作者：圣才学习网
出版社：圣才教育
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
柴诚敬《化工流体流动与传热》（第2版）笔记和考研真题详解试读：
绪 论
0.1 复习笔记
一、化学工程学科的进展
1．化学工艺与单元操作
化学工业泛指对原料进行化学加工，以改变物质结构或组成，或合成新物质，而获得有用产品的制造工业，又称化学加工工业。各种化工生产过程都是由化学反应和若干物理操作有机的组合而成。化学反应过程及其设备——反应器是化工生产的核心；构成多种化工产品生产的物理过程统称为化工单元操作，简称单元操作。
2．化学工程及其进展
化学工程是研究化学工业和相关过程工业生产中所进行的化学反应过程及物理过程共同规律的一门工程学科。“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程）概念的提出，开辟了化学工程发展过程的新历程。
二、单元操作及传递过程
1．单元操作分类（1）遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）等。（2）遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。（3）遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、革取、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都可将混合物进行分离，故又称之为分离操作。（4）同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。
2．传递过程
从本质上讲，所有的单元操作都可分解为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程或它们的结合。
3．单元操作与传递过程的融合（1）传递是单元操作的科学基础；（2）传递是单元操作数学模型的基础。
4．本课程的研究方法（1）实验研究方法（经验法）；（2）数学模型法（半经验半理论方法）。
三、单位制度和单位换算
1．单位和单位制度
在工程和科学中，单位制有不同的分类方法。
2．单位换算（1）物理量的单位换算（2）经验公式（或数字公式）的单位换算。
①物理方程
它是根据物理规律建立起来的。物理方程遵循单位或量纲一致的原则。
②经验方程
它是根据实验数据整理成的公式，式中各物理量的符号只代表指定单位制的数字部分，经验公式又称数字公式。
0.2 名校考研真题详解
一、选择题
1．按照国际单位制（SI制）的规定，下列物理量中（ ）采用的是导出单位。[北京理工大学2007研]
A．时间
B．温度
C．力
D．物质量【答案】C【解析】国际单位制（SI制）中七大基本单位是：长度m，时间s，质量kg，热力学温度K，电流A，光强度cd，物质量mol。
2．若ρ表示密度，采用混合规制计算液体混合物密度时，式中α表示的是各组分的（ ）分率。[北京理工大学2007研]1
A．体积
B．质量
C．摩尔
D．比摩尔【答案】B
3．4℃水在SI制中密度为（ ）；重度为（ ）；在工程单位制中密度为（ ）；重度为（ ）。[浙江工业大学2005研]3
A．1000kgf/m2
B．1000kg/m24
C．102kgf·s/m2
D．9810N/m【答案】BDCA
二、填空题
某流体的相对密度（又称比重）为0.8，在SI制中，其密度ρ＝______，γ＝______。[浙江工业大学2005研]33【答案】800kg/m；7848N/m
三、判断题
在化工设计中经常使用的经验公式里各物理量必须采用指定单位下的数值。（ ）[北京理工大学2007研]【答案】√
第1章 流体流动基础
1.1 复习笔记
一、流体的物理性质
1．连续介质假定（1）将流体视为由无数微团或质点组成的密集而无间隙的连续介质。（2）连续性假设并不是在任何情况下都适用，如高真空下的气体就不能视为连续介质。
2．流体的密度和比容（1）密度的定义与性质
流体的密度是指单位体积流体所具有的质量，以ρ表示。
比体积是指密度的倒数，以符号υ表示，它是指单位质量流体所占有的体积，即
液体的密度随着压力和温度的变化很小，一般可忽略不计，因此ρ＝常数。气体的密度随温度、压力改变较大。低压气体的密度可近似按理想气体状态方程计算
高压气体的密度可采用实际气体状态方程计算。（2）流体混合物的密度
①液体混合物的组成常用质量分数表示。以1kg液体混合物为基准，设各个组分在混合前后体积不变（理想溶液），则1kg混合物的体积等于各组分单独存在时体积之和，即3
ρ，ρ，…，ρ——各纯组分的密度，kg/m；ABn
ω，ω，…，ω——混合物中各组分的质量分数，kg/kg。ABn3
②气体混合物的组成常用体积分数φ表示。以1m气体混合物为3基准，各组分的质量分别为φρ，φρ，φρ，则1m气体混合物AABBnn的质量等于各组分质量之和，即
ρ＝ρφ＋ρφ＋ρφmAABBnn33
φ，φ，φ——气体混合物中各组分的体积分数，m/m。ABn
3．流体的膨胀性和压缩性（1）膨胀性
流体的膨胀性是指流体温度升高时其体积会增大的性质。膨胀性的大小用体积膨胀系数α表示。
dT——流体温度的增量，K；
dv/v——流体体积的相对变化量。
液体的膨胀性通常可忽略不计，而气体的膨胀性相对很大。（2）可压缩性
可压缩性是指流体受压力作用其体积会减小的性质。流体可压缩性的大小用体积压缩系数β来表征。
负号表示dv与dp的变化方向相反。
由于ρv＝1，故上式又可以写成
由β的表达式知，β值越大，流体越容易被压缩；反之，不易被压缩。
4．流体的黏性（1）牛顿黏性定律
流体在运动时，任意相邻流体层之间存在着抵抗流体变形的作用力，称为剪切力（内摩擦力）。流体的黏性是指流体所具有的在其内部产生阻碍自身运动的特性。
①黏性的产生原因
a．流体分子之间的引力（内聚力）产生内摩擦力；
b．流体分子作随机热运动的动量交换产生内摩擦力。
②牛顿黏性定律2
τ——剪应力或内摩擦力，N/m；
μ——流体的动力黏度，简称黏度，Pa·s；
du/dy——速度梯度，1/s。x
负号表示τ与速度梯度的方向相反。（2）流体的黏度
μ表示单位速度梯度下流体的内摩擦力，它直接反映了流体内摩2擦力的大小。在SI制中，μ的单位为N·s/m或Pa·s。以前单位有泊（P）或厘泊（cP），换算关系为：1Pa·s＝10P＝1000cP。
运动黏度是指流体黏度μ与密度ρ的比值，以ν表示22
在SI制中，ν的单位为m/s，其非法定单位为cm/s（St），它们的关系为－4m2
1St＝100cSt＝10/s
当温度升高或压力降低时，液体黏度降低；温度降低、压力升高时，液体黏度增大。当温度升高时，气体黏性增大；当压力提高时，气体黏度减小。（3）理想流体与黏性流体
黏性流体或实际流体是指具有黏性的流体。理想流体是指假想的、完全无黏性（μ＝0）的流体。
二、流体静力学
1．作用在流体上的力（1）质量力
质量力是指作用在流体元的每一质点上的力，可分为：①外界力场对流体的作用力；②流体作不等速运动而产生的惯性力。
质量力与它所作用的流体质量成正比，单位质量流体所受到的质量力称为单位质量力，它在数值上等于加速度。（2）表面力
表面力是指作用在流体元的表面上，只与所接触的表面积有关，而与流体的质量无关的作用力。单位面积上的表面力称为表面应力2（N/m）。
2．流体的静压力及其特性（1）静压力及其特性
静压力是指在静止流体中，作用于单位面积上的内法向表面应力，简称压力。
流体的静压力有两个重要的特性：
①流体静压力垂直于其作用面，方向为该作用面的内法线方向。静压力只能作用于内法向表面上。
②静止流体中任意一点处的静压力的大小与作用面的方位无关，即同一点上各方向作用的静压力值相等。2
在SI制中，压力的单位是N/m或Pa。工程上有时沿用atm（标准2大气压）、流体柱高度、bar（巴）或kgf/cm等，换算关系如下22
1atm＝101300N/m＝101.3kPa＝1.033kgf/cm＝10.33mHO＝2760mmHg（2）大气压力、绝对压力、表压力和真空度
①绝对压力 绝对压力是指以绝对零值（绝对真空）为基准算起的压力，它表示了压力的真实太小，它总是正值。
②表压力 压力可以用仪表来测量，这种仪表本身也受到大气压的作用，但在大气中它的读数为零。因此所测得的压力只是实际压力和当地大气压力的差值，这种压力差称作表压力。
③真空度 表压力值可正可负。负的表压力表示被测点的压力低于大气压力，即该点呈现一定的真空，这个负的表压值称为真空度。
绝对压力、表压力和真空度之间的关系如下：
绝对压力＝大气压力＋表压力
表压力＝绝对压力－大气压力
真空度＝－表压力
3．流体静力学基本方程
重力作用下的流体静力学基本方程
液体为不可压缩流体，若在静止液体内部的竖直方向上，任取两点z和z，并设两点处的压力分别为p和p，则1212
若将上式中的z取在液面上，并设液面上方的压力为p，z处的102压力为p，则可写成
p＝p＋（z－z）ρg＝p＋ρgh000
由上式可知：
①在重力作用下，静止液体内部的压力仅是坐标z的函数，压力随液体深度的增大而增大。
②在重力作用下的静止液体内部，静压力由两部分组成：液体表面压力p和流体自重引起的压力ρgh。0
③当z值一定，p为常数，等压面是水平面。
④将式写成
表明压力差的大小可以用一定的液柱高度来表示。
4．流体静力学方程的应用（1）压力与压力差的测量
①U形管压差计
U形管压差计的测压原理如图1-1所示。
当U形管的两端与两被测点连通时，由于作用于U形管两端的压力不等（图1-1中p＞p），因此指示液A在U形管的两侧显示出高度12差R。
图1-1 U管压差计
若被测流体为气体，因气体密度比指示液密度小得多，式中的ρ可忽略不计，于是B
若U形管的一端与被测流体连接，而另端与大气相通，此时读数R反映的是被测流体的表压力。
②双液U形管微压差计
如图1-2所示，为双液U形管微压差计的示意图。此压差计可用于测量压力或压差较小的场合。
图1-2 双液U管微压差计
p－p＝（ρ－ρ）gR12AC（2）液位的测量
如图1-3所示，由压差计读数可求出容器内的液面高度。容器的液面愈低，压差计的读数愈大；当液面达到最大高度时，压差计读数为零。
图1-3 压差法测量液位
1-容器；2-平衡器的小室；3-U管压差计
三、流体流动概述
1．描述流体运动的方法（1）拉格朗日观点和欧拉观点
①拉格朗日观点：着眼于流场中的每一个运动着的流体质点，跟踪观察每一个流体质点的运动轨迹及其速度、压力等量随时间的变化。然后综合所有流体质点的运动，得到整个流场的运动规律。
②欧拉观点：着眼于流场中的空间点，以流场中的固定空间点为考察对象，研究流体质点通过空间固定点时的运动参数随时间的变化规律。然后综合所有空间点的运动参数随时间的变化，得到整个流场的运动规律。（2）系统与控制体
采用拉格朗日观点考察流体流动时，所用的考察对象称为系统。
采用欧拉观点考察流体流动时，所用的考察对象称为控制体。
2．稳态与非稳态流动
稳态流动是指流体运动时，若任一点上流体的速度和压力等运动参数都不随时间改变，只与空间位置有关的流动。
3．流量与平均流速（1）迹线与流线 迹线是指流体质点运动的轨迹。
流线在某一时刻，在曲线上任一点的切线方向与流体在该点的速度方向相同。流线有如下性质：
①在非稳态流场中，流线的形状及位置随时间而变。稳态流场的流线则不随时间改变，与迹线重合。
②在任一瞬时，通过流场中的某一点只能有一条流线通过。即流线不能相交。（2）流量与平均流速
①流量
a．体积流量是指单位时间内通过有效流通截面的流体体积。
b．质量流量是指单位时间内通过流通截面的流体质量，以W表s示，单位为kg/s。若流体密度为ρ，则
W＝ρVss
②平均流速与质量平均流速
平均流速定义为
质量平均流速定义为2
质量平均流速G又称质量通量，其单位为kg/（m·s）。
4．流体流动的型态（1）流体流动时，因流动条件的不同，呈现出层流和湍流的流动型态。（2）流动型态的判据——雷诺数
雷诺数：Re＝dρu/μ。
雷诺数的量纲为一，表示流体惯性力与黏性力之比。
流体在管内流动时，Re＜2000时为层流；Re＞4000时为湍流；而Re在2000～4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流亦可能是湍流。
四、流体流动的基本方程
1．连续性方程（1）微分形式的连续性方程
写成向量形式，为
上式称为流体流动的连续性方程，对于稳态或非稳态流动、理想流体或实际流体、不可压缩流体或可压缩流体、牛顿型或非牛顿型流体均适用。（2）积分形式的连续性方程
设截面1-1与2-2的面积分别为A与A，流体在两截面上的密度分12别为ρ和ρ，平12
均流速分别为u和u，则b1b2
推广到管路的任意截面，得
对于圆形管道，由式可得
或
2．机械能衡算方程（1）理想流体沿流线稳态流动的伯努利方程
对同一流线上的任意两点1和2，有
gz ——单位质量流体的位能，J/kg；
——单位质量流体的压力能，J/kg；
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]