化工原理南京理工大学01流体流动2流体动力学.ppt

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1、南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系化工原理（上）化工原理（上）第一章第一章 流体流动流体流动（2）流体动力学）流体动力学南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系1.2 流体动力学流体动力学1.2.1 流体的流量与流速流体的流量与流速1.2.2 稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动1.2.3 稳定流动系统的质量守恒稳定流动系统的质量守恒 连续性方程连续性方程1.2.4 稳定流动系统的能量守恒稳定流动系统的能量守恒 柏努利方程柏努

2、利方程南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系1.2.1 流体的流量与流速流体的流量与流速一、流量一、流量 1.体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。单位时间内流经管道任意截面的流体体积。VS=V/t m3/s或或 Vh=V/t m3/h南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系2.质量流量质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。单位时间内流经管道任意截面的流体质量。wS w/t kg/s或或kg/h。两流量间关

3、系：两流量间关系：（1）南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系m/s二、流速二、流速1.流速流速（平均流速）（平均流速）单位时间内流体质点在流动方向上所单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。流经的距离。（2）南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系2.质量流速质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。体质量。kg/（m2s）流量与流速的关系：流量与流速的关系：（3）（4）南京理工大学化工学

4、院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量V VS S由生产确定。由生产确定。流速选择：流速选择：d 设备费用设备费用 流动阻力流动阻力动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费三、三、管径的估算南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：水及一般液体水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体粘度较大的液体 0.51 m/s

5、低压气体低压气体 815 m/s压力较高的气体压力较高的气体 1525 m/s 南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系 1.2.2 稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动不稳定流动：流体在各截面上的有关不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。物理量既随位置变化，也随时间变化。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系稳定流动：各截面上的温度、压力、稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不

6、随时间流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；变化；南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系稳定流动系统稳定流动系统任意截面任意截面 连续性方程连续性方程11 2 2（5）1.2.3 稳定流动系统的质量守恒稳定流动系统的质量守恒连续性方程连续性方程南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系不可压缩性流体，不可压缩性流体，圆形管道圆形管道：即即不不可可压压缩缩流流体体在在管管路路中中任任意意截截面面的的流流速速与与管内径的平方成反比管内径

7、的平方成反比。（6）（7）南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系例例1 1 如如附附图图所所示示，管管路路由由一一段段894.5mm的的管管1、一一段段101084mm的的管管2和和两两段段573.5mm的的分分支支管管3a及及3b连连接接而而成成。若若水水以以9103m3/s的的体体积积流流量量流流动动，且且在在两两段段分分支支管管内内的的流流量量相相等，试求水在各段管内的速度。等，试求水在各段管内的速度。3a123b南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京

8、理工大学化工学院化学工程系1.2.4 稳定流动系统的能量守恒稳定流动系统的能量守恒柏努利方程柏努利方程一、总能量衡算南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系衡算范围：衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所截面以及管内壁所围成的空间围成的空间衡算基准：衡算基准：1kg流体流体基准面：基准面：0-0水平面水平面南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（1）内能）内能 贮存于物质内部的能量。贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为流体具

9、有的内能为U（J/kg）。）。（2）位能）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为的流体所具有的位能为zg（J/kg）。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（3）动能）动能 1kg的流体所具有的动能为的流体所具有的动能为 (J/kg)（4）静压能）静压能 1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为(J/kg)南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（5）热）

10、热 设换热器向设换热器向1kg流体提供的热量为流体提供的热量为 qe(J/kg)。（6）外功）外功(有效功有效功)1kg流流体体从从流流体体输输送送机机械械所所获获得得的的能能量量为为We(J/kg)。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系能量守恒能量守恒（8）南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系假设假设 流体不可压缩，则流体不可压缩，则 (1)以单位质量流体为基准以单位质量流体为基准 hf：1kg流体损失的机械能为（流体损失的机

11、械能为（J/kg）式中各项单位为式中各项单位为J/kg。二、二、二、二、实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算 （9）南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（2）以单位重量流体为基准）以单位重量流体为基准（10）式中各项单位为式中各项单位为南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系z 位压头位压头动压头动压头He外加压头或有效压头。外加压头或有效压头。静压头静压头总压头总压头Hf压头损失压头损失

12、南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（3）以单位体积流体为基准）以单位体积流体为基准 式中各项单位为式中各项单位为（11）压强损失压强损失南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。（12）（13）柏努利方程式柏努利方程式 三、理想流体的机械能衡算三、理想流体的机械能衡算 南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系

13、南京理工大学化工学院化学工程系（1）若若流流体体处处于于静静止止，u=0，hf=0，We=0，则则柏柏努利方程变为努利方程变为 说说明明柏柏努努利利方方程程即即表表示示流流体体的的运运动动规规律律，也也表表示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律。四、柏努利方程的讨论四、柏努利方程的讨论 南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即总压头为常数，即南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大

14、学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系 We、Wf 在在两两截截面面间间单单位位质质量量流流体体获获得得或消耗的能量。或消耗的能量。（3）zg、某某截截面面上上单单位位质质量量流流体体所所具有的位能、动能和静压能具有的位能、动能和静压能；有效功率有效功率：轴功率轴功率：南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对

15、对于于可可压压缩缩性性流流体体，当当 时时，仍仍可可用用该该方方程程计计算算，但但式式中中的的密密度度应应以以两两截截面面的的平平均均密度密度m代替。代替。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系 管内流体的流量；管内流体的流量；输送设备的功率；输送设备的功率；管路中流体的压力；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：可以确定：五、柏努利方程的应用五、柏努利方程的应用 南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理

16、工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系（1）根根据据题题意意画画出出流流动动系系统统的的示示意意图图，标标明明流流体体的的流流动动方方向向，定定出出上上、下下游游截截面面，明明确确流流动动系系统统的的衡衡算范围算范围；（2）位能基准面的选取位能基准面的选取 必须与地面平行；必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面；若若截截面面不不是是水水平平面面，而而是是垂垂直直于于地地面面，则则基基准准面面应选过管中心线的水平面。应选过管中心线的水平面。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学

17、化工学院化学工程系（4）各各物物理理量量的的单单位位应应保保持持一一致致，压压力力表表示示方方法法也也应一致，即同为绝压或同为表压。应一致，即同为绝压或同为表压。（3）截面的选取）截面的选取 与流体的流动方向相垂直；与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是稳定连续流动；两截面间流体应是稳定连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系 例例2 如如附附图图所所示示，从从高高位位槽槽向向塔塔内内进进料料，高高位位槽槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为

18、大气压。送液中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液hpa管管为为452.5mm的的钢钢管管，要要求求送送液液量量为为3.6m3/h。设设料料液液在在管管内内的的压压头头损损失失为为1.2m（不不包包括括出出口口能能量量损损失失），试试问问高高位位槽槽的的液液位要高出进料口多少米？位要高出进料口多少米？南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系 例例3 在在453mm的的管管路路上上装装一一文文丘丘里里管管，文文丘丘里里管管的的上上游游接接一一压压力力表表，其其读读数数为为5kPa，压压力力表表轴轴心心与与管管

19、中中心心的的垂垂直直距距离离为为0.3m，管管内内水水的的流流速速为为1.5m/s，文文丘丘里里管管的的喉喉径径为为15mm。文文丘丘里里喉喉部部接接一一内内径径为为15mm的的玻玻璃璃管管，玻玻璃璃管管的的下下端端插插入入水水池池中中，池池内内水水面面到到管管中中心心的的垂垂直直距距离离为为3m。若若将将水水视视为为理理想想流流体体，试试判判断断池池中中水水能能否否被被吸吸入入管管中中。若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少若能吸入，再求每小时吸入的水量为多少m3/h。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系3.0

20、m1120.3m200u南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系 例例4 某某化化工工厂厂用用泵泵将将敞敞口口碱碱液液池池中中的的碱碱液液（密密度度为为1100kg/m3）输输送送至至吸吸收收塔塔顶顶，经经喷喷嘴嘴喷喷出出，如如附附图图所所示示。泵泵的的入入口口管管为为1084mm的的钢钢管管，管管中中的的流流速速为为1.2m/s，出出口口管管为为763 3mm的的钢钢管管。贮贮液液池池中中碱碱液液的的深深度度为为1.5m，池池底底至至塔塔顶顶喷喷嘴嘴入入口口处处的的垂垂直直距距离离为为20m。碱碱液液流流经经所所有有管管路路的的能能量量损损失失为为30.8J/kg（不不包包括括喷喷嘴嘴），在在喷喷嘴嘴入入口口处处的的压压力力为为29.4kPa（表表压压）。设设泵泵的的效效率率为为60%，试试求求泵泵所需的功率。所需的功率。南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系南京理工大学化工学院化学工程系20m1.5m