流体流动ppt课件.ppt

第一章流体流动,1,引言,化工单元操作,引言,化工单元操作,在外力作用下发生形变，流体无恢复原状的能力,气体和液体的统称,具有流动性,在外力作用下内部发生相对运动,无固定形状,随容器的形状而改变,第一节概述,化工单元操作,第一节概述,流体,微观上，流体是大量彼此之间有间隙的单个分子组成,宏观上，流体可视为无数流体质点组成的连续介质。,大量分子构成的微团，远大于分子自由程，为连续的介质，体现了宏观性。,一般液体,一般气体,化工单元操作,第二节流体静力学,流体静力学,研究流体在外力作用下处于静止或平衡状态下其内部质点间、流体与固体边壁间的作用规律,密度,两个概念,单位体积流体的质量,流体垂直作用于单位面积上的力流体静压强,1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf,化工单元操作,二、流体静压强,1.流体静压强流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压强，简称为压强或压力，以符号p表示。若以F（N）表示流体垂直作用在面积A(m2)上的力，则（1-9）按压强的定义，压强的单位是m，也称为帕斯卡（a）。化工生产中经常用到帕的倍数单位，如：a（兆帕）、ka(千帕)、ma(毫帕)，它们的换算关系为1a103ka106a109ma,化工单元操作,工程上压强的大小也常以流体柱高度表示，如米水柱（mH2O）和毫米汞柱（mmHg）等。若流体的密度为，则夜柱高度h与压强p的关系为p=hg或用液柱高度表示压强时，必须注明流体的名称，如10mH2O、760mmHg等。,化工单元操作,标准大气压（物理大气压）：atm工程大气压：at,3.压强的表示方法A.绝对大气压：以绝对零压（绝对真空）为基准算得的压强。B.表压、真空度（需注明）：以大气压为基准得到的压力，比大气压高的部分称表压，比大气压低的部分称真空度。,化工单元操作,关系：P表=P绝-P大P真=P大-P绝注意：大气压与气温、湿度和所在地的海拔高度有关。1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O,绝对零压线,大气压线,表压,真空度,绝对压强,绝对压强,图1-1绝对压强、表压与真空度的关系,化工单元操作,绝对压强、表压强与真空度之间的关系，可以用图1-1表示：,图2-1-2弹簧管压力表类型,用专用设备将弹簧管内抽成真空，并充入灌充液，用膜片将其密封隔离。当用隔膜压力表测量压力时，被测工作介质直降作用在隔膜膜片上，膜片产生向上的变形，通过弹簧管内的灌充液将介质压力传递给弹簧管，使弹簧管产生变形，自由端产生位移，再借助连杆带动机芯，使指针在表盘上指示出被测压力值。,化工单元操作,压力测量,缓变压力测量仪表根据测压的工作原理可分为：机械电气式压力表液柱式压力计弹性压力计,水银大气压力计,机械电气式压力表,化工单元操作,例1-1某精馏塔塔顶操作压强须保持5332Pa绝对压强。试求塔顶真空计应控制在多少mmHg？若（1）当时当地气压计读数为756mmHg；（2）当时当地气压计读数为102.6kPa。解:真空度=大气压强绝对压强查附录1mmHg=133.3Pa（1）756=716mmg（真空度）（2）102.6=730mmHg（真空度）,化工单元操作,例1-2设备外环境大气压强为640mmg,而以真空表测知设备内真空为500mmg。问设备内绝对压强是多少？解：绝对压强=大气压强-真空度=640-500=140mmHg=140133.3Pa=1.86104Pa=18.6kPa,化工单元操作,例1-3如果设备内蒸汽为6kgf/cm2,那么压强表上读数为若干a？已知环境大气压强为1kgfcm2。解：表压强=绝对压强大气压强=6-1=5kgfcm2=59.807104Pa=4.9105Pa=0.49MPa,化工单元操作,例4：一台操作中的离心泵，进口真空表和出口压力表的读数分别为0.02MPa和0.11MPa，试求绝对压强分别为多少kPa。设当地大气压为101.3kPa。,解答：进口真空表读数即为真空度，则进口绝对压强为,P1=(101.3-0.02103)kPa=81.3kPa,出口压力表读数即为表压，则出口绝对压强为,P2=(101.30.11103)kPa=211.3kPa,P1=81.3kPa81.3103Pa,=0.81atm,P2=211.3kPa=211.3103Pa,1585.3mmHg,单位换算,第二节流体静力学,化工单元操作,静力学基本方程,受力分析：上端总压力为p1A,假设一重力场中的静止的不可压缩液柱，截面积为A。向下为正方向。,下端总压力为p2A,液柱的重力G=,液柱处于静止时，竖直方向合力为零，即,p1A+,p2A,h1-h2=h,第二节流体静力学,静止的、连续的同一流体内，同一水平面处，各点压力相等等压面。,某一深度的压力与深度和密度有关，与水平位置无关,可用液柱高度表示压力,静力学基本方程只适用于静止的连续的同一流体。,化工单元操作,例2：本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m，密度1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m，密度2=1000kg/m3。（1）断下列关系是否成立，即：（2）计算水在玻璃管内的高度h。,解：（1）判断题给两关系式是否成立,的关系成立。因A及A两点在静止的连通着的同一种流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。,的关系不成立。因B及B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一流体，即截面B-B不是等压面。,（2）计算玻璃管内水的高度h:由上面讨论知,而,从而,第二节流体静力学,0.7=1.16,化工单元操作,第二节流体静力学,例3：某流化床反应器上装有两个U管压差计，如本题附图所示。测得R1400mm，R250mm指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R350mm。试求A、B两处的表压强。,两个等压面的选择条件：两个等压面之一应为压差计中两流体的交界面两个等压面应在同一水平面上，而且两个面应在连通着的同一静止流体内部,化工单元操作,第二节流体静力学,例4：用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽压，U管压差计的指示液为水银，两U管间的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。锅中水面与基准面间的垂直距离h5=3m。大气压强Pa=99.3103Pa。试求锅炉上方水蒸气的压强p。（分别以Pa和kgf/cm2来计量）。,化工单元操作,静力学基本方程应用,压力和压差的测量,液位测量,液封高度的计算,倒U型压差计,U型压差计,斜管压差计,微压差计,第二节流体静力学,化工单元操作,U型压差计,U管压差计是一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液,指示液的选择依据,指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体的密度。,测理原理,在1-1，、2-2，二截面各取一测压孔，用软管与U形管压差计二臂相连，软管上部将被被测流体充满，在水平等径管内流体是流动的，但在软管和U形管压差计内的流体是静止的。若p1p2形管压差计二臂读数不相等，压强大的，作用力大，能量大，它将U形管内的指示液面往下压，出现高度差，用R表示，其值大小反映1-1，、2-2，间的压强差pp1p2。,p(-i)gR,引申,若U管一端与设备或管道某一截面连接，另一端与大气相通，这时读数R所反映的是管道中某截面处的绝对压强与大气压强之差，即为表压强或真空度，从而可求得该截面的绝压。,第二节流体静力学,化工单元操作,倒U型压差计,若被测流体为液体，也可选用比其密度小的流体作指示剂。倒U型压差计常以空气作指示剂。,p(0)gRgR,斜管压差计,适用于所测流体压力差较小的场合,式中为倾斜角，其值越小，R1值越大。,微压差计,适用于所测流体压力差较小的场合,压差计内装有两种密度相近且不互溶、不起化学作用的指示液A和C，而指示液C与被测流体B亦不互溶。为了读数方便，使U管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称为“水库”。扩大室的截面积比U管的截面积大得很多。,忽略扩大室中指示液的液位差，此时,第二节流体静力学,化工单元操作,习题：如图示容器内存有密度为800kg/m3的油，U形管内指示液为水银=13600kg/m3，读数R=200mm，求容器内油面高h。,解：容器和指示管上部相通，压力相等。截面11处，液体处于静止状态，且为同一液体处于同一水平面。则p1=p1而p1p0+hg油p1p0+RgHg从而可得h=RHg/油=0.213600/800=3.4(m),第二节流体静力学,化工单元操作,液位测量,化工厂中经常要了解容器里物料的贮存量，或要控制设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位计的作用原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。,原始液位计,TEXT,液柱压差液位计,鼓泡式液柱液位计,第二节流体静力学,化工单元操作,化工过程仪表是自动控制系统最重要的检测环节,钢带浮子式液位计,超声波液位计,应用浮力原理检测物位应用静压原理检测液位应用超声波反射检测物位,液位检测方法,法兰式差压液位计,化工单元操作,液封高度计算,利用液柱高度封闭气的一种装置。它是生产过程中为了防止事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。,例题：某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7108Pa（表），需在炉外装有安全液封装置，某作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管2中排出，试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。,h,pa,p,解：以液封面为基准水平面00,0,0,pp0=p0=pa+gh,从而,=1.09m,第二节流体静力学,化工单元操作,液封装置演示,化工单元操作,第三节流体动力学,几个概念,流量,单位时间内流经管道任意截面的流体量,体积流量VS,质量流量ms,ms=VS,流速,单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离,或者,管径估算,(假设)流体流速,计算管径,圆整管径,化工单元操作,例题：某车间需敷设一条输水管路，以满足每小时输水36000kg的要求，试选择合适的管径。,解：根据公式,取水的密度为1000kg/m3,Vs=36000/(36001000)0.01m3/s,选取水的流速为2m/s，则,查手册选取,893.5mm规格的无缝钢管。,重新核算流速：,第三节流体动力学,化工单元操作,定态流动,流动系统中流体流速、压强、密度等只是位置的函数，而不随时间变化的流动（连续）,非定态流动,流动系统中流体流速、压强、密度等不仅随位置变化而且随时间变化的流动（间歇）,第三节流体动力学,本章重点讨论定态流动问题,化工单元操作,连续性方程,取截面l1至22之间的管段为对象。根据质量守恒定律，单位时间内流进和流出控制体的质量之差应等于单位时间控制体内物质的累积量。而定态流动时，累积量为零。根据质量守恒:ms1=ms2，即1u1A1=2u2A2对不可压缩流体(为常数):u1A1=u2A2对圆形管道:u1/u2=d22/d12,质量守恒方程式（连续性方程式）推导,例题：见课本P21例1-11。,第三节流体动力学,化工单元操作,柏努利方程,柏努利方程式是管内流体流动机械能衡算式,在管道内作定态流动；在管截面上流体质点的速度分布是均匀的；流体的压力、密度都取在管截面上的平均值。,推导条件,衡算范围：1-1与2-2两截面及内壁面衡算基准：1kg流体。基准水平面：0-0平面。,位能,动能,静压能,外功,能量损失,对不可压缩流体：,He,则,第三节流体动力学,化工单元操作,讨论,如果流体为理想流体（没有粘性，无摩擦阻力）且无外功加入,如果流体处于静止状态，则柏努利方程变为,理想流体任意截面上的总机械能、总压能为常数，总压头为常数,对于可压缩流体如气体，若管道两截面之间的压力差很小，如,，且密度变化也很小，此时，柏努利方程仍可适用，计算时密度取两截面的平均值，可以作为不可压缩流体处理。,流体静力学方程,第三节流体动力学,化工单元操作,第三节流体动力学,柏努利方程应用,应用步骤,柏努利方程与流动性方程是解决流体流动问题的基础。,截面选取,基准水平面,物理量单位,确定衡算系统的范围两截面间的流体必须连续、定态流动；物理量应是截面上的平均值；两截面均应与流动方向垂直,基准面是用于衡量位能大小的基准，为了简化计算，通常取相应于所选定的截面之中较低的一个水平面作为基准面。,压力p1与p2只能同时使用表压或绝对压力外加能量W是对每千克流体而言的。,化工单元操作,柏努利方程的应用,柏努利方程应用,应用范围,管道中流体流量的确定,确定容器间的相对位置,确定输送设备的有效功率,确定管路中流体的压强,化工单元操作,例题,例题：有一水平风管道，直径自300mm（1-1截面）渐缩到200mm（2-2截面）。为了粗略估计其中空气的流量，在锥形接头两端分别测得1-1截面与2-2截面的表压力分别为1200Pa、1000Pa，空气流过锥形管的能量损失可以忽略。求空气的体积流量为若干m3h1，空气的温度为20，当地大气压为101.3kPa。,解：因空气在锥形管两端的压力变化,故可按不可压缩流体来处理。在1-1截面与2-2截面之间列柏努利方程式,式中,两截面间的空气密度,代入柏努利方程得，,化简得，,依连续性方程，有,即,（a）,（b）,从而,化工单元操作,例题,例题：常温的水从水塔塔径为1144mm的管道输送至车间。水由水塔液面流至管出口内侧的能量损失为143Jkg1。若要求水在管中的流速为2.9ms1，试求水塔内的液面与水管出口之间的垂直距离。设水塔内的液面维持恒定。,解：水塔内水位恒定，故本题属于稳定流动。以管出口的中心线为基准面，在水塔内液面（1-1）及管出口内侧（2-2）之间列柏努利方程式：,式中p1=p2=pa，z2=0，We=0，hf=143J/kg，u10（因水塔截面积很大，水在其中流速很小，与在管道中的流速相比可以忽略不计），u2=2.9m/s代入,讨论,本题的总能量损失是指从水塔液面至管出口内侧的，故截面2-2应取在管内侧，两者才一致，相应的流速才为2.9ms1。若总能量损失包括流体由管子流至管外的出口损失，此时截面应选在管出口外侧，因出口外侧为空间，其截面为无穷大，故此时u20。,化工单元操作,例题,例题：如图所示，用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33103Pa。蒸发器上部的蒸发室内操作压强为200mmHg(真空度)。蒸发室进口高于贮槽内的液面15m,输送管道的直径为684mm,送料量为20m3/h溶液流经全部管道的能量损失为120J/kg,求泵的有效功率?,1,1,2,2,解：以贮槽的液面为上游截面1-1，管路出口内侧为2-2截面，并以1-1为基准，在两截面间列柏努利方程,其中z1=0,z2=15mp1=0(表压)，p2=-200mmHg=-26670Pa（表压），hf=120J/kg，u1=0，u2=4V/(3.14d2)=1.97m/s,代入上式，可得We=246.9J/kg,从而Ne=Wems=1647w,化工单元操作,例题,例题：本题附图所示为冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg，由B流至A的能量损失为49J/kg，试计算：（1）若泵的效率为70时，泵的轴功率为若干kW？（2）A、B处的压强差为若干Pa？,化工单元操作,例题,例题：如图所示，水槽液面高度保持不变，管路中的流体视为理想流体，试求：管路出口流速；管路中A、B、C各点压强；分析流体在流动过程中，不同能量间的转换。,1m,5m,3m,1m,A,A,B,B,C,C,解：以当地大气压为压强基准,管路出口截面22为基准水平面在1-1、2-2截面间列柏努利方程,其中p1=p20,hf=0,We=0,u1=0,z1=5m,z2=0m,代入柏努利方程，得,因为阻力损失为零，故各点机械能相等，即,E1=EA=EB=EC=E2=gz1=5g（J/kg）,从而，A点,同理，B点,C点,位能位能动能静压能位能动能静压能位能动能静压能,化工单元操作,第三节管内流体流动现象,牛顿粘性定律,粘性,定义：流体流动时产生内摩擦力的性质(牛奶和水),特点：流体粘性越大，其流动性质就越小。,内摩擦力,定义：运动流体内部相邻两流体间由于分子运动而产生的相互作用力。,特征：流体流动时内摩擦力的大小体现了流体粘性的大小。,两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度成正比。,速度梯度,粘性系数，粘度,化工单元操作,粘度,物理意义：流体流动时在与流动方向相垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。,粘度是反映流体粘性大小的物理量,各参数对粘度的影响,温度：对液体粘度的影响很大，温度升高时，液体的粘度减小；而气体的粘度增大。,压力：对液体粘度的影响很小，可忽略不计；而气体的粘度，除非在极高或极低的压力下，可以认为与压力无关。,运动粘度,流体力学中，把流体粘度与密度之比称为运动粘度,牛顿型流体,指在流动中形成的剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿粘性定律的流体，如水、空气等,非牛顿型流体,指剪应力与速度梯度的关系不服从牛顿粘性定律的流体，如泥浆、悬浮液等,第四节管内流体流动现象,化工单元操作,第四节管内流体流动现象,实验表明：流体在管道中的流动状态可分为两种类型：层流、湍流,化工单元操作,层流或滞流,流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互不混合，这种流动状态称为层流。,湍流或紊流,流体在管中流动时，若其质点除了沿管道向前运动外，各质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，于是质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流。,？,如何区分这两种流体？,雷诺准数,雷诺准数Re是由四种影响流体流动类型的因素所组成的复合数群，即,雷诺准数是判断流体流动类型的准则。其量纲为1。,当Re2000，流动类型为层流；当Re4000，流动类型为湍流；当2000Re4000，流动类型可能是层流，也可能是湍流，这一范围称为过渡区。,流动类型的判断,第四节管内流体流动现象,化工单元操作,例题,例题：在实验室中，用玻璃管输送20的70醋酸。管内径为1.5cm，流量为10kg/min。计算雷诺准数，并指出流型。,5.66103,化工单元操作,流体在圆管内的速度分布,指管截面上质点的轴向沿半径的变化。,流体在圆管中层流时的速度分布,速度分布,速度分布为抛物线形状，管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零，平均速度为最大速度的一半。,速率分布方程,最大流速,抛物线方程,平均流速,层流时平均流速为管中心处最大流速的一半,化工单元操作,流体在圆管中湍流时的速度分布,速度分布可分为两部分，即管中心部分与靠近管壁的部分。,湍流的核心部分，流体质点除了沿管道轴向流动外，还在截面上横向脉动，产生旋涡。流速不同的质点间进行着湍流动量传递，使管截面上的速度分布比较均匀。,属于层流层，沿半径方向的速度梯度较大。附在管壁上的一层流体的流速为零。,层流底层：由于流体具有粘性，邻近管壁处的流体受管壁处流体层的约束作用，其流速不大，仍保持一层作层流流动的流体薄层，这就是层流底层。管内流体的流速愈大，中间部分湍流程度就愈强，层流底层就愈薄。流体粘度愈大，层流底层就愈厚。,湍流核心部分与层流底层之间，存在着过渡层。,管截面的平均速度约为管中心最大流速的0.82左右。即,流体在圆管内的速度分布,化工单元操作,截止阀,闸阀,化工单元操作,流体在直管中的流动阻力,能量损失,流体在管内从一个截面流到另一个截面，由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦阻力，或由于流体之间的湍流动量传递而引起的摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能，这部分机械能称为能量损失。,直管阻力,流体流经一定直径的直管时所产生的阻力。,局部阻力,流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。,流体流经等直径的直管时，动能不变，故能量损失为：,对于水平管道：,化工单元操作,直管阻力,流体作定态流动，合力为零，,，即,流体流经等直径的直管时，动能不变，故能量损失为：,对于水平管道：,从而，,（能量损失）,（压头损失）,（压力损失）,与压力差不同，只有当管路水平时才相等,范宁公式,，摩擦系数,对层流和湍流均适用,化工单元操作,层流时的,对于,，其中,从而,若管路水平安装，则,哈根泊素叶方程式,范宁公式,化工单元操作,绝对粗糙度,管壁粗糙面凸出部分的平均高度。,相对粗糙度,/d绝对粗糙度与管内径d之比值。,湍流流动时，管壁粗糙度对能量损失有影响。层流流动时，流体层平行于管道轴线，流体的流动速度比较缓慢，对管壁凸出部分没有什么碰撞作用，故流体阻力或摩擦系数与管壁粗糙度无关。即不论管壁粗糙度如何，只与Re有关，与光滑管内的层流情况相同。,量纲分析法,由实验确定经验关系式的一种实验研究方法。具体方法略。,摩擦阻力的计算，关键是寻求摩擦阻力系数的计算。层流时，比较容易。但流体在管内作湍流时，与许多因数有关。用实验方法来求与上列因数的关系，则十分困难。因次分析法是化学工程实验研究中经常使用的方法之一。因次分析法的基础是因次的一致性原则，即每一个物理方程式的两边，不仅数值相等，而且因次也必须相同。,化工单元操作,化工单元操作,湍流时的,（1）层流区：Re2000，Re=/64，与Re为直线关系，与无关。,（2）过渡区：20004000，流动类型不稳定。为安全计，按湍流计算。,（3）湍流区：Re4000及虚线以下的区域，,（4）完全湍流区（阻力平方区，图中虚线以上的区域）对于一定的值，与Re的关系趋近于水平线，可看作与Re无关，而为定值；Re一定时，值随增大而增大；愈大，达到完全湍流区的Re值愈低；由可知，对一定的管路，均为定值，因而此区域内也为定值，故。当2.5103Re105，在光滑管内，应用布拉修斯(Blasius)方程式：,化工单元操作,非圆形管的,当流体在非圆形管内作湍流流动时，计算圆管流体阻力公式中的管径d以非圆管的当量直径代替。,当量直径,流体流经管道截面积A的4倍除以润湿（管壁与流体接触）的周边长度，即,实例,对于圆形管：,对于套管的环隙：当外管的内径为d2，内管的外径为d1，则,对于边长分别为a与b的矩形管：,对于边长为a的正方形管：,在层流情况下，当采用当量直径de计算阻力时,C常数，无因次，可以从相关表中查取。,化工单元操作,例题：详见课本P351-14。,例题：详见课本P361-15。,化工单元操作,局部阻力,局部阻力所引起的能量损失有两种计算方法，即阻力系数法和当量长度法。,阻力系数法,由于局部阻力所引起的机械能损失为：,局部阻力系数,管截面突然扩大时(A1A2)：,管截面突然缩小时(A1A2)：,管道容器、管道大气：,容器管道：,当量长度法,将流体流过管件或阀门所产生的局部阻力损失，折合成流体流过长度为le的直管的阻力损失。le值由实验测定。,局部阻力损失,化工单元操作,总阻力损失计算,管路系统的总阻力损失（即总机械能损失）包括：直管阻力损失；所有管件、阀门等的局部阻力损失。,若管路系统中的管径d不变，则总阻力损失为：,或者,各当量长度的总和,各局部阻力系数的总和,例题：详见课本P401-16。,化工单元操作,第六节管路计算,简单管路,指直径相同的管路或不同直径组成的串联管路。,复杂管路,并联管路,在主管某处分为几支，然后有汇合成一主管路。,分支管路,流体在主管处有分支，但最终不再汇合的管路。,管路计算中应用连续性方程式、柏努利方程式以及能量损失计算式。,计算基础,化工单元操作,简单管路,情形1：已知管长l（包括管件的当量长度）、管径d及流量V，求设备相对位置。,解法：在截面1-1与截面2-2间应用柏努利方程式，,在上式中d、l已知，可先求出u和，然后可求出h。,化工单元操作,情形2：