化工原理第一章 流体流动.ppt
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1、,第一章 流体流动,教学要求 1-0 概述 1-1 流体静力学基本方程 1-2 流体在管内的流动 1-3 流体的流动现象 1-4 流体在管内的流动阻力 1-5 管路计算 1-6 流量测量 复习,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,2/88,教学要求,重 点:连续性方程及柏努利方程式的应用。 覆盖内容:流体的性质(密度、重度、比重、比容、粘度);流体的静压强、静力学方程式及其应用;流量、流速的各种表达方式及计算;定常流动与非定常流动的概念;流动系统的物料衡算与连续性方程;流动系统的能量衡算与机械能衡算式;牛顿型流体与非牛顿型流体的概念;流动类型及特点;边界层的概念(形成
2、、发展与分离);管内流速分布;管路能耗的原因、计算及影响因素(粗糙度的概念、摩擦系数、因次分析法);管路计算的方法;流量、流速的测量方法(测速管、孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计的结构和原理)。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,3/88,1-0 概述,流体气体、液体,特征:流动性、没有固定的形状、在外力作用下其内部易发生相对运动。 分类:按凝聚状态分类,按可压缩性分,连续性假设连续介质模型,流体质点(或流体微团)流体,运动的描述方法,拉格朗日法跟踪指定质点空间位置、运动状况时间轨线 欧拉法选择截面运动参数时间流线,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工
3、原理 流体流动,4/88,1-0 概述,流线与轨线,轨线:同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线。,流线:采用欧拉法观察的结果,表述同一瞬时不同质点的速度方向。流线的属性:1)流线互不相交;2)在流动区域内,通过任意封闭曲线各点引出的流线所围成的空间称为流管。,目的,流体输送 压强、流量与流速测定 提供适宜的强化设备的条件,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,5/88,1-1 流体静力学基本方程,1-1-1 流体的密度,定义:单位体积流体具有的质量,kg/m3,气体密度是温度和压强的函数:,气体密度,混合气体的密度:,液体的密度: 只与温度有关,而与压力无关。 混合
4、液体密度 混合前后体积不变,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,6/88,1-1 流体静力学基本方程,1-1-2 流体的静压强,定义:垂直作用在单位面积上的力,Pa=N/m2,流体静压强的特征: 1)来自于各方向且指向该点,大小相等; 2)是空间位置的函数。,流体静压强的表示 绝对压强、表压强、真空度,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,7/88,1-1 流体静力学基本方程,1-1-3 流体静力学基本方程式,一、流体内力的类型,体积力:场力(离心力、重力等)分量:X、Y、Z,表面力:与表面积成正比法向和切向两种。,二、欧拉平衡方程,材料与化学
5、工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,8/88,1-1 流体静力学基本方程, X方向受力, Y方向受力, Z方向受力,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,9/88,1-1 流体静力学基本方程,三、流体静力学基本方程 重力场:X=0、Y=0,Z=-g。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,10/88,1-1 流体静力学基本方程,四、讨论,等压面:静止的、连续的、同一液体的同一水平面上,压力可传递巴斯噶定理、, h=(p1-p2)/(g),化工设备中可压缩流体内各点压强相等,1-1-4流体静力学基本方程式的应用,一、压差或压强测量,
6、液柱式压差计,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,11/88,1-1 流体静力学基本方程, U管压差计 常用指示液有:汞、四氯化碳、水、油等。,对水平管道,则:,若为气体,对水平管道,则:,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,12/88,1-1 流体静力学基本方程,倾斜式液柱压差计,微差压差计,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,13/88,1-1 流体静力学基本方程,要求: 密度相近分别为1、2,则:,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,14/88,1-1 流体静力学基本方程,二、液位的测
7、量,三、液封高度的计算,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,15/88,1-2 流体在管内的流动,1-2-1流量与流速,一、流量 定义 Vs(m3/s)、Ws(kg/s)或Vh(m3/h)、Wh(kg/h),二、流速 点流速(ur):流体质点沿流动方向上流过的距离,m/s。 平均流速(u):同一截面上的流体质点沿流动方向上流过的平均距离,m/s。 质量流速(G):单位时间内流过单位截面积的流体质量,kg/m2.s。,关系:Ws=Vs,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,16/88,1-2 流体在管内的流动,三、管径选择,总费用=操作费用+设备
8、费用,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,17/88,1-2 流体在管内的流动,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,18/88,1-2 流体在管内的流动,1-2-2定态流动与非定态流动,一、非定态流动,以X表示任一流动参数,则对非定态流动有:,二、定态流动,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,19/88,1-2 流体在管内的流动,二、连续性方程,1-2-3连续性方程,一、管路系统,简单管路,串联管路,分支管路,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,20/88,1-2 流体在管内的流动,1-2-
9、4能量衡算方程式,一、流动系统的总能量衡算,衡算范围: 衡算基准:1kg流体;基准面:0-0水平面,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,21/88,1-2 流体在管内的流动,内能: U1、U2(J/kg).,机械能:位能(重力势能)、动能、静压能,位能:Z1g、Z2g(J/kg),静压能:p1、p1 ;单位:J/kg。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,22/88,1-2 流体在管内的流动,能量交换 热:Qe;单位:J/kg。 净功(外功):We,其单位:J/kg。 能量衡算方程式:,二、柏努利方程 热力学第一定律:,材料与化学工程学院 化
10、学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,23/88,1-2 流体在管内的流动,Qe:Qehf,单位:J/kg。,柏努利方程 对不可压缩流体,忽略流体因温度变化而引起的比容变化,即不变则:,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,24/88,1-2 流体在管内的流动,理想流体,且We=0,三、柏努利方程式的讨论 理想流体的机械能守衡方程:动能、位能、静压能之间可以相互转化。 Zg、u2/2、p/、We、hf:Ne=WsWe,Ne/N 。,静力学基本方程:Z1g+p1/= Z2g+p2/。 可压缩流体:(p1-p2)/maxp1、p220%。,非定态系统:任一瞬间柏努利方程。
11、,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,25/88,1-2 流体在管内的流动,基准:,1-2-5柏努利方程式的应用,一、使用柏努利方程的注意事项 控制体的选择 基准水平面的选取 压力 单位,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,26/88,1-2 流体在管内的流动,二、柏努利方程的应用 流速或流量 设备间的相对位置 流体输送设备的轴功率 管路系统中的压强分布 测量或计算管路的能耗 判断流动方向 驻点压强 非定态系统中的瞬时流速或流量,例 已知管道尺寸为1144mm,流量为85m3/h,水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg(不包括出口阻力损失
12、),喷头处压力较塔内压力高20kPa,水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。(塔的操作压力为常压) 求:泵的有效功率。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,27/88,1-2 流体在管内的流动,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,28/88,1-2 流体在管内的流动,例 20的水以7m3/h的流量流过如图所示的文丘里管,在喉颈处接一支管与下部水槽相通。已知1-1截面处的压强为0.2at(表),管内径为50mm,喉颈内径为15mm。设流动无阻力损失,大气压为101.3kPa,水的密度取1000kg/m3。试判断支管中水的流向。,解:设支管中的
13、水处于静止状态。取1-1、2-2截面, 以3-3截面(水平面)为基准面,建立柏努利方程。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,29/88,1-2 流体在管内的流动,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,30/88,1-2 流体在管内的流动,流体能否流动或流动方向判断的实质是静力学问题。一旦流动,流体中的能量转换服从柏努利方程。当水槽中水向上流入文丘里管,则2-2截面的压强将不再为上面的计算值。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,31/88,1-3 流体的流动现象,1-3-1牛顿粘性定律与流体的粘度 一、牛顿粘性定律,
14、材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,32/88,1-3 流体的流动现象,二、流体的粘度 流体的粘性是流体分子微观作用的宏观表现。 液体的粘度随温度升高而减小,气体则相反。 物理意义:促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 单位:SI制:Pa.s;cgs制:P(泊)=100CP 因次:M/(L.) 运动粘度:=/ 单位:SI制:m2/s;cgs制:1St=1cm2/s,1-3-2非牛顿流体,服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体; 凡不遵从牛顿粘性定律的流体称非牛顿型流体,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,33/88,1-3 流体的流动现象,1
15、-3-3流动类型与雷诺准数,雷诺实验 层流(滞流)、湍流(紊流),雷诺准数 Re=du/ Re=M0.L0.0 Re2000:层流 Re4000:湍流 2000Re4000:可能是层流, 也可能是湍流。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,34/88,1-3 流体的流动现象,1-3-4滞流与湍流,一、流体质点的运动 层流:无脉动 湍流:有脉动,二、速度分布 层流:ur=umax(1-(r/R)2) 湍流:ur=umax(1-r)/R)n),n=1/71/10,与Re有关。,三、流体阻力 层流:=-dur/dr 湍流:=-(+e)dur/dr e:涡流系数,与Re有关。
16、,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,35/88,1-3 流体的流动现象,1-3-5边界层的概念,一、边界层的形成,边界层:在流体壁面附近的有明显速度梯度的流体层。 边界层的厚度:u=0.99us,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,36/88,1-3 流体的流动现象,二、边界层的发展 流体在平板上的流动: 层流边界层的厚度:/x=4.64/Rex0.5 湍流边界层的厚度:/x=0.376/Rex0.2,流体在圆形直管的进口管段内的流动:,从管道进口至边界层在管中心汇合的管段长度称进口稳定段。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原
17、理 流体流动,37/88,1-3 流体的流动现象,三、边界层的分离,流体绕过圆柱,后果:产生大量旋涡;导致较大的能量损失。,边界层的分离,流体流过管件:扩大与缩小、直角弯头、圆角弯头 孔板 文丘里管 转子 蝶阀 隔膜法 止回阀,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,38/88,1-4流体在管内的流动阻力,产生流体阻力的内因:流体粘性 产生流体阻力的外因:流体流过固体壁面时,固体壁面促使流体内部发生相对运动。 基准 单位质量:hf,J/kg;单位重量:Hf,m; 单位体积:Pf,Pa,在通常情况下Pf不等于P ; 关系: hf=gHf= Pf/。 阻力的分类 直管阻力hf
18、(沿程阻力) 局部阻力hf(流过管件:弯头、活接头、孔板阀等) hf= hf+ hf。,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,39/88,1-4流体在管内的流动阻力,一、计算圆形直管阻力的通式,1-4-1流体在直管中的流动阻力,范围与基准面:柏努利方程:,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,40/88,1-4流体在管内的流动阻力,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,41/88,1-4流体在管内的流动阻力,二、粗糙度的影响 粗糙度: 相对粗糙度: d,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,42/8
19、8,1-4流体在管内的流动阻力,三、层流时的摩擦系数,速度分布:取如图所示的控制体,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,43/88,1-4流体在管内的流动阻力,平均流速与最大流速的关系:,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,44/88,1-4流体在管内的流动阻力, HagonPoiseuille公式:,材料与化学工程学院 化学工程与工艺教研室,化工原理 流体流动,45/88,1-4流体在管内的流动阻力,四、湍流的摩擦系数与因次分析 实验研究方法的基本要求:由小见大,由此及比。 因次论指导下的实验研究方法的主要步骤: 析因实验因次分析组织实验数
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