化工行业在经济中占有极其重要的地位，它不仅提供了众多其他行业所需的原料，而且还生产了大量中间产品和最终产品。在化工生产的过程中，流体力学问题无处不在，起着至关重要的作用。
化工过程可以理解为物质在物理或化学性质上的变化过程。与传统的机械物理过程不同，化工过程涉及物质的内在转变。从古代的陶器制造、酒醋酿造、青铜冶炼，到后来的炼丹、造纸、的制作等，早期的化工过程已深入人类文明的多个领域。随着生产规模的不断扩大，许多传统的化工工艺已发展成独立的工业部门，如冶金、硅酸盐、玻璃、陶瓷等行业，它们依然保持着化工过程的共同特点。今天，化工行业已涵盖了包括酸、碱、盐在内的无机化学品、基本有机原料、高分子化合物的生产，甚至涉及轻化工如染料、制、发酵工业，以及近代的环境和生物医学工程等多个领域，这些都离不开流体运动的研究和应用。
化工流动问题的五大特点
在理解化工过程中流体运动的特点时，首先需要认识到化工生产过程中流体运动具有以下五大显著特征：
物料流动普遍存在
在化工生产过程中，原料几乎总是在流动状态。无论是气体、液体还是固体原料，大多数化工工艺都是连续进行的。通过粉碎、溶解、熔化、加料等方式，固体原料被转化为流体，进而进入反应、加工、提纯等环节，最终通过冷却、干燥、浓缩等步骤回归到固态产品。这些过程的生产效率与产品质量很大程度上依赖于对流体运动规律的掌握与应用，流体力学的理论在化工工艺的设计中占据着核心位置。
设备结构复杂多样
化工生产中所用的设备种类繁多、结构复杂。不同的进出口形式、换热管、搅拌器以及各类混合设备，使得流动的边界条件异常复杂。大部分情况下，针对这些设备的解析解非常困难，通常只能通过数值模拟等手段进行研究和解决。
处理流体种类多样
化工过程中处理的流体种类繁多，从高真空下的稀薄气体，到高黏度的液体，各种流体的物理性质差异极大。流体可能是单相流，也可能是多相流，后者如气-液、液-液、气-固、气-液-固等多相流体体系。每一种流体的流动特性都存在差异，而对于许多特殊类型的流体，我们对其行为的理解仍然十分有限。
伴随热质传递的流动
流体在化工过程中的运动通常伴随着热量和质量的传递。无论是低温搅拌反应（如丁基橡胶生产）还是高温裂解过程，热量的传递都与流体的流动密切相关。在很多化工过程，流体的温度和浓度差异会导致自然对流，而这些过程的复杂性极大地增加了流体力学的研究难度。
化学反应对流动的影响
化学反应的存在使流动过程更加复杂。在没有化学反应的情况下，流体力学的分析相对容易，但当化学反应参与其中时，传统的流体力学模型往往难以适用。流体力学和化学反应的耦合问题是化工领域中最具挑战性的部分之一。
化工设备中的流体运动
在化工生产中，流体的运动并不是自然发生的，它往往需要借助外力或者设备的特殊设计来实现。常见的流动方式有以下几种：
机械力驱动的流动
化工设备中常通过风机或泵等流体机械施加压力，促使流体在设备内部流动。这种压力梯度推动流体沿着设定的路径运动，不同类型的压力梯度（如周期性变化的压力）也会导致流动方式的不同。
边界或物体运动引起的流动
除了机械驱动外，某些情况下，流体的运动是通过设备中的搅拌器、叶轮等物体的运动来实现的。搅拌器、叶轮的转动或振动会直接影响流体的流动状态，导致物料的混合与反应。
自然对流引起的流动
温度和浓度的差异会导致流体内部密度的变化，从而在流体中产生自然对流。自然对流通常依赖于浮力，与强制对流相比，其控制因素和流动规律有所不同。
在实际应用中，这些流动方式往往是几种因素共同作用的结果。
化工设备中的典型流动现象
换热器中的流动
换热器是化工生产中常见的设备，涉及的流动问题包括和内流。在换热器的外部，流体绕过管道进行换热；而在管内，流体则呈现内流状态。许多换热器设备，如列管式换热器和蛇形管换热器，都会同时涉及到和内流的复杂问题。
搅拌槽中的流动
搅拌槽是化工生产中常见的设备，用于物料的混合与反应。搅拌槽的工作原理是通过叶轮旋转，使槽内液体产生流动。搅拌槽中的流动既涉及到边界的内动问题，也需要考虑叶轮的形状、大小等几何特征的影响。
塔设备中的气液流动
化工厂中常见的高塔设备，主要用于传质、传热及反应过程。塔内的气-液两相流动是化工生产中一个典型的流动问题。在塔内，气体和液体通过塔板进行逆向流动，进行接触反应。这种气液逆流操作对塔的设计有着严格的要求，尤其是气体与液体的接触效率直接影响到生产的效果。
固定床与流体通过多孔介质的流动
固定床是由大量固体颗粒堆积而成的床层，流体通过其间隙进行流动。固定床常用于催化反应、分离过程等。由于颗粒层内部通道的不规则性，流体在通过时的流动模式非常复杂，需要借助模型进行简化分析。
流化床中的两相流动
流化床是一种气固两相流动的设备。当流体流速达到一定值时，床层中的颗粒会悬浮并分散在流体中，形成流化状态。流化床广泛应用于化工、石油炼制等领域，但其流动的定量研究仍然存在一定的挑战。
这些典型设备中的流体运动问题，不仅是化