第一流体的流动过程与输送机械.ppt
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1、第一章 流体的流动过程与输送机械,化学工艺学,1 概 述,1.1 化工生产中流体的流动与输送 流体是具有流动性的物质。流体的特征在于其质点几乎可以无限地流动, 而且可以任意分割或改变其形状。物质三态中, 液态与气态无一定形状, 能够自由流动, 因此, 统称为流体。 1.2 理想流体与实际流体 在流体力学中, 为了便于研究某些复杂的实际问题, 而提出了理想流体这一概念。理想流体没有粘性, 在流动过程中没有摩擦阻力产生, 是不可压缩的。 实际流体都具有粘性, 在流动过程中产生摩擦阻力。实际液体的压缩性很小, 可以认为是不可压缩的; 实际气体当温度、压强变化时, 其体积变化较大, 是可以压缩的。,2
2、 流体静力学及其应用,静止流体不表现出内摩擦阻力, 分子间受力平衡。流体在静止状态时, 所受各种力的大小, 与流体的密度、压强等性质有关。 2.1 流体静力学中的重要物理量 流体的密度: 压强:,关于压强的说明:,1. 压强的单位 国际单位制(SI ) 中, 压强的单位用Pa 表示, 1 Pa = 1 Nm - 2 。 2. 压强的表示方法 工业上用来测量系统内压强的仪表称为压强计( 或称压力计) , 压强计上的读数是系统内的绝对压强与当地大气压强的差值。在实际生产系统( 设备或管路)内, 其绝对压强可能大于或者小于当地大气压强, 工程上常把大于大气压的压强用表压强表示; 而把小于大气压的压强
3、用真空度表示。系统内的绝对压强、表压强和真空度三者之间的关系可表示如下: 表压强= 绝对压强- 大气压强 真空度= 大气压强- 绝对压强,它们三者之间的关系, 可以用下图表示:,2.2 流体静力学基本方程,该正立方体所受向下的力有: 自身重力: G = g( z0 - z )A 上面液体对顶面的压力:F0 = p0A 液柱底面上的压力: F = pA 处于平衡状态的静止液体, 其所受向上的力与向下的力大小相等, 方向相反(液柱的前后、左右所受力, 也是大小相等, 方向相反)。可得 pA = p0A + g( z0 - z)A,化简上式, 可得流体静力学方程式: 静力学基本方程式(1 - 3)
4、说明流体静压强仅与流体的密度和该点的几何位置有关。如所取正立方体液柱的顶面为液面(液面受当地大气压强为pa ) , 液柱高( z0 - z )即为所取液柱底面的深度H, 则式( 1 - 3 )变为:,2 .3 流体静力学基本方程式的应用,压强计按功用分为三类: ( 1) 表压强计 用以测量高于大气压的压强; ( 2) 真空压强计 用以测量低于大气压的压强; ( 3) 压差计 用来测量系统内两点间压强的差。按压强计的工作原理又可分为液柱压强计、弹簧管压强计和薄膜压强计等。,2.3.1 U 形管压强计,U 形管压强计如图1 - 4 所示, 一般用 透明玻璃管制成, 管中盛有密度为i 的指示液。使用
5、时, 若U 形管一端与 大气连通, 另一端与所测系统连通, 则可测量系 统的表压强或真空度(当所测系统压强低于大 气压时) ; 若U 形管两端与所测系统内不同两 处相连通, 则可测量系统内该两处的压强差。,根据静力学基本方程式,可推导出:,上式为U 形管压强计测量压强差的计算式。由式中可以看出, 压强差与U 形管两侧指示液液面差有关, 与指示液和被测流体的密度有关, 与U 形管的粗细无关。 U 形管压强计中所用的指示液密度应比所测系统流体的密度大。工业上常用水、硫酸、四氯化碳和水银作为U 形管压差计的指示液。,3 流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算,3 .1 稳态流动与非稳态流动 在一个正常的
6、连续生产过程中, 管路及设备内任何与流动方向垂直的截面上, 流体的温度、压强、组成及流量等都有确定的数值, 且仅是位置的函数,并不随时间而变化, 这种流动方式称为稳态流动。,3.2 流体稳态流动时的流量与流速,流体充满管路截面稳态流动时, 流体质点在单位 时间内所流过的距离称为流速。工程上所谓的流 速是指该截面的平均流速。 流体稳态流动时, 单位时间内, 流体流经垂直于流动方向的任一截面的流体体积量, 称为体积流量。若单位时间内流经管路任一截面的流体量以质量表示, 则称之谓质量流量。,平均流速与流量的关系为:,平均流速 : 体积流量 : 质量流量:,3.3 流体稳态流动时的物料衡算连续性方程,
7、当流体充满导管作稳态流动时, 根据质量守恒定 律, 在管路系统流体没有增加和漏失情况下, 单 位时间通过管路各截面的流体质量应相等。 qm1= qm2=qm3,3.4 流体稳态流动时的能量衡算-伯努利方程(重点),不论是相对静止的流体, 还是流动状态的流体, 都具有一定的能量, 服从能量守恒定律。 3.4.1 流体流动过程的能量形式 (1) 位能 流体在重力作用下,因其所处位置距离某基准面有一定距离而具有的能量称为位能。位能表示流体在其自身重力下落至基准面所作的功。能量和功的单位在国际单位制中都是用焦耳( J ) 表示, 用国际单位制中基本单位表示则为kgm2s - 2 (即Nm)。假设质量为
8、m kg 的流体距某一基准面高度为zm , 则所具有的位能为mgz J 。,(2) 动能 流体在管路中流动时, 由于流动而具有的能量称为动能。由物理学知道, 当质量为m kg的流体以v ms -1 的速度流动时, 所具有的动能为1/2mv2 J , 用基本单位表示为kgm2s-2 (即Nm) 。 (3) 静压能 静压能是流体由于静压强p所具有的能量。流体由于被压缩而具有向外膨胀做功的能力, 当流体压强为p , 体积为V 时, 其能量总值等于pV。对于不可压缩流体而言, 因静压能而做的功为Vp; 对于可压缩流体, 则为Vdp。若质量为m kg 的流体在其密度为, 压强为p 时, 它的静压能为m(
9、 p/ ) , 用国际基本单位表示为,(4) 内能 流体由于内部分子运动而具有的能量称为内能( 也称热力学能)。分子运动的速度随温度升高而增大, 因而, 内能也随流体的温度升高而增大, 常用UJkg-1 表示每公斤物质所具有的内能。质量为m kg 的流体稳态流动时, 在任一位置所具有的内能为Um J 。 质量为m kg 的流体稳态流动时, 在任一位置所具有的总能量为以上各项能量之和: 总能量= 内能+ 位能+动能+静压能,3.4.2 理想流体流动过程的能量衡算,对于理想流体, 由于不可压缩, 故其密度不随压强变化;由于不具有粘性, 在流动时没有摩擦阻力产生。流体流动过程中没有热量加入和引出,
10、其流体的温度不变则内能无变化, 而只有机械能之间的转化。即在任一流动截面i 上, 流体的机械能量总和为一不变的常数:,根据能量守恒原理, 在理想流体的连续稳态流动系统中, 任取两个截面其总机械能应当相等,即: E1机械能 = E2机械能 即: 式(19a) 是理想流体机械能量衡算的普遍式。常称为理想流体伯努利方程。 流体能量衡算的基准不同,伯努利方程的形式也不尽相同。,伯努利方程的其他形式: (1)以单位质量(1kg)为基准,等式两边同除以m,得: (1)以单位重量(1N)为基准,等式两边同除以mg,得:,式(1 9c )中, 每一项表示1 N流体所具有的能量, 称为压头。z 项表示1 N的流
11、体在高度为z 米处具有的位能, 称为位压头, 单位为J/ N= m; p/ g 项表示1 N流体所具有的静压能,称为静压头,单位也是m; v2/ 2 g 项表示1 N流体流动时所具有的动能, 称为动压头或速度头,单位也是用m 来表示。,式(1 9c )中, 各项压头之间的关系可以用图1 - 7 来表示。由图1 - 7 可以清楚地看出, 理想流体稳态流动的管路任一截面, 流体的总机械能或总压头是不变的, 压头之间可以在一定条件下相互转化。,3.4.3 实际流体流动过程的能量衡算,实际流体具有粘性, 在稳态流动过程中, 由于有内摩擦阻力存在, 要消耗一定的能量。为了保证流体在管路内稳态连续流动,
12、需要从外界向管路系统补充能量。例如用泵作功给液体补充能量, 在这种情况下, 实际流体稳态流动的能量衡算方程式伯努利方程, 可以写为:,式中, He 是泵为每牛顿流体提供的能量, 相当于体系输入的能量,称为泵的压头( 或称泵的扬程) , 其单位也是m; Hf 表示每牛顿的流体从1 - 1 截面到2 - 2 截面所消耗掉的机械能总和, 相当于体系输出的能量,称为损失压头, 单位也是m。,3.4.3 伯努利方程的讨论,(1)适用范围:式(1 - 10 )是对于不可压缩流体而言, 液体可近似地看作是不可压缩的。对于气体, 其密度与体积都随温度和压强而变化。当气体被压缩时, 一部分机械能转变为热能; 当
13、气体膨胀时, 一部分热能转变为机械能。因此, 在气体流动过程中, 当温度、压强变化较大时, 则不能用式( 1 - 10 )进行计算。但是, 在工程计算时, 在不同的场合下允许有不同程度的误差。只要压强和温度的变化在允许误差范围内, 方程式( 1 - 10) 仍可应用。计算时, 方程式中的密度取初始和最终的平均值即平均= (1 + 2 )/2 。,(2)与流体静力学方程的比较:流体静力学方程是伯努利方程的一种特殊情况。 (3)方程各相意义:实际流体的伯努利方程中,动能、位能和静压能项分别由衡算截面上的流速、距基准面距离和静压强所决定,且各参数均有平均值意义。 (4)He与泵功率:流体输送所需功率
14、P是指单位时间内耗用的能量。 (5)非稳态流动:任一瞬间伯努利方程仍成立,为微分式。 (6)基准:所选基准不同,方程式也不同。,3.4.5 应用伯努利方程的注意事项: (1)作出示意图 (2)选取截面和确定衡算范围 (3)选取基准面 (4)单位制统一 例题1.3 (重点),4 实际流体的流动过程与阻力计算,实际流体分子间的作用力使流体流动时产生内摩擦阻力, 阻碍流体的流动。实际流体流动时阻力的大小与流体的粘性等物理性质有关, 也与流体流动的管路直径、管长、管壁粗糙度及流动类型有关。,4.1 流体的黏度,流体的粘性是流体流动时内摩擦阻力的表现。流体的粘性愈大, 流动性愈小。衡量流体粘性大小的物理
15、量称为粘度, 常以符号表示。,为了明确粘度的物理意义, 对粘度建立起一个定量的概念, 可以宏观地说明如下:,如图上所示, 假设有两块平行的平板, 上下两板间充满了薄薄一层液体, 若下板固定不动, 对上板施加一恒定的外力F, 使上板平行于下板作等速直线运动, 运动平板带动了紧靠着它的一层液体而运动, 而这层液体又将其动能传给邻近的液层, 使之也向前运动。则两板间的液体将随着上板运动。但是这些液层之间的速率不同, 离运动平板愈远的液层, 运动速率愈小, 与下边固定平板相邻的液体层速率最小, 两平板间流体的速率变化呈线性关系。这是由于液体质点之间内摩擦阻力所造成的。这种内摩擦阻力的大小表现了流体粘性
16、大小, 作用力F 即等于两层之间摩擦阻力。,若两板间某液体层的速度为v , 与其相邻的上层液体的速率为v + v , 两液层垂直方向( y )的距离为y , 则(v/ y )表示速率沿法线方向上的变化率, 称为速率梯度。管路内流体速度的变化如图1 - 9( b)所示, 是曲线分布。实验证明, 两层流体间接触面积( A ) 愈大, 速率梯度愈大, 则内摩擦阻力F 也愈大。这一关系可以表示为:,式中, 比例系数称为粘度系数, 简称粘度。粘度是流体的重要物理性质;= F/ A 表示单位面积上所受的压力, 力的方向与面平行, 称为剪切应力。,4.2 流体流动的形态,4.2.1 雷诺实验与雷诺准数 雷诺
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