第一章--流体流动-化工原理模板.ppt

化工原理电子教案/目录,1,目录,第一章流体流动第一节流体静止的基本方程一、几个概念二、流体静力学方程三、流体静力学方程的应用第二节流体流动的基本方程一、基本概念二、质量衡算连续性方程三、机械能衡算方程习题课,化工原理电子教案/目录,2,目录,第三节流体流动现象一、流动型态二、湍流的概念三、管内速度分布四、边界层与边界层分离第四节管内流动的阻力损失一、沿程损失的计算通式1、层流的摩擦系数2、湍流的摩擦系数二、非圆形管内的沿程损失三、局部损失四、管内流动总阻力损失的计算,化工原理电子教案/目录,3,目录,第五节管路计算一、简单管路习题课二、复杂管路习题课三、可压缩流体的管路计算第六节流量测量一、变压头流量计二、变截面流量计第一章小结,4/111,第一章流体流动,第一节流体静止的基本方程,1、密度,用表示，属于物性，kg/m3,影响因素：气体-种类、压力、温度、浓度液体-种类、温度、浓度,一、几个概念,5/111,一、几个概念,获得方法：,（1）查物性数据手册,（2）公式计算：,液体混合物：,6/111,一、几个概念,2静压力,垂直作用在单位面积上的力称为压强，习惯上称之为压力，用符号p表示。,静压力各向同性,（1）压力单位,SI制中，N/m2=Pa，称为帕斯卡,约定：本教案中出现红线框之处为需读者记忆的,7/111,一、几个概念,（2）压力大小的两种表征方法,-以当地大气压为基准,思考：1、表压与真空度是何关系？2、真空度越大，意味着什么？,8/111,一、几个概念,3压缩性,-压力或温度改变时，密度随之显著改变,-压力或温度改变时，密度改变很小,9/111,二、流体静力学方程,因为流体静止，故微元段dz流体所受合力0,10/111,二、流体静力学方程,11/111,二、流体静力学方程,适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩；等压面为水平面；压力可传递-巴斯噶原理。,静力学方程的讨论：,12/111,三、流体静力学方程的应用,1U形压差计（manometer）,等压面,思考：对指示剂有何要求？U形压差计适用场合？,13/111,三、流体静力学方程的应用,2、双液柱压差计,1略小于2,思考：面1-1、2-2哪个是等压面，哪个不是？,返回目录,作业：,U形压差计适用于被测压差不太小的场合。若所测压力差很小，用U形压差计难以读准，可改用如图所示的双液体压差计，将读数放大。,14/111,第二节流体流动的基本方程,一、基本概念,主要研究流体在管路中的流动，遵循着三大守恒定律,1、稳定流动与不稳定流动,稳定流动-流动参数都不随时间而变化不稳定流动-至少有一个流动参数随时间而变化,15/111,一、基本概念,点速度v，单位m/s,2、流量和流速,16/111,二、质量衡算连续性方程,质量衡算方程-开放体系，质量守恒定律内容改为如下：,质量守恒定律-封闭体系中物质质量不变,对于如图所示的管道内稳定流动，上式第三项为0，于是,17/111,二、质量衡算连续性方程,-管内流动的连续性方程,思考：如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,作业：,18/111,三、机械能衡算方程,1、黏性和黏度,牛顿粘性定律发表在1687年,在动画所示的流体分层流动情形下，有,气体内摩擦力产生的原因还可以从动量传递角度加以理解:,液体的内摩擦力则是由分子间的吸引力所产生。,流体内部存在内摩擦力或粘滞力，请点击看动画。,19/111,三、机械能衡算方程,物理意义：衡量流体黏性大小的一个物理量,单位：,获取方法：属物性之一，由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。,影响因素：,黏度：,思考：为什么？,20/111,2、牛顿型和非牛顿型流体,非牛顿型流体：,如人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。如聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龙6，PVS，涤纶，橡胶溶液，各种工程塑料，化纤的熔体等。,-体系粘度随剪切速率的增加而降低。流动形式表现为剪切稀化现象.,-体系粘度随剪切速率的增加而增大。,不符合牛顿粘性定律的流体，如绝大多数高分子量的,牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体,21/111,3、机械能衡算方程,运动着的流体涉及的能量形式有,内能、动能、位能、压力能、外功、热,对于如图所示的稳定流动的流动系统，能量衡算式为：,以面1-1为例，说明压力能的表达式：面1-1上所受到的总压力为P1=p1/A1，将1kg的流体（其体积即为比容1=1/1，m3kg-1）压过该截面的所做功便为P1u1=（p1A1）（1/A1）=p11=p1/1,可直接用于输送流体在流体流动过程中可相互转变可转变为热或内能。,22/111,3、机械能衡算方程,（1）理想流体的伯努利方程,如果撇开内能和热而只考虑机械能，对下图所示的截面1与2之间理想流体的稳定流动，存在下述机械能衡算关系：,-伯努利（Bernoulli）方程,含义：对没有黏性的流体，流动系统上游的机械能等于下游的机械能。,23/111,3、机械能衡算方程,（2）实际流体的机械能衡算式,-机械能衡算方程,对实际流体，由于有黏性，在管内流动时要消耗机械能以克服阻力。消耗了的机械能转化为热，散失到流动系统以外去了。因此，此项机械能损耗应列入伯努利方程右边作为输出项，记做wf：,每一项单位均为J/kg,24/111,3、机械能衡算方程,外加压头,静压头,动压头,位头,压头损失,每一项单位均为m,-机械能衡算方程,-机械能衡算方程,每一项单位均为Jm-3,压力损失,25/111,（3）机械能衡算方程讨论：,（1）适用条件：不可压缩、连续、均质流体、等温、非等温流动,-静力学方程。可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。,（2）对流体静止，可化简得：,（3）若流动系统无外加功，即we=0，则,这说明流体能自动从高（机械能）能位流向低（机械能）能位。,26/111,习题课,使用机械能衡算方程时，应注意以下几点（结合例1说明）：,包含待求变量。控制体内的流体必须连续、均质；有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直，且已知条件最多；,用绝压或表压均可，但两边必须统一。,一般将基准面定在某一流通截面的中心上,（下转第28页）,27/111,【例】轴功的计算,如图所示，已知管道尺寸为1144mm，流量为85m3/h，水在管路中（喷头前）流动的总阻力损失为10J/kg，喷头前压力较塔内压力高100kPa，水从塔中流入下水道的阻力损失为12J/kg。求泵供给的外加功率。,解：,按照控制体选取原则，应取面1-1至面2-2，而不能取面1-1至面3-3或面1-1至面4-4。,由已知条件可知管内径,28/111,【例】轴功的计算,在面1-1和面2-2间有,z2=7m,p2=？,wf1-2=10Jkg-1,29/111,【例】轴功的计算,p3可通过面3-3与4-4间的机械能衡算求得：,z3=1.2m，wf3-4=12Jkg-1,Jkg-1,由已知条件可知：,Jkg-1,Jkg-1,30/111,【例】轴功的计算,故泵的外加功率为：,=4310W或4.31kW,返回目录,作业：,31/111,第三节流体流动现象,二、流动型态,那么，如何定量判断流动型态呢？,一、流动的黏度,实际流体具有黏性，黏度是衡量流体黏性大小的物理量，与温度和压力相关。温度：T，黏度变化？（液体，气体）压力：液体忽略不计。气体(极高或极低)1Pa.s=1N.s/m2=10P泊=103cp,32/111,一、流动型态,雷诺数,如：直管内流动时，Re2000层流Re=20004000过渡区Re4000湍流,-根据其值的大小，可以判断流动型态,33/111,流体在管内的速度分布,管内流动，管截面上的各点的速度均随该点与管中心的距离变化。一般管中心的流速最大，离管壁越近，流速越小。对于层流运动，速度沿管径呈抛物线分布，u平均=0.5umax。湍流运动，流体质点在旋涡运动的影响下，其运动速度不论在大小或方向上都随时间变化。但又都围绕某一平均值（图中虚线所示）而上下波动，这种现象称为速度的脉动，经验式：,34/111,第四节管内流动的阻力损失,机械能衡算方程,-由于流速大小或方向突然改变，从而产生边界层分离，出现大量旋涡，导致很大的机械能损失。,wf分为两类（见图）：,沿程损失（直管损失）,局部损失,一、沿程损失的计算通式,1、层流的摩擦系数,长径比无量纲,摩擦系数无量纲与流体Re及管壁相关,-沿程损失计算通式,2、湍流的摩擦系数,摩擦系数与雷诺准数及管壁粗糙度的关系有实验测定。,36/111,返回上页,37/111,水力光滑管,思考：由图可见，Re，这与阻力损失随Re增大而增大是否矛盾？,二、非圆形管内的沿程损失,仍可按圆管的公式计算或用莫狄图查取，但需引入当量直径。,当量直径,三、局部损失,当流体流经弯头、管进出口、阀门等处时，由于流体的流速或流动方向突然发生变化，产生边界层分离和涡流，从而导致形体阻力损失。由于引起局部损失机理的复杂性，目前只有少数情况可进行理论分析，多数情况需要实验方法确定。,请点击观看动画,40/111,三、局部损失,小管的,局部损失的计算有两种方法：,当量长度法,阻力系数法,le-当量长度，可查有关图表,-局部阻力系数，可查有关图表,注意：以上两种方法均为近似估算。两种计算方法所得结果不完全一致,41/111,三、局部损失,表1-2管件和阀件的阻力系数及当量长度数据（湍流）,返回上页,三、局部损失,管出口：A2A1，阻力系数o=1,管入口：A2A1，阻力系数i=0.5,2-2面取在出口外侧时，wf中应包括出口阻力损失（其大小为），但2-2面的动能为零。,四、管内流动总阻力损失的计算,总阻力损失,机械能衡算方程：,2-2面取在出口内侧时，wf中应不包括出口阻力损失，但出口截面处的动能,特别注意：管出口截面的选取位置不同，总阻力损失大小略有不同，但机械能衡算方程结果相同。见下图：,请思考：如下图所示的管路系统，其总阻力损失应计入哪几项？试分别列出来。,44/111,【例】总阻力损失的计算如图所示，将敞口高位槽A中密度870kgm-3、黏度0.8mPas的溶液自流送入设备B中。pB=10kPa，阀门前、后的输送管道分别为382.5mm和322.5mm的无缝钢管，阀门前、后直管段部分总长分别为10m和8m，管路上有一个90弯头、一个标准阀（全开）。为使溶液能以4m3h-1的流量流入设备B中，问z为多少米？,解：,11,22,在面1-1与2-2间列机械能衡算式：,注：面2-2取在管出口内侧、外测均可，这里取在内侧。,45/111,密度870kgm-3、黏度0.8mPas。pB=10kPa，阀门前、后的输送管道分别为382.5mm和322.5mm的无缝钢管，阀门前、后直管段部分总长分别为10m和8m，管路上有一个90弯头、一个标准阀（全开）。流量4m3h-1,11,22,ms-1,查表1-1取管壁绝对糙度=0.2mm,/d1=0.00606,查图1-27,1=0.032,46/111,密度870kgm-3、黏度0.8mPas。pB=10kPa，阀门前、后的输送管道分别为382.5mm和322.5mm的无缝钢管，阀门前、后直管段部分总长分别为10m和8m，管路上有一个90弯头、一个标准阀（全开）。流量4m3h-1,11,22,ms-1,/d2=0.2/27=0.0074,查图1-27,2=0.033,突然缩小1=0.5，查表1-2知90弯头2=0.75,+0.5+0.75,47/111,密度870kgm-3、黏度0.8mPas。pB=10kPa，阀门前、后的输送管道分别为382.5mm和322.5mm的无缝钢管，阀门前、后直管段部分总长分别为10m和8m，管路上有一个90弯头、一个标准阀（全开）。流量4m3h-1,11,22,查表1-2知标准阀（全开）=6.4,0.5+0.75,6.4,作业：,返回目录,48/111,解：以水槽液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。,如图1所示，用泵将20的水以每小时20m3的输送量从低位敞口水槽输送至高位槽内，高位槽上方的气体压强为0.2103Pa(表压)，两槽液面均维持恒定，期间的垂直距离为10m。输送管路直径为83mm3.5mm，直管部分的总长度为100m，管壁绝对粗糙度，管路中有3个标准直角弯头、1个全开的闸阀、2个三通及1个摇板式止回阀。20水的密度为998.2kg/m3，黏度为1.00410-3Pa.s，试计算：若泵的效率为70%，计算泵的轴功率。,49/111,在截面1-1与2-2之间列伯努利方程：,式中Z1=0，Z2=10，p1=0(表压)，p2=0.2103Pa(表压)，水槽和高位槽的截面远大于管道截面，故u10，u20，列伯努利方程简化为：,50/111,泵的有效功率：,所以泵的轴功率：,51/111,第五节流量测量,一、变压头流量计,下面介绍根据流体力学原理而制作的测量流量的仪器,1、测速管：又称皮托（Pitot）管,结构：如图所示。,测速原理：,52/111,1、测速管,测速管加工及使用注意事项：,测速管的尺寸不可过大，一般测速管直径不应超过管道直径的1/15。测速管安装时，必须保证安装点位于充分发展流段，一般测量点的上、下游最好各有50d以上的直管段作为稳定段。测速管管口截面要严格垂直于流动方向。,优点：结构简单、阻力小、使用方便，尤其适用于测量气体管道内的流速。,缺点：不能直接测出平均速度；压差计读数小，常须放大才能读得准确。,问：若不垂直会怎样？,53/111,一、变压头流量计,2孔板流量计,结构：如图所示。,测量原理：,孔板,测出孔板上、下游两个固定位置之间的压差，便可计量出流量的大小。,取压方法：采用角接法（取压口在法兰上）,思考：1、2间的压力分布为何呈现上图所示的形状？,54/111,2孔板流量计,优点：构造简单，制造和安装都很方便缺点：机械能损失（称之为永久损失）大，当d0/d1=0.2时，永久损失约为测得压差的90%，常用的d0/d1=0.5情形下，永久损失也有75%。,安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度至少应为10d1，下游为5d1,使用时的注意事项：,55/111,一、变压头流量计,3文丘里（Venturi）流量计,收缩段锥角通常取1525，扩大段锥角要取得小些，一般为57,请点击看动画,优点：其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送（C0中的D可取为0.980.99）。缺点：加工比孔板复杂，因而造价高安装时需占去一定管长位置。,总结：变压头流量计的特点：恒截面，