流体流动(3).doc

第1章 流体流动 化工生产中涉及的物料大部分是流体，涉及的过程绝大部分是在流动的条件下进行的，许多化工过程进行的效果在很大程度上受到物料在设备内流动状况的影响。流体流动的规律是研究化工过程和设备的基础之一。本章在流体静力学方程式的导出、伯努利方程式的导出、圆管内流体流动剪应力的分布、流速的分布、范宁公式等，利用了物理的力学定律，使用严格的逻辑推理方法。圆管内流体湍流流动时的阻力损失分析，采用了经验研究方法。 本章的知识要点：1、流体机械能衡算方程式的应用，2、管路的分类和计算，3、流体静力学方程式的应用，4、阻力损失的计算， 5、圆管中流体流动中的内部结构描述，6、流速流量测量原理。一、机械能衡算方程式 本章的核心公式是流体机械能衡算方程式，该公式有如下三种形式： 单位： （1-1） 单位： 单位： 单位： 单位： 单位： 应用公式（1-1）注意以下几点：（1） 不可压缩性流体作定常态流动，自1-1截面至2-2截面的控制体内流体连续。（2） Z1、Z2选择同一水平基准面，通常选择地平面或控制体1-1截面、2-2截面中的较低的一个所在的水平面上。（3） P1、P2同时以绝对压计或同时以表压计，并且注意单位均统一到N/m2 。（4） 自高位槽或高压容器向其他地方输送流体时一般不需要流体输送机械，此时，He=0 。（5） 公式中的每一项均是单位流体的能量，每牛顿流体的能量焦耳，形式上的单位是米。He是流体输送机械加给每牛顿流体的能量焦耳数,阻力损失项亦是每牛顿流体的能量损失焦耳数。（6） 1-1截面、2-2截面与流体流动方向相垂直，根据所取的1-1截面、2-2截面的性质，灵活地确定u1、u2的数值，流速u是平均流速。（7） 阻力损失项中的流速取产生阻力损失的管段上的平均流速，有时管段不止一段。（8） 若控制体内的阀门完全关闭，则1-1截面、2-2截面上的流体能量便不再有任何关系。（9） 若在等直径的管段，无流体输送机械，阻力损失可以忽略，（1-1）式变成流体静力学的形式。应用公式（1-1）可解决以下方面的问题：（1） 在确定的控制体中，达到一定的流量，确定流体输送机械加给每牛顿流体的能量焦耳数及功率。（2） 在确定的控制体中，达到一定的流量，确定起始截面1-1的高度或压强。（3） 在确定的控制体中，可达到的流量（流速）。（4） 在确定的控制体中，达到一定的流量，确定管径。因为机械能衡算式中的每一项均是单位流体的能量，故计算流体输送机械的功率时应注意流体的总流量Q(单位：m3/s)。 或 （单位：w）。二、管路计算 管路计算实际上就是流体机械能衡算式的应用。抓住流体机械能衡算式是以单位流体为基准，与流体的总量没有关系这一特点，故其不仅应用于简单管路，而且可以应用于有分支点的管路、有汇合点的管路、并联管路。应用机械能衡算式描述实际管路中所关注的1-1截面、2-2截面的各项能量及阻力损失，可以解决其中某一个未知数的求解计算。应用机械能衡算式分析简单管路中阻力损失（阀门）的变化对管路中流速、阀前压强、阀后压强的影响。三、流体静力学 流体静力学公式： （单位：J/N=m） （1-2）静止流体内的压强，只与垂直方向上的尺寸Z有关，而与其他方向的尺寸无关。这是因为仅处于重力场中的缘故。应用流体静力学公式判断等压面的原则：同一密度的静止流体，只要在同一水平面上，则压强相等。例如，在上图中，1面与2面是等压面，3面与4面是等压面，5面与6面是等压面。流体静力学的另一常用形式： （1-3）1 可见，位于0面（一般为液面，液面上的压强一般为大气压）之下的某一位置1处的压强比0面的压强大 ，或者说位于1处之上的某一位置0处的压强比1处的压强小 。这对于直接快速判断静止流体内不同垂直位置处压强的相对大小及压强差变得非常容易。四、流体流动阻力损失 沿程阻力损失计算式（范宁公式）： （1-4）根据（1-4）式，可分析管内为完全湍流时，分别当流量变化、管径变化时，所引起阻力损失变化的比例。管内为层流时，沿程阻力损失计算式（哈根泊谡叶公式）： （1-5）根据（1-5）式，可分析管内为层流时，分别当流量变化、管径变化时，所引起阻力损失变化的比例。五、圆管内流体流动剪应力及流动速度分布 圆管内流体流动剪应力随半径变化的关系式： （1-6）根据该式可见圆管内流体流动在管截面上，剪应力随半径的增加呈直线增加。圆管内流体流动速度分布与流动形态有关。层流时（），圆管内牛顿型流体速度分布式： （1-7）可知，在管轴心线上流速为最大值。根据（1-7）式可求算流体体积流量，并得到管截面上的平均流速是管轴心线上最大流速的0.5倍。当湍流流动时（），根据经验关系式得到，管截面上的平均流速是管轴心线上最大流速的约0.81倍。 层流与湍流的本质差别是流体的质点有无脉动速度。六、流速流量测定 毕托管所测点的流体流速的计算式： （1-8）孔板流量计孔板口处流体流速的计算式： （1-9）孔板流量计所测流体流量的计算式： （1-10）转子流量计刻度换算系数： （q