化工原理天大上册(完整版).ppt

1 化工原理 上册 制作人 夏清 2 总学时56 授课50 课堂研讨4 机动2 绪论1第一章流体流动13第二章流体输送机械8第三章非均相混和物分离及固体流态化8第四章液体搅拌2第五章传热14第六章蒸发4 学时安排 3 教材 柴诚敬主编普通高等教育 十五 国家级规划教材化工原理 上册 北京 高等教育出版社2005年6月 第一版 4 1 柴诚敬 张国亮 化工流体流动与传热 第二版北京 化学工业出版社 2007 2 夏清 陈常贵 化工原理 上册 天津 天津大学出版社 2005 3 W L McCabe J C Smith UnitOperationsofChemicalEngineering 6thed NewYork McGraw HillInc 2001 参考教材 5 网络课程辅助教学 化工原理及实验 网络课程网址 202 113 179 181 6 网络课程站点 化工原理及实验 网络课程 虚拟课堂 演示实验 图片汇总 动画汇总 思考题汇总 作业汇总 讨论与答疑 网上自测 教师主页 附件下载 网络课程辅助教学 7 通过绪论的学习 应了解化工原理课程的主要内容 单元操作的分类和特点 工程学科的研究方法 本课程的学习要求 掌握单位制及单位换算方法 学习目的与要求 绪论 8 0 1化工原理课程的内容和特点 绪论 9 化学工业和化学工程 化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方法加工成具有规定质量的物质的工业 化学工程是一门工程技术学科 它研究化工产品生产过程的基本规律 并运用这些规律解决化工生产中的问题 化学工业是一个包含多个行业的工业部门 化学工业包括石油炼制和裂解 煤焦化及煤焦油工业 基本有机合成工业 高分子合成 氯碱 制酸 化肥 以及精细化学工业等 产品归纳起来可分为25类化工产品根据技术密集高低 附加值利润大小 品种类型 产量多少 更新速度快慢以及应用范围不同又可分为两大类 一类是通用化学品 另一类是精细化学品 10 化工产品种类繁多 制取的化工原料却有限 可分为无机和有机原料两大类 无机原料主要有空气水和化学矿物 有机主要是煤 石油 天然气和生物质等 原料选择原则1 考虑原料品位能否满足生产要求 来源是否充足稳定可靠 2 分析原料的经济性 要对原料路线和工艺路线的技术经济指标权衡 3 从综合利用原料资源考察原料使用合理性 在遵守国家有关资源保护的法令和条例 兼顾联合审查 发产品回收及三废处理等方面尽可能提高原料利用率发挥原料单位相互力所能创造的经济效益 11 化学工业特点 1 化学工业是独特 不可取代的工业部门 2 化工产品品种繁多 工艺复杂 3 是装置型工业 具有规模经济性 4 是资金密集 技术密集的工业部门 5 是能耗大户 6 易污染 重污染的工业部门 12 化学工程的发展 化学工程发展的四个阶段 13 化学工业领域的地位 14 一 化工原理课程内容 化工生产过程 化学反应 单元操作 反应工程 化工原理 三传一反 15 化工生产过程分析 前处理 预处理 化学反应过程 后处理 加工 物理过程 化学过程 物理过程 16 二 单元操作的分类和特点 1 流体动力过程 流体输送 沉降 过滤 搅拌2 传热过程 换热 蒸发3 传质过程 蒸馏 吸收 萃取 吸附 浸取 吸附 离子交换 膜分离4 热质同时传递过程 增减湿 结晶 干燥 分类 17 化工原理是一门实践性很强的工程学科 单元操作的研究内容包括 过程 和 设备 两个方面 所有的单元操作都可分解为动量传递 热量传递 质量传递这三种传递过程和它们的结合 三种传递过程现象中存在着类似的规律和内在的联系 传递过程是联系各单元操作的一条主线 二 单元操作的分类和特点 特点 18 三 化工原理课程的研究方法 1 实验研究方法 经验法 用量纲分析和相似论为指导 依靠试验来确定过程变量之间的关系 通过量纲为一数群 或称准数 构成的关系式来表达 是一种工程上通用的基本方法 19 2 数学模型法 半经验半理论方法 在对实际过程的机理深入分析的基础上 在抓住过程本质的前提下 作出某种合理简化 建立物理模型 进行数学描述 得出数学模型 通过实验确定模型参数 研究工程问题的方法是联系各单元操作的另一条主线 三 化工原理课程的研究方法 20 四 化工过程计算的理论基础 设计型计算操作型计算 质量守恒能量守恒平衡关系速率关系 所用基本关系 化工计算分为 21 五 本课程的学习要求 学习中 应注意以下几个方面能力的培养 1 单元操作和设备选择的能力工程设计能力操作和调节生产过程的能力过程开发或科学研究能力实验能力 22 绪论 0 1化工原理课程的内容和特点 0 2单位制度及单位换算 23 一 单位和单位制度 1 基本单位和导出单位 基本单位 导出单位 质量 长度 时间和温度 速度 密度 加速度 2 绝对单位制和重力单位制 绝对单位制 重力单位制 长度 质量 时间 长度 时间和力 24 3 国际单位制 SI制 根据1960年10月国际计量大会通过的一种单位制 4 中华人民共和国法定计量单位 在SI制基础上制定的 一 单位和单位制度 25 二 单位换算 1 物理量的换算 基本物理量中为1m 物理单位制中100cm 英制3 2808ft 2 经验公式 或数字公式 的单位换算 a 物理方程 b 经验方程 换算方法见例0 2 26 第一章流体流动 通过本章的学习 应掌握流体在管内流动过程的基本原理和规律 并运用这些原理和规律分析和计算流体流动过程中的有关问题 学习目的与要求 27 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定 28 连续介质假定 假定流体是由连续分布的流体质点所组成 表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数 连续介质假定 29 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定 1 1 2流体的密度 30 流体的密度 流体空间某点上单位体积流体的质量 流体的密度是位置 x y z 和时间 的函数 密度 31 流体的密度 纯物质的密度 液体 基本不随压力变化 极高压力除外 随温度略有变化 气体 密度随温度 压力改变 低压下可按照理想气体状态方程计算 32 气体混合物 混合前后质量不变 液体混合物 混合前后体积不变 组分的质量分数 组分的体积分数 混合物的密度 流体的密度 33 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定1 1 2流体的密度 1 1 3流体的可压缩性与不可压缩流体 34 一 流体的可压缩性 或 1 4 1 5 流体的可压缩性通常用体积压缩系数 来表示 其意义为在一定温度下 外力每增加一个单位时 流体体积的相对缩小量 体积压缩系数 35 二 不可压缩流体 值越大 流体越容易被压缩 可压缩流体 0的流体为可压缩流体 不可压缩流体 0的流体为不可压缩流体 气体在一般情况下是可压缩流体 大多数液体可视为不可压缩流体 36 需要指出 实际流体都是可压缩的 不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已 二 不可压缩流体 37 第一章流体流动 1 1流体的重要性质1 1 1连续介质假定1 1 2流体的密度1 1 3流体的可压缩性与不可压缩流体 1 1 4流体的黏性 38 一 牛顿黏性定律 流体在运动时 相邻流体层之间是有相互作用的 这种相互抵抗的作用力称为剪切力 流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性 黏性是流体的固有属性之一 不论流体处于静止还是流动 都具有黏性 黏性 39 图1 1平板间黏性流体的速度变化 一 牛顿黏性定律 上板以恒定速度沿x的正方向运动 40 实验证明 对于多数流体 任意两毗邻流体层之间作用的剪切力与两流体层的速度差及其作用面积成正比 与两流体层之间的垂直距离成反比 牛顿黏性定律 1 7 一 牛顿黏性定律 41 一 牛顿黏性定律 牛顿型流体 Newtonianfluid 遵循牛顿黏性定律的流体所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体 如水 空气等 42 凡不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体 non Newtonianfluid 某些高分子溶液 悬浮液 泥浆 血液等属于非牛顿流体 非牛顿型流体 non Newtonianfluid 一 牛顿黏性定律 43 二 流体的黏度 一般以泊的1 100的厘泊 cp 来表示黏度 在SI单位制中 黏度的单位为Pa s 在物理单位制上 其单位为P 泊 44 运动黏度 SI单位为m2 s 在物理单位cm2 s称为沲 以St表示 二 流体的黏度 45 的流体称为理想流体 自然界不存在真正的理想流体 三 理想流体与黏性流体 理想流体 46 练习题目 思考题 作业题 1 2 1 何谓单元操作 如何分类 2 联系各单元操作的两条主线是什么 3 比较实验研究方法和数学模型的区别与联系 4 何谓单位换算因子 5 什么是连续性假设 质点的含义是什么 47 第一章流体流动 1 2流体静力学 48 流体静力学 流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律 特别是在重力场作用下 静止流体内部的压力变化规律 49 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力 50 外界作用于流体上的力 体积力表面力 51 一 体积力 体积力 bodyforce 又称为场力 质量力 是一种非接触力 地球引力 带电流体所受的静电力 电流通过流体产生的电磁力等均为体积力 本书只涉及重力 设流体密度为 体积为V 则其所受的重力为 体积力 52 表面力 又称接触力或机械力 与流体元相接触的环境流体 有时可能是固体壁面 施加于该流体元上的力 表面力又称为机械力 与力所作用的面积成正比 二 表面力 53 图1 2作用在流体上的力 二 表面力 54 二 表面力 切向应力 法向应力 单位面积上的表面力称为表面应力 表面应力 55 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力 1 2 2静止流体的压力特性 56 静止流体的压力特性 静止的流体内部没有剪应力 只有法线方向的应力 通常将该法向应力称为流体的静压力 以p表示 流体的静压力 57 静止流体的压力特性 在SI单位制中 压力单位是N m2或Pa 其他单位还有 1atm 101300N m2 101 3kPa 1 033kgf cm2 10 33mH2O 760mmHg 不同基准压力之间的换算 压力的单位 表压力 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力真空度 表压力 58 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力1 2 2静止流体的压力特性 1 2 3流体静力学方程 59 流体静力学方程 图1 3流体静力学方程的推导 微元立方流体边长 dx dy dz密度 60 流体静力学方程 z方向上的力 向上为正 仅为重力和静压力 2 作用整个微元体的重力为 1 作用于微元体上 下底面的表面力 压力 分别为 61 流体静力学方程 则z方向上力的平衡式为 化简得 静止流体的欧拉 Euler 方程 62 同理 在x y方向上 y轴 x轴 流体静力学方程 63 或 当流体不可压缩 常数 时 积分可得 流体静力学方程 或 1 11 1 12 1 14 总势能守恒 等压面 64 静力学基本方程式可改写为 因此 压差的大小可用一定的液柱高度来表示 流体静力学方程 1 15 65 不可压缩流体的静力学基本方程式 反映重力场作业下 静止流体内部压力的变化规律 流体静力学方程 66 应注意 液柱高度表示压差大小时必须指明是何种液体 图1 4静止液体内部的压力分布 流体静力学方程 67 流体静力学方程 静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体 68 第一章流体流动 1 2流体静力学1 2 1流体的受力1 2 2静止流体的压力特性1 2 3流体静力学方程 1 2 4流体静力学方程的应用 69 一 压力与压力差的测量 1 U管压差计 U tubemanometer 图1 5U管压差计 动画04 70 根据流体静力学基本方程式可得 于是 一 压力与压力差的测量 71 上式化简 得 若被测流体为气体 由于气体的密度比指示液的密度小得多 气体的密度可以忽略 于是 若U管的一端与被测流体连接 另一端与大气相通 此时读数反映的是被测流体的表压力 一 压力与压力差的测量 72 2 双液U管微压差计 two liquidmanometer 图1 6双液U管微压计 一 压力与压力差的测量 73 如果双液压差计小室内液面差不可忽略时 式中 为小室的液面差 d U管内径 D 小室内径 一 压力与压力差的测量 74 如果双液压差计小室内液面差可忽略 则 1 17 一 压力与压力差的测量 75 二 液位的测量 图1 7压差法测量液位 动画29 76 例1 5附图 二 液位的测量 动画30 77 三 液封高度的计算 设备的液封也是过程工业中经常遇到的问题 设备内操作条件不同 采用液封的目的也就不同 流体静力学原理可用于确定设备的液封高度 具体见 例1 6 78 例1 6附图 三 液封高度的计算 79 练习题目 思考题 作业题 3 4 1 静压力有什么特性 2 不同基准压力之间的换算关系是怎样的 3 流体静力学方程式的应用有哪些方面 80 第一章流体流动 1 3流体流动概述1 3 1流动体系的分类 81 一 定态与非定态流动 流体流速或其它物理量仅随位置变化而不随时间变化 即 流体流速或其它物理量不仅随位置变化而且随时间变化 即 定态流动 非定态流动 82 若物理量只依赖于一个曲线坐标 则称此流动为一维流动 依赖于两个曲线坐标称为二维流动 依赖于三个曲线坐标则称为三维流动 应予指出 过程工业中的流体输送因多在封闭管道内进行 故其流动以一维居多 二 一维与多维流动 83 三 绕流与封闭管道内的流动 流体流动问题 流体的绕流流动在封闭管道内的流动 84 绕流流动 流体绕过一个浸没的物体流过 故也称为外部流动 例如细颗粒物在大量流体中的沉降 填充床内的流动等 封闭管道内的流动 被输送的流体在管路中的流动 研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容 三 绕流与封闭管道内的流动 85 第一章流体流动 1 3流体流动概述1 3 1流动体系的分类 1 3 2流率与平均流速 86 一 流量 单位时间内流过任一流通截面的流体体积称为体积流率 volumeflowrate 习惯上亦称之为体积流量 87 一 流量 流量的表示方法 体积流量 以qv s表示 单位为m3 s 质量流量 以qv s表示 单位为kg s 体积流量与质量流量的关系为 88 二 平均流速 流速是空间位置的函数 我们称之为流体的点速度 例如当流体流经一段管路时 由于流体存在黏性 使得管截面上各点的速度不同 从而由壁面至管中心建立起一个速度分布 在工程计算时 通常采用平均速度来代替这一速度分布 89 平均速度 平均速度 bulkvelocity 系指体积流量与流通截面积之比 以u表示 其单位为m s 二 平均流速 90 二 平均流速 由于气体的体积流率随温度和压力变化 故采用质量平均流速更为方便 通常称之为质量通量 massflux 以G表示 单位为kg m2 s 质量通量 91 二 平均流速 管径 体积流量和之间关系 管路直径 以d表示内径 则有 管内流速 1 24 1 25 92 二 平均流速 选择平均流速 流速选择过高 管径虽可以减小 但流体流经管道的阻力增大 动力消耗大 操作费用随之增加 流速选择过低 操作费用减小 但管径增大 管路的投资费用随之增加 适宜的流速需根据经济权衡决定 表1 1列出了一些流体在管道中流动时流速的常用范围 93 例1 7提示管径的选择管子规格 壁厚 外径 附录十七附录十八 二 平均流速 94 第一章流体流动 1 3流体流动概述1 3 1流动体系的分类1 3 2流率与平均流速 1 3 3流动型态与雷诺数 95 一 雷诺实验 图1 9雷诺实验 96 图1 10两种流动型态 层流 laminarflow 或滞流 viscousflow 湍流或紊流 turbulentflow 一 雷诺实验 动画01 97 反映流体流动状态的量纲为一数群 二 雷诺数 Reynoldsnumber 雷诺数 Reynoldsnumber 黏度 流速 密度 直径 98 对于流体在直管内的流动 当Re 2000时属于层流 当Re 4000时属湍流 当Re 2000 4000之间时 属不稳定的过渡流 工程上Re 3000时按照湍流处理 二 雷诺数 Reynoldsnumber 99 1 26 式中Lp 流道的润湿周边长度 m A 流道的截面积 m2 三 当量直径的概念 当量直径 水力半径 100 第一章流体流动 1 4流体流动的基本方程 101 流体动力学主要研究流体流动过程中流速 压力等物理量的变化规律 研究所采用的基本方法是通过守恒原理 包括质量守恒 能量守恒及动量守恒 进行质量 能量及动量衡算 获得物理量之间的内在联系和变化规律 作衡算时 需要预先指定衡算的空间范围 称之为控制体 而包围此控制体的封闭边界称为控制面 一 概述 流体动力学 102 第一章流体流动 1 4流体流动的基本方程1 4 1总质量衡算 连续性方程 103 二 总质量衡算 连续性方程的推导 图1 11管路系统的总质量衡算 104 如图1 11所示 选择一段管路或容器作为所研究的控制体 该控制体的控制面为管或容器的内壁面 截面1 1与2 2组成的封闭表面 根据质量守恒原理可得 1 28 二 总质量衡算 连续性方程的推导 105 对于定态流动 则 或 1 29 二 总质量衡算 连续性方程的推导 106 对于不可压缩流体 对于圆形管道 1 30 1 31 1 31a 推广到管路上任意截面 二 总质量衡算 连续性方程的推导 107 不可压缩流体 圆形管道 二 总质量衡算 连续性方程的推导 管内定态流动的连续性方程 注意 以上各式的适用条件 108 第一章流体流动 1 4流体流动的基本方程1 4 1总质量衡算 连续性方程 1 4 2总能量衡算方程 109 一 流动系统的总能量衡算方程 选取如图1 12所示的定态流动系统作为衡算的控制体 控制体内装有对流体作功的机械 泵或风机 以及用于与外界交换热量的装置 流体由截面1 1流入 经粗细不同的管道 由截面2 2流出 110 图1 12流动系统的总能量衡算1 换热器 2 流体输送机械 111 推导思路 总能量衡算 机械能衡算 不可压缩流体机械能衡算 一 流动系统的总能量衡算方程 112 流出能量速率 流入能量速率 从外界的吸热速率 作功机械对流体作功速率 一 流动系统的总能量衡算方程 则热力学第一定律可表述为 113 一 流动系统的总能量衡算方程 流体由1 1截面流入与由2 2截面流出控制体的能量速率包括 内能 由截面1 1进入 由截面2 2流出 位能 由截面1 1进入 由截面2 2流出 J s J s J s J s 114 动能 由截面1 1进入 由截面2 2流出 压力能 由截面1 1进入 由截面2 2流出 J s J s J s J s 一 流动系统的总能量衡算方程 115 换热器向控制体内流体所加入的热量速率为 输送机械向控制体内流体所加入的外功速率为 J s J s 一 流动系统的总能量衡算方程 116 根据能量守恒定律 可得 上式经整理 可得 一 流动系统的总能量衡算方程 117 1 33 式1 33即为 一 流动系统的总能量衡算方程 定态流动过程的总能量衡算方程 118 动能校正系数 式1 33中的动能项为单位质量流体的平均动能 以单位质量流体由截面1 1进入控制体为例 应该按照下式计算 一 流动系统的总能量衡算方程 119 则上式变换为 令动能校正系数 一 流动系统的总能量衡算方程 120 因此 总能量衡算方程式可写成 1 33a 值与管内的速度分布形状有关 对于管内层流 2 详见本章1 6节 管内湍流时 值随Re变化 但接近于1 下面的讨论均令 1 一 流动系统的总能量衡算方程 121 二 流动系统的机械能衡算方程 1 机械能的转换与损失 式1 33中所包括的能量 机械能 动能位能压力能 流动功 外功 内能和热 122 流体输送过程中各种机械能相互转换 由于流体的黏性作用 流体输送过程中还消耗部分机械能 将其转化为流体的内能 以流体在水平管道内的流动来说明 二 流动系统的机械能衡算方程 123 二 流动系统的机械能衡算方程 假设流动为稳态过程 由热力学第一定律可知 1kg流体在截面1 1与2 2之间所获得的总热量 因此 1 35 克服流动阻力而消耗的机械能 124 将式1 35代入式1 33 可得 1 36 二 流动系统的机械能衡算方程 定态流动过程的机械能衡算方程 125 对于不可压缩流体 为常数 1 37 1 37a 或 二 流动系统的机械能衡算方程 工程伯努利 Bernoulli 方程 适用条件 不可压缩流体 126 对于理想流体的流动 又无外功加入 所以 或 二 流动系统的机械能衡算方程 伯努利 Bernoulli 方程 适用条件 不可压缩理想流体 127 练习题目 思考题 作业题 8 9 10 1 雷诺数的物理意义是什么 2 湍流与层流有何不同 湍流的主要特点是什么 128 第一章流体流动 1 4流体流动的基本方程1 4 1总质量衡算 连续性方程 1 4 2总能量衡算方程 129 三 对伯努利方程的讨论 式1 38表明 理想流体在管路中作定态流动而又无外功加入时 在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能相等 换言之 各种机械能之间可以相互转化 但其总量不变 1 1 38a 能量转换06 130 三 对伯努利方程的讨论 2 有效功率 输送机械在单位时间内所作的有效功称为有效功率 用下式计算 1 39 131 三 对伯努利方程的讨论 3 伯努利方程的其他形式 将的各项均除以重力加速度g 令 式1 38变为 或 1 40 1 40a 132 1 40a 位头 速度头动压头 压力头 压头损失 总压头 外加压头 三 对伯努利方程的讨论 133 4 若流动中既无外加压头又无压头损失 则任一截面上的总压头为常数 三 对伯努利方程的讨论 134 5 如果流体静止 流体静止仅是流体运动的特例 三 对伯努利方程的讨论 135 第一章流体流动 1 4流体流动的基本方程1 4 1总质量衡算 连续性方程1 4 2总能量衡算方程 1 4 3机械能衡算方程的应用 136 在应用机械能衡算方程与质量衡算方程解题时 要注意下述几个问题 1 衡算范围的划定2 控制面的选取3 基准面的确定4 单位一致性 机械能衡算方程的应用 137 第一章流体流动 1 5动量传递现象1 5 1层流 分子动量传递 本节目的 分析阻力产生的根源 138 层流 分子动量传递 对于牛顿型不可压缩流体的层流流动 牛顿定律可以写成 1 43 考察式1 43各项物理量的因次 139 单位时间通过单位面积的动量 称为动量通量 momentumflux 单位体积具有的动量 称为动量浓度 层流 分子动量传递 140 为动量浓度梯度 称为动量扩散系数 momentumdiffusivity 层流 分子动量传递 141 用文字表述为 分子动量通量 动量扩散系数 动量浓度梯度 1 43 据此可将式1 43 层流 分子动量传递 142 第一章流体流动 1 5动量传递现象1 5 1层流 分子动量传递 1 5 2湍流特性与涡流传递 143 一 湍流的特点与表征 1 质点的脉动2 湍流的流动阻力远远大于层流3 由于质点的高频脉动与混合 使得在与流动垂直的方向上流体的速度分布较层流均匀 湍流的特点 144 图1 14圆管中流体的速度分布 一 湍流的特点与表征 145 1 时均量与脉动量 图1 15湍流中的速度脉动 一 湍流的特点与表征 146 除流速之外 湍流中的其它物理量 如温度 压力 密度等等也都是脉动的 亦可采用同样的方法来表征 一 湍流的特点与表征 从上图可知 以x方向为例 脉动速度 fluctuationvelocity 瞬时速度 instantaneousvelocity 时均速度 timemeanvelocity 147 一 湍流的特点与表征 148 2 湍流强度 湍流强度是表征湍流特性的一个重要参数 其值因湍流状况不同而异 例如 流体在圆管中流动时 I值范围为0 01 0 1 而对于尾流 自由射流这样的高湍动情况下 I值有时可高达0 4 湍流强度的定义 一 湍流的特点与表征 149 二 雷诺应力与涡流传递 湍流时的动量传递不再服从牛顿黏性定律 但仍可以牛顿黏性定律的形式表达 1 48 涡流动量通量 涡流动量扩散系数X时均浓度梯度 湍流应力 雷诺应力 150 湍流流动中的总动量通量可表示为 1 49 涡流运动黏度 eddyviscosity 或涡流动量扩散系数 eddydiffusivity m2 s 涡流运动黏度不是流体物理性质的函数 而是随湍流强度 位置等因素改变 二 雷诺应力与涡流传递 151 第一章流体流动 1 5动量传递现象1 5 1层流 分子动量传递1 5 2湍流特性与涡流传递 1 5 3边界层与边界层分离现象 152 一 边界层的形成与发展 远离壁面的大部分区域壁面附近的一层很薄的流体层 实际流体与固体壁面间相对运动 速度变化很小可视为理想流体 必须考虑粘性力的影响 由于流体的粘性作用 存在速度梯度 153 图1 17平板壁面上的边界层 一 边界层的形成与发展 154 层流边界层过渡区湍流边界层 一 边界层的形成与发展 边界层 壁面附近速度梯度较大的流体层 主流区 边界层之外 速度梯度接近于零的区域 边界层 155 湍流边界层 层流内层或层流底层 缓冲层 湍流主体或湍流核心 速度梯度大居中小 一 边界层的形成与发展 156 一 边界层的形成与发展 由层流边界层开始转变为湍流边界层的距离 临界距离 依照雷诺数定义 临界雷诺数 临界距离所对应的 157 对于光滑的平板壁面 临界雷诺数的范围为 一 边界层的形成与发展 158 管内流动边界层 图1 18圆管内的流动边界层 一 边界层的形成与发展 159 可将管内的流动分为两个区域 一是边界层汇合以前的流动 称之为进口段流动 另一是边界层汇合以后的流动 称之为充分发展了的流动 对于层流 进口段长度可采用下式计算 1 53 一 边界层的形成与发展 进口段长度 160 二 边界层分离与形体阻力 边界层的一个重要特点是 在某些情况下 会出现边界层与固体壁面相脱离的现象 此时边界层内的流体会倒流并产生旋涡 导致流体的能量损失 此种现象称为边界层分离 它是黏性流体流动时能量损失的重要原因之一 产生边界层分离的必要条件是 流体具有黏性和流动过程中存在逆压梯度 161 图1 19边界层分离示意图 二 边界层分离与形体阻力 分离点 162 第一章流体流动 1 5动量传递现象1 5 1层流 分子动量传递1 5 2湍流特性与涡流传递1 5 3边界层与边界层分离现象 1 5 4动量传递小结 163 动量传递小结 由于流体的粘性 当流体运动时内部存在着剪切应力 该剪切应力是流体分子在流体层之间作随机运动从而进行动量交换所产生的内摩擦的宏观表现 分子的这种摩擦与碰撞将消耗流体的机械能 在湍流情况下 除了分子随机运动要消耗能量外 流体质点的高频脉动与宏观混合 还要产生比前者大得多的湍流应力 消耗更多的流体的机械能 这二者便是摩擦阻力产生的主要根源 164 另一方面 当产生边界层分离时 由于逆压作用的结果 流体将发生倒流形成尾涡 在尾涡区 流体质点强烈碰撞与混合而消耗能量 这种由于局部产生倒流和尾涡以及压力分布不均所造成的能量损失称为形体阻力或局部阻力 动量传递小结 165 练习题目 思考题 作业题 12 13 15 1 在应用机械能衡算方程解题时需要注意哪些问题 2 湍流用那些量来表征 3 流体在固体壁面上产生边界层分离的必要条件时什么 试通过边界层分离现象分析形体阻力 局部阻力 产生的原因 166 第一章流体流动 1 6流体在管内流动的阻力1 6 1管流阻力计算的通式 167 一 压力降 管流阻力的表现 在定态下不可压缩流体在水平直管内流过 管的上下游各设一测压口 在测压口所在的1 2两截面间列机械能衡算方程 可得 168 管流阻力也常用所引起的压力降来表示 定义为单位体积流体流动产生的机械能损失 特别强调 与伯努利方程中两截面的压力差是两个截然不同的概念 一 压力降 管流阻力的表现 169 流动时产生的阻力 摩擦阻力引起的压力降 形体阻力引起的压力降 总机械能损失 直管阻力 局部阻力 一 压力降 管流阻力的表现 170 二 直管摩擦阻力与范宁公式 图1 20直管摩擦阻力通式的推导 171 二 直管摩擦阻力与范宁公式 设流体在水平直圆管内作定态流动取流体元 长为L 半径为r分析受力 得到 172 可以推出 1 61a 1 61 1 60 二 直管摩擦阻力与范宁公式 摩擦系数 范宁 Fanning 公式 173 从动量传递的角度 也可认为是动量传递的速率系数 将 变换为 1 62 1 60 对流动量传递速率 momentumtransferratebyconvection 动量传递的阻力 动量传递的推动力 二 直管摩擦阻力与范宁公式 174 层流和湍流的动量传递机理不同 摩擦系数的求解方法也不同 下面分别予以讨论 二 直管摩擦阻力与范宁公式 175 第一章流体流动 1 6流体在管内流动的阻力1 6 1管流阻力计算的通式 1 6 2管内层流的摩擦阻力 176 管内层流的摩擦阻力 前面已求出 剪应力沿管径方向为线性分布 1 57 对于牛顿型流体的层流 则 1 63 将式1 63代入式1 57中 可得圆管定态层流的速度分布曲线 1 65 抛物线 177 在管中心处流速最大 管内层流的摩擦阻力 时 在管壁处速度为0 管截面平均速度 178 层流时的摩擦阻力 层流时的摩擦系数 1 69 哈根 泊谡叶 Hagen Poiseuille 方程 由 管内层流的摩擦阻力 179 第一章流体流动 1 6流体在管内流动的阻力1 6 1管流阻力计算的通式1 6 2管内层流的摩擦阻力 1 6 3管内湍流的摩擦阻力与量纲分析 180 一 量纲分析 1 量纲分析的概念与伯金汉定理 通过对描述某一过程或现象的物理量进行量纲分析 将物理量组合为量纲为一准数 然后借助实验数据 建立这些准数间的关系式 量纲分析法 181 任何由物理定律导出的方程 其各项的量纲是相同的 基本量纲 在SI制中 将长度L 时间 和质量m的量纲作为基本量纲 分别以 L 和 M 表示 量纲一致性原则 一 量纲分析 182 一 量纲分析 1 若影响某一物理过程的物理变量有n个 2 经过量纲分析和适当的组合 上式可写成以N个量纲为一变量组成的关系式 3 设这些物理变量中有m个基本量纲 则有 伯金汉 Buckingham 定理 183 2 管内流动摩擦阻力的量纲分析 影响因素有 管径d 管长L 平均流速u 流体密度以及流体黏度 写成普遍函数关系式为 一 量纲分析 184 经过量纲分析后 以量纲为一变量表达的函数方程为 基本量纲为M L和T 变量数 一 量纲分析 185 为量纲分析的方便 将函数关系式写成如下幂函数的形式 将各物理量的量纲代入上式 即 一 量纲分析 186 根据量纲一致性原则 保留b e为已知量 将所求得的a c d代回原式 指数相同的物理量合并 写成更一般的函数形式可得 一 量纲分析 187 欧拉 Euler 数 表示压力与惯性力之比 与管尺寸有关的比值 反映流动系统的几何特性 表示惯性力与黏性力之比 一 量纲分析 188 二 管内湍流的摩擦阻力 由于湍流运动的复杂性 迄今还不能完全用理论分析法建立湍流摩擦系数的计算式 此外 湍流时管壁的粗糙程度对摩擦系数亦有很大影响 表1 2列出了某些工业管道的绝对粗糙度值 绝对粗糙度 壁面凸出部分的平均高度 以e表示 相对粗糙度 绝对粗糙度与管径的比值 即e d 189 1 管壁粗糙度对摩擦系数的影响 图1 21流体流过管壁面的情况 二 管内湍流的摩擦阻力 190 在分析湍流的摩擦阻力时还必须将壁面粗糙度这一重要因素包括进去 二 管内湍流的摩擦阻力 191 2 管内湍流的摩擦系数 a 光滑管 i 尼库拉则 Nikurades 式 上式适用范围为 二 管内湍流的摩擦阻力 192 ii 柏拉修斯 Blasius 式 上式适用范围为 其他公式见教材 二 管内湍流的摩擦阻力 193 3 摩擦系数图 摩擦系数图有四个不同的区域 层流区 过渡区 湍流区 完全湍流区 阻力平方区 虚线以外区域 二 管内湍流的摩擦阻力 194 图1 22管流摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系 195 第一章流体流动 1 6流体在管内流动的阻力1 6 1管流阻力计算的通式1 6 2管内层流的摩擦阻力1 6 3管内湍流的摩擦阻力与量纲分析 1 6 4非圆形管的摩擦阻力 196 非圆形管的摩擦阻力 1 层流 层流时 对简单几何形状的流道 如矩形截面 套管环隙截面等 可以通过理论分析获得流动阻力的计算式 2 湍流 流体在非圆形管内作湍流流动时 其摩擦系数可按圆管湍流的各式或图1 22进行近似估算 但要用管道的当量直径代替圆管直径 197 第一章流体流动 1 6流体在管内流动的阻力1 6 1管流阻力计算的通式1 6 2管内层流的摩擦阻力1 6 3管内湍流的摩擦阻力与量纲分析1 6 4非圆形管的摩擦阻力 1 6 5管路上的局部阻力 198 一 阻力系数法 或 称为局部阻力系数 199 突然扩大时的阻力系数计算式为 一 阻力系数法 1 突然扩大 细管内速度 200 突然缩小时的阻力系数计算式为 一 阻力系数法 2 突然缩小 细管内速度 201 3 管入口与管出口 管入口 管出口 4 管件与阀门 常见管件与阀门的局部阻力系数参见表1 3 一 阻力系数法 202 二 当量长度法 或 管件与阀门的局部阻力亦可仿照写成如下形式 在湍流流动情况下 某些管件与阀门的当量长度可由图1 24的共线图查得 203 204 第一章流体流动 1 6流体在管内流动的阻力1 6 1管流阻力计算的通式1 6 2管内层流的摩擦阻力1 6 3管内湍流的摩擦阻力与量纲分析1 6 4非圆形管的摩擦阻力1 6 5管路上的局部阻力 1 6 6管流阻力计算小结 205 管流阻力计算小结 管路系统中的总阻力 应包括直管中的摩擦阻力 突然扩大 突然缩小以及管件与阀门的局部阻力 其计算通式可写为 局部阻力 直管阻力 206 当量长度 直管阻力 局部阻力 局部阻力系数 管流阻力计算小结 207 或 1 95 管流阻力计算小结 总阻力的计算式 1 94 208 练习题目 思考题 作业题 14 18 19 1 试通过流体进行动量传递的机理分析流体流动产生摩擦阻力的原因 2 什么是量纲分析 将其用于处理复杂的工程问题有什么好处 3 局部阻力的计算方法有哪些 209 第一章流体流动 1 7流体输送管路的计算 210 管路系统已固定 要求核算在某些条件下的输送能力或某些技术指标 管路计算 设计型计算操作型计算 设计型计算 通常指对于给定的流体输送任务 一定的流体体积流率 选用合理且经济的管路和输送设备 操作型计算 管路计算 211 上述两类计算可归纳为下述3种情况的计算 1 欲将流体由一处输送至另一处 已规定出管径 管长 管件和阀门的设置 以及流体的输送量 要求计算输送设备的功率 2 规定管径 管长 管件与阀门的设置以及允许的能量损失 求管路的输送量 3 规定管长 管件与阀门的设置 流体的输送量及允许的能量损失 求输送管路的管径 管路计算 212 简单管路复杂管路 管路计算 管路分类 直径不变异径管串联 分支管路并联管路 213 第一章流体流动 1 7流体输送管路的计算1 7 1简单管路 214 一 简单管路 描述简单管路中各变量间关系的控制方程 连续性方程 机械能衡算方程 阻力系数方程 215 在前述3种情况的管路计算中 第 1 种容易求解 对于第 2 和第 3 种情况 流速u或管径d为未知量 无法计算Re以判别流动的型态 因此也就无法确定摩擦系数 在这种情况下 需采用试差法求解 具体计算方法可参见 例1 22 一 简单管路 216 第一章流体流动 1 7流体输送管路的计算1 7 1简单管路 1 7 2复杂管路 217 图1 25并联与分支管路示意图 218 并联管路与分支管路计算的主要内容为 1 规定总管流率和各支管的尺寸 计算各支管的流率 2 规定各支管的流率 管长及管件与阀门的设置 选择合适的管径 3 在已知的输送条件下 计算输送设备应提供的功率 219 一 并联管路 在A B两截面之间列机械能衡算方程 对于支管1 有 对于支管2 有 220 一 并联管路 并联管路中流动必须满足 1 尽管各支管的长度 直径可能相差很大 但单位质量流体流经各支管的能量损失相等 2 主管中的流率等于各支管流率之和 221 二 分支管路 以分支点O处为上游截面 分别对支管B和支管C列机械能衡算方程 222 二 分支管路 分支管路中流动必须满足 1 对于分支管路 单位质量流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等 2 主管中的流率等于各支管流率之和 223 第一章流体流动 1 7流体输送管路的计算1 7 1简单管路1 7 2复杂管路 1 7 3可压缩流体管路的计算 选学 224 第一章流体流动 1 8流量的测量 225 流量计分类 定截面变压差变截面定压差 测速管孔板流量计文丘里流量计 转子流量计 226 第一章流体流动 1 8流量的测量1 8 1测速管 227 一 测速管 测速管又称毕托管 Pitottube 测速管测定的流速是管道截面上某一点的局部值 称为点速度 图1 27测速管 动画02 228 2处的驻点压力 U管压差计的读数反映的是 由此可知待测点的流速 一 测速管 229 若U管压差计内充密度 A为的指示液 其读数为R 则 因此可得 一 测速管 230 测速管的测量准确度与其制造精度有关 一般情况下 需引入一个校正系数C 即 1 108 通常C 0 98 1 00 但有时为了提高测量的准确度 C值应在仪表标定时确定 一 测速管 231 由点速度获得管截面上的平均流速 一 测速管 232 测速管的优点是流体流经测速管的能量损失较小 通常适于测量大直径管路中的气体流速 但不能直接测量平均流速 且压差读数较小 通常需配用微压压差计 当流体中含有固体杂质时 会堵塞测压孔 故不宜采用测速管 一 测速管 233 练习题目 思考题 作业题 20 21 22 1 管路计算有哪几种类型 2 管路计算依据的基本关系式是什么 3 分支管路和并联管路的特性分别是什么 234 第一章流体流动 1 8流量的测量1 8 1测速管 1 8 2孔板流量计 235 孔板流量计 孔板流量计 orificeflowmeter 是利用孔板对流体的节流作用 使流体的流速增大 压力减小 以产生的压力差作为测量的依据 动画03 236 图1 29孔板流量计 孔板流量计 孔板 缩脉 237 取孔板上游尚未收缩的流动截面为1 1 下游截面宜放在缩脉处 以便测得最大压差读数 但由于缩脉的位置及其截面积难于确定 故以孔板处为下游截面0 0 在1 1和0 0 两截面之间列机械能衡算方程 并暂时略去能量损失 可得 或写成 1 109 1 110 孔板流量计 238 引入校正系数 C1 校正因忽略能量损失带来的偏差 应用不可压缩流体的连续性方程 孔板小孔截面积 管道截面积 孔板流量计 239 角接取压法 通常的做法是将上 下游两个测压口装在紧靠着孔板前后的位置上 孔板流量计 240 引入校正系数 C2 校正上 下游测压口的位置影响 整理式1 110可得 1 111 孔板流量计 241 令 则上式变为 1 112 体积流率为 1 113 孔板流量计 242 C0称为流量系数或孔流系数 其值与Re 面积比A0 A1以及取压法有关 需由实验测定 孔板流量计 质量流率 1 114 243 图1 30流量系数与Re的关系 244 孔板流量计制造简单 安装与更换方便 其主要缺点是流体的能量损失大 A0 A1越小 能量损失越大 孔板流量计的永久能量损失 可按下式估算 1 117 孔板流量计 245 孔板流量计安装位置的上 下游都要有一段内径不变的直管作为稳定段 根据经验 其上游直管长度至少应为10d1 下游长度至少为5d1 孔板流量计 246 第一章流体流动 1 8流量的测量1 8 1测速管1 8 2孔板流量计 1 8 3文丘里流量计 247 文丘里流量计 为减少流体节流造成的能量损失 可用一段渐缩渐扩的短管代替孔板 这就构成了文丘里 venturiflowmeter 流量计 当流体在渐缩渐扩段内流动时 流速变化平缓 涡流较少 于喉颈处 即最小流通截面处 流体的动能达最高 此后 在渐扩的过程中 流体的速度又平缓降低 相应的流体压力逐渐恢复 如此过程避免了涡流的形成 从而大大降低了能量的损失 248 图1 31文丘里流量计 文丘里流量计 249 由于文丘里流量计的工作原理类似于孔板流量计 在1 1 和0 0 两截面之间列机械能衡算方程 得到与孔板流量计相同的公式 流率可按下式计算 文氏流量计的流量系数 其值由实验测定一般为0 98 0 99 文丘里流量计 250 通常文丘里流量计上游的测压点距管径开始收缩处的距离至少应为管径的1 2长度 而下游测压口设在喉颈处 文丘里流量计的优点是能量损失小 但不如孔板那样容易更换以适用于各种不同的流率测量 文丘里管的喉颈是固定的 致使其测量的流率范围受到实际的限制 文丘里流量计 251 第一章流体流动 1 8流量的测量1 8 1测速管1 8 2孔板流量计1 8 3文丘里流量计 1 8 4转子流量计 252 转子流量计 转子流量计 rotaryflowmeter 流量计称为变截面流量计 即压力差几乎保持不变 而收缩的截面积随流量变化 动画05 253 图1 32转子流量计1 锥形玻璃管 2 转子 3 刻度 转子流量计 254 对于特定的转子流量计 当待测流体给定后 流量的大小仅仅取决于转子与玻璃管之间的环隙面积 此时 流体流经该环隙截面时 其流量与压力差的关系相当于流体流经孔板流量计孔口的情况 1 121 转子流量计 255 转子流量计由专门厂家生产 通常厂家选用水或空气分别作为标定流量计的介质 因此 当测量其它流体时 需要对原有的刻度加以校正 转子流量计的优点是能量损失小 测量范围宽 但耐温 耐压性差 转子流量计 256 第一章流体流动 1 9非牛顿型流体的流动1 9 1非牛顿型流体的流动特性 257 非牛顿型流体的流动特性 流动特性不遵循牛顿黏性定律的流体统称为非牛顿型流体 n为流动特性指数 K称为稠度系数 许多非牛顿型流体 在很大的剪切速率范围内 都可以用如下幂律形式的方程来描述 1 122 258 根据剪应力与速度梯度 亦称剪切速率 关系的不同 可将非牛顿型流体区分为若干类型 非牛顿型流体的流动特性 259 图1 33流体的流变图 a 牛顿型流体 b 假塑性流体 c 胀塑性流体 d 宾汉塑性流体 非牛顿型流体的流动特性 260 大多数非牛顿型流体属于此种类型 如图1 33中的b线 如聚合物溶液或熔融体 油脂 淀粉溶液等 表观黏度 对于假塑性流体 表观黏度随剪切速率的增加而减小 故n 1 一 假塑性流体 Pseudoplasticfluid