化工原理-第一章-流体流动PPT课件

.,1,要求：,1.掌握流体静力学基本方程式及应用；2.掌握连续性方程及应用；3.掌握柏努利方程式及应用；4.掌握流动阻力的计算；5.掌握管路计算。,.,2,重点：,1.柏努利方程式及应用；2.流动阻力的计算；3.管路计算。,.,3,流体：液体和气体统称为流体。可压缩性流体气体不可压缩性流体液体在研究流体流动时，通常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质，每个分子集团称为质点。,.,4,流体的特征是具有流动性。流体在流动过程中具有一定的规律性，这些规律对化工生产具有一定的指导作用，具体表现在以下几个方面：,（1）流体的输送管径的确定、输送设备的负荷；（2）压强、流速和流量的测量为仪表测量提供依据；（3）为强化设备提供适宜的流动条件设备的操作效率与流体流动状况有密切关系。,.,5,2.单位：,Pa（帕斯卡，SI制）,atm（标准大气压）,某流体柱高度,kgf/cm2(工程大气压),bar（巴）等,第一节流体静力学,研究外力作用下的平衡规律,一、流体的压力1.定义：流体垂直作用于单位面积上的力。,.,6,其之间换算关系为：,1atm=760mmHg=1.0133105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar,.,7,3.表示方法绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强；以绝对真空为基准表压强：绝对压强比大气压强高出的数值；以当时当地压力为基准真空度：绝对压强低于大气压强的数值。,.,8,绝对压,表压,真空度,绝压（余压）,表压绝对压-大气压真空度大气压-绝对压,绝对零压,大气压,实测压力,实测压力,.,9,例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。,绝对压=大气压-真空度=8530080000=5300Pa真空度=大气压-绝对压=101330-5300=96030Pa,.,10,二、流体的密度与比体积,1.定义：单位体积流体所具有的质量，kg/m3。,2.求取：(1)液体：一般可在物理化学手册或有关资料中查得，教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度。,.,11,(2)气体为可压缩性的流体，通常（压力不太高，温度不太低）时可按理想气体处理，否则按真实气体状态方程处理,（3）混合物密度气体,=MP/RT=0T0P/TP0,m=MmP/RT,Mm=y1M1+y2M2+ymMm,.,12,液体混合物密度,应用条件：,混合物体积等于各组分单独存在时的体积之和。,w质量分率,3、比体积单位质量的流体所具有的体积。,v=V/m=1/,.,13,三、流体静力学基本方程式,1.内容描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式。,流体静力学基本方程式的推导（自学）,.,14,使用条件：静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。,.,15,1）当容器液面上方的压强一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度和该点距液面的深度h有关。因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。,由流体静力学基本方程式可得到以下结论：,.,16,2）当液面上方的压强p0改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变（巴斯葛原理）。3）式p=p0+gh可该写为：(pp0)/g=h，说明压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但必须标明是何种液体液柱。,.,17,PA=PAPB=PBPC=PC,3.当细管水位下降到多高时,槽内水将放净?,1=800kg/m32=1000kg/m3H1=0.7mH2=0.6m,例题:1.判断下面各式是否成立,2.细管液面高度h,h,.,18,解:利用等压面原理求解,PA=PAPB=PB,3.2gh=1gH1h=0.56m,2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p0,h=H2+H11/2h=1.16m,.,19,四、流体静力学基本方程式的应用,1.压强与压强差的测量测量压强的仪表种类很多，其中以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器称液柱压差计，它可测量流体的压强或压强差，其中较典型的有下述两种。,.,20,1.U型管压差计,P1P2,A-A为等压面PA=PAPA=P1+g(H+R)PA=P2+0gR+gHP1-P2=Rg(0-)如测量气体0P1-P2=Rg0,倒U型管压差计？P15,.,21,U管压差计指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体。,.,22,2.倾斜液柱压差计,R1=R/sinR=R1sin,.,23,3.微差压差计放大读数,特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-c）Rg,.,24,例1-4：常温水在管道中流动，用双U型管测两点压差，指示液为汞，其高度差为100mmHg，计算两处压力差如图：,P1=P1P2=P2Pa=P1+水gxP1=汞gR+P2Pb=水gx+水gR+P2Pa-Pb=Rg(汞-水)=0.19.81(13600-1000)=1.24103Pa,.,25,2.液位的测量,.,26,3.液封高度的计算化工生产中一些设备需要液封，液封高度的确定就是根据流体静力学基本方程式来计算的。,.,27,.,28,第二节管内流体流动的基本方程式,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。,.,29,质量流量qm：流体单位时间内流过管道任一截面的流体质量。,体积流量qv：流体单位时间内流过管道任一截面的流体体积。,m3/s,kg/s,.,30,2.流速单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。由于流体在管截面上的速度分布较为复杂，通常流体的流速指整个管截面上的平均流速，表达式为：,u=qv/Am/s,.,31,由于气体的体积流量随温度和压强的变化而变化，故气体的流速也随之而变，因此采用质量流速较为方便。,质量流速：单位时间内流体流过管道单位截面积的质量。,W=qm/A=ukg/m2.s,.,32,由流量和流速可确定管道的直径d,流量一般由生产任务所决定。流速的选择视具体情况而定，一般选用经验数据，具体见表1-3（P46），计算得到的管径需进行标准化。,液体:0.53m/s气体：1030m/s,.,33,例1-7:安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择合适的管道。,解：选择管内水的经验流速u=1.8m/s,=0.077m=77mm,查书中附录二十一(P350)(2)普通无缝钢管外径=89mm壁厚=4mm即894的管子内径为d=81mm=0.081m,.,34,实际流速为:,.,35,1.3.2稳态流动与非稳态流动,稳态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量不随时间而变化，这种流动称为定态流动或稳定流动。非稳态流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量随时间而变化，这种流动称为非定态流动或不稳定流动。,.,36,.,37,三.连续性方程,1,1,2,2,qm1=qm2qm=qv=uAu1A11=u2A22=常数对于不可压缩性流体,密度可视为不变u1A1=u2A2u1/u2=(d2/d1)2,根据物料衡算,.,38,例1-8:如下图的变径管路,d1=2.5cmd2=10cmd3=5cm(1)当流量为4升/秒时,各段流速?(2)当流量为8升/秒时,各段流速?,1,2,3,.,39,qv=2qvu=2uu1=2uu1=16.3m/s,=2.04m/s,.,40,四.伯努利方程,丹尼尔.伯努利(1700-1782)，生于科学世家。,是瑞士物理学家,数学家,医学家。,曾任医学、解剖学、植物学、物理学、哲学教授。,.,41,（一）理想流体的伯努利方程,推导依据：能量守恒（机械能）,理想流体：无粘性流体，在流动过程中没有摩擦，没有能量损失。,.,42,1.柏努利方程式,1.流动系统的总能量衡算,进出系统的能量：（J/kg）内能U位能gZ动能u2/2静压能pv热能Q外功（净功）W,总机械能（总能量）,.,43,稳定流动，单位时间，质量为m的流体由截面1截面2,位能：流体因处于地球重力场中而具有能量，其值等于把质量为m的流体由基准水平面升举到某高度Z所做的功。位能=力距离=mgZ单位质量流体的位能：mgZ/m=gZJ/kg,#截面在基准面之上，位能值为正，在基准面之下其值为负。,.,44,2.动能：流体因运动而具有的能量。动能=mu2/2单位流体的动能为：,J/kg,3.静压能：将流体压入流体某截面对抗前方流体的压力所做的功。静压能=力距离,.,45,当流体为理想流体时，两界面上的上述三种能量之和相等。即：,各截面上的三种能量之和为常数伯努利方程,单位流体的静压能为,J/kg,=P/,.,46,（二）关于伯努利方程的说明,伯努利方程表示理想流体在管道内作稳定流动，无外加能量，在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能（称为机械能）之和为常数，称为总机械能，各种形式的机械能可互相转换。,各项机械能的单位皆为J/kg。,.,47,对可压缩流体，当(p1-p2)/p1hf园形,.,115,五、局部摩擦阻力损失,（一）局部阻力系数法将克服阻力消耗的能量表示成流体动能的倍数。hf=u2/2,.,116,突然扩大与突然缩小（查图）,=0.5(1-A2/A1)2,=(1-A1/A2)2,.,117,2）进口与出口进口：i=0.5出口：o=1.03）管件与阀门查手册,.,118,流体由管道直接排放至管外大空间，管出口内侧截面上的压强可取为与管外空间相同。截面取在内侧，出口损失不计，动能不为零；截面选在外侧，截面上的动能为零，但计算出口损失。两种结果相同。,A,1,2,BC,D,.,119,2.当量长度法,表示由管件引起的局部阻力损失。相当于流过一段直径相同，长度为le的直管所损失的能量。,表1-2P40,.,120,六管路系统中的总能量损失,.,121,例1-16：常温水由贮罐用泵送入塔内，水流量为20m3/h，塔内压力为196kpa（表压），AB，BC，CD，管长（包括当量长度，不包括突然扩大和缩小）,A,15m,1,2,B,D,分别为40、20、50m，管径分别为573.5，1084，573.5，求：所需外加能量。(/d=0.001）,C,.,122,解：求各段速度,A,D,C,B,uAB=uCD,=2.83m/s,=0.71m/s,.,123,2.求能量损失：,A,2,1,B,C,D,(1)槽面至管的能量损失hf=0.5uAB2/2=2.0J/kg(2)AB直管段=1cpL+Le=40Re=du/=1.42105查得=0.0215,=68.9J/kg,.,124,2.求能量损失：,A,B,C,D,(3)B端扩大hfB=(1-AA/AB)2.uAB2/2=2.25(4)BC管段Re=71000=0.0235hfBC=1.185J/kg,(5)C点缩小AC/AD=(0.05/0.1)2=0.25查得=0.33hfC=1.32J/kg,.,125,2.求能量损失：,A,B,C,D,(6)CD管段hfAB=86.1J/kg(7)D点入口=1hfD=4J/kg(8)总能量损失hf=165.7J/kg,(9)外加能量W=159.81+196.21000/1000+165.7=509J/kg,.,126,例题1-17有一段内径为100mm的管道，管长16m，其中有两个截止阀，一个全开，一个半开，管道摩擦系数为0.025。若只拆除一个全开的截止阀，其他保持不变，试求管道中流量增加的百分数。,P42,.,127,Z1+P1/g+u12/2g+H1=Z2+P2/g+u22/2g+hfZ1-Z2=H=hf拆除前后hf1=hf2,解：,.,128,拆除前截止阀全开=6.0；半开=9.5；管口突然缩小=0.5；管口突然扩大=1,拆除后,.,129,即21u12/2=15u22/2(u2/u1)2=21/15qv2/qv1=（u2/u1)=(21/15)1/2=1.18流量增加了18%,.,130,例题：如图所示用一台离心泵将水池中的水（密度为1000kg/m3）送至一表压为62kPa的水洗塔顶。已知离心泵吸入管段长度（包括局部阻力的当量长度，含入口阻力损失，下同）为60m，泵出口阀全开时排出管线长度200m（含出口阻力损失），全部管路均用1084mm的碳钢管，管内流体流动摩擦系数均为0.025，其它数据如图所示。试求：1.当离心泵入口处的真空表读数为25kPa时系统水的流量Q（m3/s）；2.泵的压头H,.,131,解：（1）在水池液面00和真空表所在的1-1两截面间列B.E.,.,132,(2)在水池液面00和水洗塔顶2-2两截面间列B.E.,.,133,第五节管路计算,运用的方程式：连续性方程式、柏努利方程式、流动阻力方程式、物料衡算式、雷诺数计算类型：（1）已知管路及流体的输送量，求流动阻力；（2）已知管路及流动阻力，求流体的输送量；（3）已知管路（管径未知）、流体的输送量及流动阻力，求管径。,.,134,按管路性质来分：（1）简单管路（2）复杂管路,.,135,一、简单管路（一）简单管路计算1.已知L、d、qv，求hf;2.已知hf、L、d，求u或qv,试差法：,设,u,Re,1,1=，u为所求，,否则重设。,.,136,3.已知hf、L、qv，求d,二、最适宜管径管径选择原则：设备费动力费（操作费）最少。,.,137,管径,费用,设备费,操作费,最适宜管径,总费用,H=h+Hf,.,138,二、复杂管路,（一）并联管路,1.qv=qv1+qv22.hf1=hf2=hfAB,A,B,1,2,.,139,二.分支管路,.,140,第六节流量的测定,差压流量计：测速管、孔板流量计、文丘里流量计截面流量计：转子流量计,.,141,1.测速管（皮托管）,.,142,1,2,原理,P/=u12/2,点速度最大速度平均速度,.,143,测速管优点：是对流体的阻力较小，适用于测量大直径管路中的气体流速。测速管缺点：只能测出流体的点速，不能直接测出平均速度，另外当流体中含有固体杂质时，不宜采用。,.,144,2.孔板流量计,.,145,二、孔板流量计,1.结构与原理结构：带圆孔的金属板；压差计。原理：当流体流经孔板小孔时，产生明显压差，流量越大，压差越大。,3,.,146,以孔径代替缩脉处的直径以孔板左侧流径代替管径,2.流量方程,qv=A0u0=,.,147,3.安装要求：必须有一内径不变的直管段，上游有十倍直径以上的直管，下游有五倍直径的直管段。4.影响的因素：（1）与雷诺值有关；（2）与（A0/A1）有关（即2）（3）与取压方法有关（4）常取0.60.7；（5）选择孔径要考虑雷诺值在一定范围内不变。,.,148,孔板流量计与Re、2的关系,.,149,优点：容易制造，调换方便。缺点：流体流经孔板的能量损失较大，孔口边缘容易腐蚀和磨损，需定期进行校正。,.,150,三.转子流量计,.,151,1.构