化工原理第一章.流体流动.ppt

2019/6/20,第 一 章 流 体 流 动及输送,概述 流体的密度 流体的比容 流体的黏度,1.1 概述 1.2 流体的物理性质,2019/6/20,（一）、流体的分类和特征 、分类 气体（含蒸汽）和液体统称流体 （）按状态：气体、液体和超临界流体 （）按可压缩性：不可压缩性流体、可压缩性流体 （）按是否可忽略分子间作用力： 理想流体、 粘性（实 际）流体 （）按流变特性（剪力与速度梯度之间的关系）： 牛顿型流体、非牛顿型流体,第一节 流体的概述,2019/6/20,、流体的特征 （）流动性； （）无固定形状，随容器形状而变化 （）受外力作用时内部产生相对运动。 （二）、连续介质假定 （1）流体质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。 （2）连续介质：质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间。,2019/6/20,（3）在研究流体流动时，常摆脱复杂的分子运动 和分子间相互作用，从宏观角度出发，将流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。 （三）作用在流体上的力 任取一微元体积流体作为研究对象，进行受力分析，它受到的力有质量力（体积力）和表面力两类。 （1）质量力（体积力） 与流体的质量成正比，质量力对于均质流体也称为 体积力。如 重力和离心力,2019/6/20,（2）表面力 表面力与作用的表面积成正比。单位面积上的表面力称之为应力。 垂直于表面的力F，称为压力（法向力）。 单位面积上所受的压力称为压强p。 平行于表面的力F，称为剪力（切力）。 单位面积上所受的剪力称为剪应力。,2019/6/20,1.2.1、流体的密度,密度定义 单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3。,2. 影响的主要因素,1.2 流体的物理性质,2019/6/20,液体：,不可压缩性流体,气体：,可压缩性流体,3.气体密度的计算,理想气体在标况下的密度为：,例如：标况下的空气，,操作条件下（T, P）下的密度：,2019/6/20,1.2.2、流体的比容,SI单位,2019/6/20,1.2.3流体的粘度,牛顿粘性定律,流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。 流体阻力产生的依据,2019/6/20,剪应力：单位面积上的内摩擦力，以表示。,适用于u与y成直线关系,2019/6/20,牛顿粘性定律,式中：,速度梯度,比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。,2019/6/20,2、流体的粘度 1)物理意义,促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来 2)粘度与温度、压强的关系 液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度 基本不变。 b)气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。,2019/6/20,3）粘度的单位 在SI制中：,在物理单位制中，,SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为：,2019/6/20,实验证明,气体及水、溶济、甘油等液体服从牛顿粘性定律，此类流体统称为牛顿型流体,不服从牛顿粘性定律的流体，称非牛顿型流体，如泥浆等,2019/6/20,第 一 章 流 体 流 动及输送,1.3.1 流体的压力 1.3.2 流体静力学方程 1.3.3 流体静力学方程的应用,1.3 流体静力学,2019/6/20,1.3.1 流体的静压强,1、压强的定义 流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强。,SI制单位：N/m2，即Pa。,其它常用单位有：,atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。,2019/6/20,换算关系为：,2、压强的表示方法,1）绝对压强（绝压）：,流体体系的真实压强称为绝对压强。 （以真空为基准）。,2）表压 强（表压）：,压力上读取的压强值称为表压。 （以大气压力为基准）,表压强=绝对压强-大气压强,3）真空度：,真空表上读取的压强值称为真空度。 （以大气压力为基准）,2019/6/20,真空度=大气压强-绝对压强=-表压,绝对压强、真空度、表压强的关系为,绝对零压线,大气压强线,绝对压强,表压强,绝对压强,真空度,当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。,2019/6/20,1.3.2、流体静力学基本方程式推导,在图1-4中的两个垂直位置2 和 1 之间对上式作定积分 由于 和 g 是常数，故,（1-5）,（1-5a）,若将图1-4中的点1移至液面上（压强为p0），则式1-5a变为: 上三式统称为流体静力学基本方程式。,图1-4 静止液体内压力的分布,（1-5b）,Pa,J/kg,2019/6/20,2、方程的讨论,1）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：,2）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的 压强P仅与垂直距离h有关，即：,处于同一水平面上各点的压强相等。,2019/6/20,3）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之 改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到 液体内部的任一点。,4）从流体静力学的推导可以看出,它们只能用于静止的 连通着的同一种流体的内部，对于间断的并非单一 流体的内部则不满足这一关系。,压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就 是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强 或压强差时，需指明何种液体。,2019/6/20,6)方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的 气体，只适用于压强变化不大的情况。,例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m, 密度,，水层高度h2=0.6m，密度为,1）判断下列两关系是否成立 PAPA，PBPB。 2）计算玻璃管内水的高度h。,2019/6/20,解：（1）判断题给两关系是否成立 A，A在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上,因B，B虽在同一水平面上，但不是连通着的同一种液 体，即截面B-B不是等压面，故,（2）计算水在玻璃管内的高度h,PA和PA又分别可用流体静力学方程表示,设大气压为Pa,2019/6/20,2019/6/20,1.3.3、静力学方程的应用,1、压强与压强差的测量,1）U型管压差计,根据流体静力学方程,2019/6/20,当被测的流体为气体时，,可忽略,则,，,两点间压差计算公式,若U型管的一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差，也就是被测流体的表压。,当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措施：两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U型管压差计、 采用微差压差计。,当管子平放时：,2019/6/20,2）倾斜U型管压差计 假设垂直方向上的高度为Rm，读数为R1，与水平倾斜角度,2) 微差压差计,U型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室,其内径与U型管的内径之比10，装入两种密度接近且互不相溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶。,2019/6/20,根据流体静力学方程可以导出：,微差压差计两点间压差计算公式,2019/6/20,2. 液位测量,（1）近距离液位测量装置,压差计读数R反映出容器 内的液面高度。,液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。,2019/6/20,（2）远距离液位测量装置,管道中充满氮气，其密度较小，近似认为,而,所以,2019/6/20,3. 液封高度的计算,液封作用： 确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。,液封高度：,为了保证安全，在实际安装时使管子插入液面下的深度应比计算值略小些，使超压力及时排放；对于后者应比计算值略大些，严格保证气体不泄漏。,2019/6/20,第一章 流体流动,1.4.1 流量与流速 1.4.2 管道的选用 1.4.3 稳定流动与非稳定流动 1.4.4 连续性方程式 1.4.5 柏努利方程 1.4.6 柏努利方程式的应用,1.4 流体动力学,2019/6/20,1.4.1 流量与流速,1、流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。 (1) 若流量用质量来计量，称为质量流量qm；单位：kg/s (2)若流量用体积来计量，称为体积流量qV；单位为：m3/s 体积流量和质量流量的关系是,2、平均流速 (1)质点流速 流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离， 称为质点流速u。单位为：m/s。,2019/6/20,流量与流速的关系为：,(2)平均流速 流体在管截面上的速度分布规律较为复杂，实验表明,流体流经管道任一截面上各点的流速沿管径而变化,即在管截面中心处最大,越靠近管壁流速将越小,在管壁处流速为零。工程上为计算方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速， 其表达式为：,2019/6/20,质量流速：单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量用G表示，单位为kg/(m2.s)。 数学表达式为：,对于圆形管道:,管道直径的计算式,生产实际中，管道直径应如何确定？,2019/6/20,对于圆形管道：,流量qV一般由生产任务决定。,流速选择：,1.4.2 管径的估算,2019/6/20,1.4.3 定态流动与非定态流动,流动系统,定态流动 （或稳态流动）:,流动系统中流体的流速、压强、 密度等有关物理量仅随位置而改 变，而不随时间而改变,非定态流动（或非稳态流动）:,上述物理量不仅随位置而且随时间 变化的流动。,2019/6/20,定态流动（或稳态流动）,2019/6/20,1.4.4 连续性方程,在定态流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算:,衡算范围：取管内壁截面1-1与截面2-2间的管段 衡算基准：1s 对于连续定态系统：,2019/6/20,把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：,若流体为不可压缩流体 ：,一维定态流动的连续性方程,2019/6/20,对于圆形管道：,表明：当体积流量qV一定时，管内流体的流速与管道直径 的平方成反比。,2019/6/20,例 一输水管路的管内径为 , 新购置的水泵吸入管 规格为 ,压出管规格为 , 水泵在最佳工况点工作时吸入管的流速为 。试求 压出管和管路中水的流速。,解：,压出管中水的流速为,管路中水的流速为,2019/6/20,1.4.5 能量衡算方程式（伯努利方程）,1、流体流动的总能量衡算,1）流体本身具有的能量,物质内部能量的总和称为内能 单位质量流体的内能以U表示，单位J/kg。,内能：,流体因处于重力场内而具有的能量。,位能：,2019/6/20,质量为m流体的位能,单位质量流体的位能,流体以一定的流速流动而具有的能量,动能：,质量为m、流速为u的流体所具有的动能,单位质量流体所具有的动能,静压能（流动功）,通过某截面的流体具有的用于 克服压力功的能量,2019/6/20,将质量为m、体积为V的流体推进此截面所需要的力：,该流体通过此截面所走的距离 ：,该流体通过截面需要的静压能：,单位质量流体本身所具有的总能量为 ：,对1kg流体需要的静压能：,2019/6/20,单位质量流体通过划定体积所吸的热：qe (J/kg)； 质量为m的流体所吸的热=m qe J； 流体吸热时qe为正，流体放热时qe 为负。,热,2）系统与外界交换的能量,单位质量通过划定体积接受的功为：We (J/kg) 质量为m 的流体所接受的功= mWe (J),功,流体接受外功时，We为正，向外界做功时, We为负； 流体本身所具有能量、热和功就是流动系统的总能量。,2019/6/20,3）总能量衡算 衡算范围：截面1-1和截面2-2间的管道和设备 衡算基准：1kg 流体,设1-1截面的流体流速为u1，压强为P1， 截面积为A1， 比容为1；,截面2-2的流体流速为u2，压强为P2， 截面积为A2， 比容为v2。,取o-o面为基准水平面， 1-1和2-2截面中心与基准水平面的距离为Z1，Z2。,2019/6/20,对于定态流动系统： 输入能量=输出能量,输入能量,输出能量,2019/6/20,稳定流动过程的总能量衡算式,2019/6/20,流体与环境所交换的热,阻力损失,2、流动系统的机械能衡算式柏努利方程 1）流动系统的机械能衡算式,根据热力学第一定律,2019/6/20,代入上式得：,流体稳定流动过程中的机械能衡算式,2）柏努利方程（Bernalli） 当流体不可压缩时，,2019/6/20,代入：,对于理想流体，当没有外功加入时We=0,柏努利方程,2019/6/20,3、柏努利方程式的讨论 1）柏努利方程式表明理想流体在管内做定态流动，没有 外功加入时，任意截面上单位质量流体的总机械能即动能、 位能、静压能之和为一常数，用E表示。 即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种 形式的机械能却不一定相等，可以相互转换。,2）对于实际流体，在管路内流动时，应满足： 上游截面处的总机械能大于下游截面处的总机械能。,2019/6/20,3）式中各项的物理意义,处于某截面上的流体本身所具有的能量,流体流动过程中所获得或消耗的能量,We和hf：,We： 输送设备对单位质量流体所做的有效功 Ne： 单位时间输送设备对流体所做的有效功，即功率,4）当体系无外功，且处于静止状态时,流体的静力平衡是流体流动状态的一个特例,2019/6/20,5）柏努利方程的不同形式 a) 若以单位重量的流体为衡算基准,m,位压头，动压头，静压头、压头损失 He 输送设备对流体所提供的有效压头,2019/6/20,b) 若以单位体积流体为衡算基准,静压强项P可以用绝对压强值代入,也可以用表压强值代入,pa,6）对于可压缩流体的流动，当所取系统两截面之间的绝对压强变化小于原来压强的20%，,仍可使用柏努利方程。式中流体密度应以两截面之间流体的平均密度m代替 。,2019/6/20,2019/6/20,1.4.6 柏努利方程的应用 1）确定流体的流量,例：20的空气在直径为80mm的水平管流过，现于管路中接一文丘里管，如本题附图所示，文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20mm的喉径处接一细管，其下部插入水槽中。空气流入文丘里管的能量损失可忽略不计，当U管压差计读数R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气的流量为多少m3/h? 当地大气压强为101.33103Pa。,2019/6/20,2019/6/20,分析：,求流量Vh,已知d,求u,直管,任取一截面,柏努利方程,气体,判断能否应用？,2019/6/20,2019/6/20,解：取测压处及喉颈分别为截面1-1和截面2-2 截面1-1处压强 ：,截面2-2处压强为 ：,流经截面1-1与2-2的压强变化为：,2019/6/20,2019/6/20,在截面1-1和2-2之间列柏努利方程式。以管道中心线作基准水平面。 由于两截面无外功加入，所以We=0。 能量损失可忽略不计hf=0。 柏努利方程式可写为：,式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表压） ，P2= - 4905Pa（表压 ）,2019/6/20,2019/6/20,化简得：,由连续性方程有：,2019/6/20,2019/6/20,联立(a)、(b)两式,2019/6/20,2019/6/20,2）确定容器间的相对位置 例：如本题附图所示，密度为850kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽中的液面维持恒定，塔内表压强为9.81103Pa，进料量为5m3/h，连接 管直径为382.5mm，料液在连接 管内流动时的能量损失为30J/kg(不包 括出口的能量损失)，试求高位槽内 液面应为比塔内的