15厘米的水滴中包含着3×107个水分子，在体积为1毫米3的空气中有2.7×1016个各种气体的分子。质点的宏观运动被看作是全部分子运动的平均效果，忽略单个分子的个别性，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。然而，也不是在所有情况下都可以把流体看成是连续的。高空中空气分子间的平均距离达几十厘米，这时空气就不能再看成是连续体了。而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体均可视为连续体。所谓连续性的假设，首先意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。有了这个假设就可以用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。 （二）密度 流体第一个特性是具有质量。流体单位体积所具有流体彻底质量称为密度，用符号ρ表示。 在均质流体内引用平均密度的概念，用符号ρ表示：

管内流体流动现象

第一章 流体流动 §4 流体在管内流动时的摩擦阻力损失 本节重点：直管阻力与局部阻力的计算，摩擦系数的影响因素。 难点：用量纲分析法解决工程实际问题。 流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。 化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。相应流体流动阻力也分为两种： 直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力； 局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。 一 范宁公式（Fanning ） 1、范宁公式 ：范宁经过理论推导，得到了以下公式： 22 l u h f d λ= （1-53） 式（1-53）为计算流体在直管内流动阻力的通式，称为范宁（Fanning ）公式。式中λ为无量纲系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re 及管壁状况有关。式（1－53）也可以写成： 2 2u d l h p f f ρλρ==? （1－54） 应当指出，范宁公式对层流与湍流均适用，只是两种情况下摩擦系数λ不同。 2、管壁粗糙度对摩擦系数λ的影响

光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管； 粗糙管：钢管、铸铁管等。 管道壁面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以ε表示。绝对粗糙度与管径的比值即d ε，称为相对粗糙度。工业管道的绝对粗糙度数值见教材（P27表1－1）。 管壁粗糙度对流动阻力或摩擦系数的影响，主要是由于流体在管道中流动时，流体质点与管壁凸出部分相碰撞而增加了流体的能量损失，其影响程度与管径的大小有关，因此在摩擦系数图中用相对粗糙度d ε，而不是绝对粗糙度ε。 流体作层流流动时，流体层平行于管轴流动，层流层掩盖了管壁的粗糙面，同时流体的流动速度也比较缓慢，对管壁凸出部分没有什么碰撞作用，所以层流时的流动阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关，只与Re有关。 流体作湍流流动时，靠近壁面处总是存在着层流内层。如果层流内层的厚度δL大于管壁的绝对粗糙度ε，即δL>ε时，如图1-28（a）所示，此时管壁粗糙度对流动阻力的影响与层流时相近，此为水力光滑管。随Re的增加，层流内层的厚度逐渐减薄，当δL<ε时，如图1-28（b）所示，壁面凸出部分伸入湍流主体区，与流体质点发生碰撞，使流动阻力增加。当Re大到一定程度时，层流内层可薄得足以使壁面凸出部分都伸到湍流主体中，质点碰撞加剧，致使粘性力的影

柴诚敬化工原理课后答案(01)第一章 流体流动

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=?-?

化工原理第1章流体流动习题与答案

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

流体的流动现象

流体的流动现象 化工生产中的许多过程都与流体的流动现象密切相关，流动现象是极为复杂的问题，涉及面广。 1—3—1 牛顿粘性定律与流体的粘度 一、牛顿粘性定律 前已述及，流体具有流动性，即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。另—方面，在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。 以水在管内流动为例，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点附于管壁上，其速度为零。其它流体在管内流动时也有类似的规律。所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动，如图1—11所示。由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动。速度快的流体层对相邻的速度较慢的流体层产生了一个推动其向前进方向的力；同时，速度慢的流体层对速度快的流体层也作用一个大小相等、方向相反的力，从而阻碍较快流体层向前运动。这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而流体的一部分机械能转变为热而损失掉。 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关?可通过下面情况加以说明。 图1—11 流体在圆管内分层流动示意图 图1—12 平板间液体速度变化图 如图1—12所示，设有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满了某种液体。若将下板固定，对上板施加一个恒定的外力，上板就以恒定的速度u沿x方向运动。此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零。

化工原理第一章(流体的流动现象)2008

第三节管内流体流动现象 一、牛顿粘性定律与流体的粘性 二、流体流动类型与雷诺数 三、流体在圆管内的速度分布 四、边界层的概念第一章流体流动

一、牛顿粘性定律与流体的粘度 1、牛顿粘性定律 （1）什么是粘性 流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。 【定义】表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。

（2）内摩擦力（粘性力）的表现 【现象】当拖动上面的平板时，原来平板之间静止不动的流体出现了速度梯度。

（3）什么是内摩擦力？ 对任意相邻两层流体来说，上层对下层起带动作用，而下层对上层起拖曳作用，流体层之间的这种相互作用力，称之为内摩擦力。 【说明】内摩擦力是一种切向力（剪力），与作用 面平行。

（4）粘度力的本质——流体内部的分子动量传递 ①沿流体流动方向相邻的两流体层，由于速度不同，动量也就不同。 ②高速流体层中一些分子在随机运动中进入低速流体层，与速度较慢的分子碰撞使其加速，动量增大； ③低速流体层中一些分子也会进入高速流体层使其减速，动量减小。 【结论】分子动量传递是由于流体层之间产生粘性力（内摩擦力）的原因。

实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F 与两流体层的速度差du 成正比，与两层间的接触面积A 成正比，与两层之间的垂直距离dy 成反比，即： dy du A F μ=式中：F ——内摩擦力，N ； du /dy ——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y 方向流体速度的变化率，1/s ； μ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa ·s 。（5）牛顿粘性定律

化工原理流体流动部分模拟试题及答案

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

流体流动试题集

流体流动试题集及参考答案 一、填空题： 1、按照化工单元操作所遵循的基本规律的不同,可将单元操作分为 动量传递、热量传递、质量传递。 2、化工生产中，物料衡算的理论依据是质量守恒定律， 热量衡算的理论基础是能量守恒定律。 3、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850mmHg为真空度为-100mmHg. 4、液柱压力计量是基于流体静力学原理的测压装置,用U形管压强计测压时, 当压强计一端与大气相通时,读数R表示的是表压或真空度。 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 与指示液密度、液面高度有关,与U形管粗细无关 5、转子流量计的设计原理是依据流动时在转子的上、下端产生了压强差。 6、静止液体中两处压力相等的条件是连续、同一液体、同一水平面。 7、流体体积流量用Q=uS来计算；质量流量用G=Qρ来计算；而流体流速用 u=Q/S来计算。 8、当流体的体积流量一定时,流动截面扩大,则流速减少,动压头减少,静压头增加。 9、柏努利方程实验中,在一定流速下某测压管显示的液位高度为静压头,当流速再增大时,液位高度降低；因为阻力损失增大, 10、理想流体是指没有粘性或没有摩擦阻力而实际流体是指具有粘性或有摩擦力。流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是流体具有粘性。

11、压头转换实验中,在一定流速下某测压管显示的液位高度为静压头值,流速再增大时,液位高度降低；因为阻力损失增大 12、P/(ρg)的物理意义是表示流动系统某截面处单位重量流体所具有的静压能,称为静压头。mu2/2的物理意义是表示流动系统某截面处1kg流体具有的动能。 13、雷诺准数的表达式为Re=dｕρ/μ。当密度ρ＝1000kg/m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10其流动类型为湍流 14、流体在圆直管内流动，当Re≥4000时的流型称为湍流， 其平均速度与最大流速的关系为Wm＝0．8Wｍａｘ Re≤2000的流型称为滞流，其平均速度为Wm＝0.5Wｍａｘ。 15、流体在圆管内作稳定连续流动时,当Re≤2000时为滞流流动,其摩擦系数λ=64/Re；当Re≥4000时为湍流流动。当Re在2000-4000之间时为过渡流。流体沿壁面流动时,有显著速度梯度的区域称为流动边界层。在管内呈湍流时,摩擦系数λ与Re; ε/d有关。当Re继续增大到大于某一定值时,则流体流动在完全湍流区,当ε/d为一常数时,其λ值为常数。 16、当密度ρ=1000kg/m,粘度=1（厘泊）的水,在内径为d=15mm,以流速为0.1 m/s在管内流动时,雷诺数等于1500,流动类型为层流。 17、当20℃的水（ρ=998.2kg/m,μ=1.005 厘泊）在内径为100mm的圆管内流动时,若流速为1.0 m.s时,其雷诺数Re为9.93×10,流动型态为湍流。 18、管出口的局部阻力系数等于1.0管入口的局部阻力系数等于0.5. 19、计算流体局部阻力损失的方法有当量长度法;阻力系数法;其相应的阻力损失

化工原理流体流动题库

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。

化工原理习题：第一部分流体流动(答案)

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。