化工原理流体流动2.ppt

1 3 3柏努利方程式一 流动系统的总能量衡算 衡算的范围 内壁面 1 1 和2 2 截面间衡算的基准 1kg流体基准水平面 0 0平面1kg流体进 出系统时输入或输出的能量项有 内能 物质内部能量的总和U1U2单位 J kg 位能 1kg位能单位流体的位能 gz单位J kggz1gz2 动能 单位 1kg流体的动能 单位 J kg 静压能 压强能 1kg流体的静压能单位在稳定流动系统中 流体只能从截面1 1 流入 而从截面2 2 流出 因此上述输入与输出系统的四项能量 实际上就是流体在截面1 1 和2 2 上所具有的各种能量 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 此外 管路中还装有换热器和泵 则进 出该系统的能量还有 热Qe 该换热器向1kg流体供应或从1kg流体取出的热量为Qe 单位 J kg 外功 净功 1kg流体通过泵 或其它输逆设备 所获得的能量 有时还称为有效功 以We表示 单位J kg 根据能量守衡定律 连续稳定流动系统的能量衡算是以输入的总能量 输出总能量为依据 流体为基准的能量衡方式 令 有增量形式 二 流动系统的机械能衡算与柏努利方程式在流体输送过程中 主要考虑各种形式机械能的转换 为便于应用 要把式中的和Qe消去 根据热力学第一定律 总能量衡算式代入 又 有 对不可压缩流体 或 对于理想流体 又设无外功加入即简化为 柏努利方程 三 讨论 上式表示理想流体在管内作稳定流动 又无外功加入 则任一截面上单位质量流体位能 动能 静压能 总机械能 E 常数即总机械能相等 但每一种形式的机械能不一定相等 相互间可以转换如 理想流体A u 动能 因E com 静压能 表明一个部分静压能转变成动能 水平管道反之 稳定流动A u 动能 静压能 上式中各项单位为J kg 表示单位质量流体所具有的能量 应注意区别 是指某截面上流体本身所具有的能量指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量We是输送设备对单位质量流体所做的有效功 是决定流体输送设备的重要数据 设Ne表示有效功率 单位时间输送设备所做的有效功 单位或W 对于可压缩流体的流动若 可以使用上式 对于不稳定流动系统的任一瞬间 上式仍成立 没有运动系统里流体无阻力Wf 0保持静止状态无有效功加入We 0 如果流体的衡算基准不同 可以有不同形式 A 以单位重量流体为衡算基准各项除g 令 各项单位为表示单位重量的流体所具有的能量 m虽是长度单位 但在这里却反映了一定的物理意义 表示单位重量流体所具有的机械能 可以把自身从基准水平面升举的高度 B 以单位体积流体为衡算基准 各项乘以 各项单位表示单位体积流体所具有的能量 简化后即为压强单位 1 3 4柏努利方程式的应用 涉及四个量 确定容器间的相对位置u 确定管道中流体的流量 确定管路中流体中的压强We 确定输送设备的有效功 确定容器间的相对位置 例 用虹吸管从高位槽向反应器加料 高位槽与反应器均与大气相通 要求料液在管内以1m s的速度流动 设料液在管内流动时的能量损失为20J kg 不包括出口的能量损失 试求 高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少 解 取高位槽液面为上游截面1 1 虹吸管出口内侧为下游截面2 2 并以2 2 为基准水平面 在两截面间列柏努利方程 表压 由于1 1 截面比管道截面大得多u1 0 u2 1m s代入方程式 并简化 确定管道中流体的流量 确定管路中流体的压强 确定输送设备的有效功率 1 4流体流动现象 流体在管内的流动阻力 流体在流动过程中所消耗的一部分或全部能量是用来克服流动阻力 因此流动阻力的计算颇为重要 本节主要讨论流体流动阻力的产生 影响因素及计算 1 4 1牛顿粘性定律与流体的粘度一 牛顿粘性定律 结论 运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力 是流体粘性的表现 故又称粘滞力或粘性摩擦力 流体在流动时的内摩擦 是流动阻力产生的依据 流体流动时必须克服内磨擦力而作功 从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 实验证明 对一定的流体 引进比例系数 上式写成等式式中内摩擦力F与作用面S平行 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力 以有 二 流体的粘度 牛顿粘性定律表达式可改写成 粘度的物理意义是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关联 只有在运动时才显现出来 粘度是流体物理性质之一 其值由实验测定 在t L G 压强P变化时 L基本不变 G变化很小 只在P极高或极低情况下 才需考虑P对 G的影响 在SI制中 粘度的单位 在物理单位制中 粘度的单位为 泊 P的单位大 以P表示流体粘度时数值很小 常用cp 厘泊 作单位 有而 服从牛顿粘性定律的流体 称为牛顿型流体 所有气体及大多数液体属此类 不服从牛顿粘性定律的流体 称为非牛顿型流体 如某些高分子溶液 胶体及泥浆等均属此类 本章只讨论牛顿型流体 1 4 2流动类型与雷诺准数一 雷诺实验 1883年由雷诺 Reynolds 首先提出 雷诺实验 二 雷诺准数 单位 Re准数是一个无因次数群 组成此数群的各物理量 必须用一致的单位表示 无论采用何种单位制 只要数群中各物理量的单位一致 所计算出Re值必相等 凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的数群 称为准数或无因次数群 这种组合并非任意拼