[能源化工]1流体流动基本知识.ppt

2019 12 23 流体流动 第一节 流体概述第二节 流体静止的基本方程第三节 流体在管内的流动第四节 管路流动现象及阻力计算 2019 12 23 特征 定义 压缩性 第一节流体概述 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体 如气体和液体 在外力作用下其内部发生相对运动 抗剪和抗张的能力很小 无固定形状 随容器的形状而变化 具有流动性 即 可压缩流体 流体的体积如果随压力及温度变化 气体 不可压缩流体 流体的体积如果不随压力及温度变化 液体 2019 12 23 第二节流体静止的基本方程 内容 流体在外力作用下达到平衡的规律 主要讨论流体在重力作用下的平衡规律 一 流体的密度二 流体的压强三 流体静力学方程 分三部分 2019 12 23 一 流体的密度 1 密度定义单位体积的流体所具有的质量 si单位kg m3 式中 流体的密度 kg m3 m 流体的质量 kg v 流体的体积 m3 2019 12 23 不同的流体密度是不同的 对一定的流体 密度是压力p和温度t的函数 可用下式表示 液体的密度随压力的变化甚小 极高压力下除外 可忽略不计 但其随温度稍有改变 气体的密度随压力和温度的变化较大 液体 不可压缩性流体 气体 可压缩性流体 2 影响 的主要因素 2019 12 23 3 液体混合物的密度 m液体混合时 体积往往有所改变 若混合前后体积不变 则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和 令液体混合物中各组分的质量分率分别为 2019 12 23 4 与密度相关的几个物理量1 比容 单位质量的流体所具有的体积 用 表示 单位为m3 kg 2 比重 相对密度 某物质的密度与4 下的水的密度的比值 用d表示 在数值上 液体混合物密度计算式 亦即流体的比容是密度的倒数 2019 12 23 二 流体的压强 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 1 压强的定义在静止流体内 垂直作用于流体单位表面积上的压力 称为流体的静压强 简称压强 习惯上称为压力 作用于整个面上的力称为总压力 换算关系 2019 12 23 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 2 表压强 表压 压力上读取的压强值称为表压 表压强 绝对压强 大气压强 3 真空度 真空表的读数 真空度 大气压强 绝对压强 表压 2019 12 23 图绝对压力 表压和真空度的关系 绝对压力 测定压力 表压 大气压 当时当地大气压 表压为零 绝对压力为零 真空度 绝对压力 测定压力 a 测定压力 大气压 b 测定压力 大气压 2019 12 23 流体静力学基本方程式是用于描述静止流体内部的压力沿着高度变化的数学表达式 对于不可压缩流体 密度不随压力变化 其静力学基本方程可用下述方法推导 三 流体静力学方程 2019 12 23 在垂直方向上作用于液柱的力有 下底面所受之向上总压力为p2a 上底面所受之向下总压力为p1a 整个液柱之重力g ga z1 z2 1 方程的推导 现从静止液体中任意划出一垂直液柱 如图所示 液柱的横截面积为a 液体密度为 若以容器器底为基准水平面 则液柱的上 下底面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2 以p1与p2分别表示高度为z1及z2处的压力 2019 12 23 上两式即为液体静力学基本方程式 表明在重力作用下 静止液体内部压强的变化规律 如果将液柱的上底面取在液面上 设液面上方的压力为p0 下方压力为p 液柱z1 z2 h 则上式可改写为 因为小液柱处于静止状态 2019 12 23 2 方程的讨论 1 液体内部压强p随p0和h的改变而改变 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 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 2019 12 23 上式中各项的单位均为m 3 静力学基本方程式中各项的意义 对于 常数 2019 12 23 4 举例 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 1 判断下列两关系是否成立 pa pa pb p b 解 1 a a 在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上 b b 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 计算玻璃管内水的高度h 2019 12 23 2 计算水在玻璃管内的高度h 设大气压为pa 根据流体静力学方程 2019 12 23 第三节流体在管内的流动 研究内容 工业生产中管内流动规律 主要是两个方程式 连续性方程 柏努利方程 一 流量与流速二 定态流动与非定态流动三 连续性方程式四 能量衡算方程式五 柏努利方程式的应用 分五部分 2019 12 23 一 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 若流量用体积来计量 称为体积流量vs 单位为 m3 s 若流量用质量来计量 称为质量流量ws 单位 kg s 体积流量和质量流量的关系是 2019 12 23 2 流速 实验证明 流体在管道内流动时 由于流体具有粘性 管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的 管道中心流速最大 愈靠管壁速度愈小 在紧靠管壁处 由于液体质点粘附在管壁上 其速度等于零 平均速度 在工程计算上为方便起见 流体的流速通常指整个截面上的平均流速 用u表示 单位为 m s 数学表达式为 流速 单位时间内流体在流动方向上所流过的距离 以u表示 其单位为m s 2019 12 23 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 流量与流速的关系为 3 流量与流速的关系 2019 12 23 生产实际中 管道直径应如何确定 流体输送管路的直径可根据流量和流速用上式进行计算 流量一般为生产任务所决定 而合理的流速则应根据经济权衡决定 一般液体流速为0 5 3m s 气体为10 30m s 某些流体在管道中的常用流速范围 可参阅有关手册 4 管道直径的估算 一般管道的截面均为圆形 若以d表示管道内径 有 管道直径的计算式 2019 12 23 5 举例某厂要求安装一根输水量为30m3 h的管道 试选择合适的管径 解 依据管道内径计算式 管内径为 选取水在管内的流速u 1 8m s 自来水1 1 5 水及低粘度液体1 5 3 0 2019 12 23 因此 水在输送管内的实际操作流速为 查管道规格 确定选用 89 4 外径89mm 壁厚4mm 的管子 则其内径为d 89 4 2 81mm 0 081m 2019 12 23 二 定态流动与非定态流动 流动系统 定态流动 流动系统中各截面上流体的流速 压强 密度等有关物理量仅随位置而改变 不随时间而改变 非定态流动 上述物理量既随位置而变 又随时间而变 例 水箱3上部不断地有水从进水管1注入 而从下部排水管4不断地排出 且在单位时间内 进水量总是大于排水量 多余的水由水箱上方溢流管2溢出 以维持箱内水位恒定不变 2019 12 23 排水管不同管径处 经测定发现 该两截面上的流速和压强虽然不相等 但每一截面上的流速与压强并不随时间而变化 这种情况属于定态流动 定态流动 若在流动系统中 任意取两个截面 非定态流动 若将水箱进水管阀门关闭 箱内的水仍由排水管不断排出 由于箱内无水补充 则水位逐渐下降 各截面上水的流速与压强也随之而降低 此时各截面上水的流速与压强不但随位置而变 还随时间而变 这种情况属于非定态流动 后面的讨论都是基于定态流动的问题 2019 12 23 三 连续性方程 设流体在如图所示的定态流动管道系统中 作连续稳定流动 从截面1 1流入 从截面2 2流出 若在管道两截面之间无流体漏损 根据质量守恒定律 从截面1 1进入的流体质量流量应等于从截面2 2流出的流体质量流量 即 2019 12 23 如果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 管内定态流动的连续性方程 2019 12 23 对于圆形管道 表明 当体积流量vs一定时 管内流体的流速与管道直径的平方成反比 管内定态流动的连续性方程式反映了在定态流动系统中 流量一定时 管路各截面上流速的变化规律 此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件 阀门或输送设备等无关 2019 12 23 例如附图所示的输水管道 管内径为 d1 2 5cm d2 10cm d3 5cm 1 当流量为4l s时 各管段的平均流速为若干 2 当流量增至8l s或减至2l s时 平均流速如何变化 2019 12 23 解 1 根据平均流速公式 则 根据流速与管道直径换算公式 有 相应地 2019 12 23 流量减小至2l s时 即流量减小1 2 各段流速亦为原值的1 2 即u1 4 08m s u2 0 26m s u3 1 02m s 2 各截面流速比例保持不变 流量增至8l s时 流量增为原来的2倍 则各段流速亦增加至2倍 即u1 16 3m s u2 1 02m s u3 4 08m s 2019 12 23 1 流体流动的总能量衡算 在下图的定态流动系统中 流体从截面1 1 流入 经粗细不同的管道 从截面2 2 流出 管路上装有对流体作功的泵2 及向流体输入或从流体取出能量的换热器1 设u p z a v为各截面处的流速 压强 高度 截面积 比容 1kg流体进 出系统时输入和输出的能量有下面各项 四 能量衡算方程式 2019 12 23 位能 流体因处于重力场内而具有的能量 相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度z所作的功 即 单位质量流体的位能 动能 流体以一定的流速流动而具有的能量 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 内能 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 1 流体本身具有的能量 2019 12 23 流体在截面处所具有的压力 流体通过截面所走的距离为 流体通过截面的静压能 单位质量流体所具有的静压能 单位质量流体本身所具有的总能量为 如果在内部有液体流动的管壁上开孔 并与一根垂直的玻璃管相接液体便会在玻璃管内上升 上升的液柱高度便是运动着流体在该截面处的静压强的表现 其中位能 动能及静压能又称为机械能 三者之和称为总机械能或总能量 2019 12 23 热 设换热器向1kg流体交换的热量为 2 系统与外界交换的能量 外功 净功 1kg流体通过泵 或其他输送设备 所获得的能量 称为外功或净功 有时还称为有效功 即 we的符号是流体接受外功为正 向外界做功为负 的符号是流体吸热为正 流体放热为负 3 总能量衡算根据能量守恒定律 连续定态流动系统的能量衡算是以输入的总能量等于输出的总能量为依据的 于是便可列出1kg流体为基准的能量衡算式 即 输入能量 输出能量 2019 12 23 定态流动过程的总能量衡算式 2019 12 23 流体与环境所交换的热 阻力损失 加热而引起体积膨胀所作的功 j kg 根据热力学第一定律有 1 流动系统的机械能衡算式 2 流动系统的机械能衡算式 柏努利方程 2019 12 23 代入上式得 流体定态流动过程中的机械能衡算式 2019 12 23 对于理想流体 当没有外功加入时we 0且 柏努利方程 或 2 柏努利方程 bernalli 当流体不可压缩时 有 2019 12 23 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 12 23 3 式中各项的物理意义 处于某个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 即有效功率 4 当体系无外功 且处于静止状态时 流体的静力状态是流体流动状态的一个特例 2019 12 23 5 以单位重量的流体为衡算基准的柏努利方程 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 称 2019 12 23 五 柏努利方程式的应用 1 应用柏努利方程的注意事项1 作图并确定衡算范围根据题意画出流动系统的示意图 并指明流体的流动方向 定出上下截面 以明确流动系统的衡标范围 2 截面的截取两截面都应与流动方向垂直 并且两截面的流体必须是连续的 所求得未知量应在两截面或两截面之间 截面的有关物理量z u p等除了所求的物理量之外 都必须是已知的或者可以通过其它关系式计算出来 2019 12 23 3 基准水平面的选取所以基准水平面的位置可以任意选取 但必须与地面平行 为了计算方便 通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面 如衡算范围为水平管道 则基准水平面通过管道中心线 z 0 4 单位必须一致在应用柏努利方程之前 应把有关的物理量换算成一致的单位 然后进行计算 两截面的压强除要求单位一致外 还要求表示方法一致 2019 12 23 2 柏努利方程的应用1 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 81 103pa 进料量为5m3 h 连接管直径为 38 2 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进料口高出多少 2019 12 23 分析 解 取高位槽液面为截面1 1 连接管出口内侧为截面2 2 并以截面2 2 的中心线为基准水平面 在两截面间列柏努利方程式 高位槽 管道出口两截面 u p已知 求 z 柏努利方程 2019 12 23 式中 z2 0 z1 p1 0 表压 p2 9 81 103pa 表压 由连续性方程 a1 a2 we 0 u1 u2 可忽略 u1 0 将上列数值代入柏努利方程式 并整理得 2019 12 23 2 确定输送设备的有效功率例 如图所示 用泵将河水打入洗涤塔中 喷淋下来后流入下水道 已知道管道内径均为0 1m 流量为84 82m3 h 水在塔前管路中流动的总摩擦损失 从管子口至喷头进入管子 的阻力忽略不计 为10j kg 喷头处的压强较塔内压强高0 02mpa 水从塔中流到下水道的阻力损失可忽略不计 泵的效率为65 求泵所需的功率 2019 12 23 分析 求ne ne wews 求we 柏努利方程 p2 塔内压强 截面的选取 解 取塔内水面为截面3 3 下水道截面为截面4 4 取地平面为基准水平面 在3 3 和4 4 间列柏努利方程 2019 12 23 将已知数据代入柏努利方程式得 计算塔前管路 取河水表面为1 1 截面 喷头内侧为2 2 截面 在1 1 和2 2 截面间列柏努利方程 2019 12 23 式中 2019 12 23 将已知数据代入柏努利方程式 泵的功率 2019 12 23 一 有关粘性的概念二 流体在管路中的流动阻力三 管路中的总能量损失四 简单管路的计算五 复杂管路的计算六 阻力对管路流动的影响 第四节管路流动现象及阻力计算 分三部分 主要进行概念性的介绍 以了解情况 内容 2019 12 23 一 有关粘性的概念 1 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 2 剪应力 单位面积上的内摩擦力 以 表示 3 粘性 流体流动时产生内摩擦力的性质 流体粘性越大 其流动性就越小 如从桶底放水和油 粘性是流体的基本物理特性之一 任何流体都有粘性 粘性只有在流体运动时才会表现出来 2019 12 23 1 能量损失 流体在管内从第一截面流到第二截面时 由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力 使一部分机械能转化为热能 我们把这部分机械能称为能量损失 能量损失可以通过阻力计算求得 2 流动阻力 流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力和局部阻力两类 3 直管阻力hf 流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力 4 局部阻力hf 流体流经管路中的管件 阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力 二 流体在管路中的流动阻力 2019 12 23 5 直管阻力 为摩擦因数 6 局部阻力 1 阻力系数法 为阻力系数 由实验测定 2 当量长度法 le为管件的当量长度 管件与阀门的当量长度由试验测定 湍流时 可查共线图 2019 12 23 管路系统中总能量损失 直管阻力 局部祖力 对直径相同的管段 三 管路中的总能量损失 2019 12 23 四 简单管路的计算 管路 简单管路 复杂管路 流体从入口到出口是在一条管路中流动的 没有出现流体的分支或汇合的情况串联管路 不同管径管道连接成的管路 存在流体的分流或合流的管路分支管路 并联管路 串联管路的主要特点a 通过各管段的质量不变 对于不可压缩性流体 b 整个管路的阻力损失等于各管段直管阻力损失之和 2019 12 23 五 复杂管路的计算 1 分支管路特点1 单位质量流体在两支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等 且等于分支点处的总机械能 2 主管流量等于两支管流量之和 2 并联管路1 并联管路中各支管的能量损失相等 2019 12 23 2 主管中的流量等于各支管流量之和 3 并联管路中各支管的流量关系为 2019 12 23 六 阻力对管内流动的影响 1 简单管路内阻力对管内流动的影响 阀门由全开转为半开 试讨论各流动参数的变化 2019 12 23 1 阀门的阻力系数增大 hf a b增大 由于高位槽液而维持不变 故流道内流体的流速应减小 2 管路流速变小 截面1 1 至a处的阻力损失下降 a点的静压强上升 2019 12 23 3 同理 由于管路流速小 导致b处到截面2 2 的阻力损失下降 而截面2 2 处的机械能不变 b点的静压强将下降 一般性结论 1 任何局部阻力的增大将使管内各处的流速下降 2 下游的阻力增大将导致上游的静压强的上升 3 上游的阻力增大将使下游的静压强下降 2019 12 23 2 分支管路中阻力对管内流动的影响 某一支路阀门由全开转为半开 试讨论各流动参数的变化 2019 12 23 2 o点处静压强的上升将使总流速u0下降 1 阀门a关小 阻力系数 a增大 支管中的流速u2将出现下降趋势 o点处的静压强将上升 3 o点处静压强的上升使另一支管流速u3出现上升趋势 忽略动压头 总之 分支管路中的阀门关小 其结果是阀门所在支管的流量减小 另一支管的流量增大 而总流量则呈现下降趋势 2019 12 23 注意两种极端情况 1 总管阻力可以忽略 支管阻力为主任一支管情况的改变不致影响其他支管的流量如 城市供水 煤气管线2 总管阻力为主 支管阻力可以忽略总管中的流量不因支管情况而变 支管的启闭仅改变各支管间的流量的分配 2019 12 23 3 汇合管路中阻力对管内流动的影响 阀门由全开转为半开 试讨论各流动参数的变化 阀门关小 总管流量下降 o点静压强升高 u1