化工原理天大修订版第一章流体流动.ppt

ChapterOne流体流动FluidFlow,2,2,2,2,1.序言,流体的定义：气体和液体的总称.流动性，即抗剪抗张（shearstresses)能力都很小。无固定形状，随容器的形状而变化。在外力作用下流体内部发生相对运动。研究流体流动的重要性：工业中流体状态多。(管路输送、设备、传热)单元操作涉及流体多。(混合、过滤、传热、传质),2,3,3,3,3,概述：流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律。,流体力学(fluidmechanics)：,3,4,4,4,4,流体力学理论的形成,阿基米德牛顿欧拉柏努利与其他学科交叉，发展。,4,5,5,5,5,流体连续性假设,假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。目的：为了摆脱复杂的分子运动，而从宏观的角度来研究流体的流动规律。,大量分子构成的集团，但其大小与管路线容器的尺寸相比仍微不足道。,5,6,6,6,6,流体流动的实质,实质：并非指其内部分子的运动（静止流体的分子是运动的）。而是流体内部无数质点运动的总和。,6,7,7,7,7,研究流体流动的重要意义,流体的输送：研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算；压强、流速及流量的测量：为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的；为强化设备提供适宜的流动条件：化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的，设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系,7,8,8,8,8,流体力学研究内容,fluidstaticsfluiddynamics（流体静力学）（流体动力学）.,外力作用下静止的流体,运动的流体,8,9,9,9,9,本章研究的内容,流体的静止规律；流体的流动规律；压强、流量、流速等的测量；流体输送机械和管道特性和有关计算；如何利用有关规律去强化生产过程，解决实际问题,9,10,10,10,10,1.pressure2.densityandspecificvolume3.hydrostaticequilibrium4.application,2.流体静力学基本方程式(Hydrostaticequilibrium）,10,11,11,11,11,2.1Pressure,pressure(P)andforce(F)units:PPa（帕）,FN(牛顿)压强单位的转换：1atm=101325Pa=10330kgf/m2=10.33mH2O=760mmHg,11,12,12,12,12,Differentexpressionofpressure:,绝对压力(absolutepressure)，真空度(vacuum)，表压(gaugepressure)，大气压(atmosphere)绝对压力-大气压=表压大气压-绝对压力=真空度真空度=-表压,12,13,13,13,13,例题1,在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为若干？兰州地区的平均大气压强为85.3103Pa，天津地区的平均大气压强为101.33103Pa。解：根据兰州地区的大气压强条件，可求得操作时塔顶的绝对压强为绝对压强=大气压强真空度=85300-80000=5300Pa在天津操作时，要求塔内维持相同的绝对压强，由于大气压强与兰州的不同，则塔顶的真空度也不相同，其值为真空度=大气压强绝对压强=101330-5300=96030Pa,14,14,14,14,2.2密度（density）与比容（specificvolume）,=m/Vkg/m3typeoffluid;P;T;,14,15,15,15,15,不可压缩性流体(Incompressiblefluid),一般流体的体积（密度）都是随压强和温度的变化而变化的。对于液体（如水），压强的变化对其密度的影响很小，可以忽略不计，流体的特性称为不可压缩性。液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关，即=(T),15,16,16,16,16,可压缩性流体(Compressiblefluid),它的密度随温度和压强的不同而出现较大的差别，气体是可压缩流体。一般在压强不太高，温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。即(p,T),17,17,17,17,2.2.1气体密度的计算,当压力温度适中，按照理想气体状态方程，pV=mRT/M=pM/RTpkPaTKMkg/kmol（摩尔质量）R8.31kJ/kmolK,17,18,18,18,18,标准状态下：=pMT0/22.4Tp0质量一定时，温度、压力和体积变化关系：pV/T=pV/T,19,19,19,19,比例法计算:,=0PT0/P0T0=M/22.4kg/m3(标态下，T0=273K,P0=101.325103Pa,摩尔体积是22.4m3/kmol),19,20,20,20,20,m=AxVA+BxVB+nxVn当P、T适中,M用Mm代替，Mm=(Myi),m=pMm/RTorm=(yii)yi摩尔分数,混合气体密度计算,20,21,21,21,21,若混合前后体积变化不大或不变，则，1Kg混合液的体积=各组分单独存在的体积之和，1/m=(i/i)ii组分的密度,ii组分的质量分率,2.2.2液体混合物密度计算,21,22,22,22,22,2.2.3相对密度（relativedensity）/比重常压下，4摄氏度的水的密度为（1000kg/m3）.2.2.4比容（Specificvolume，)v=1/m3/kg,22,23,23,23,23,2.3流体静力学基本方程式,推导应用,23,24,24,24,24,推导的前提：不可压缩流体，密度不随压力变化。,24,受力分析：pA-(p+dp)AgAdZ=0同除以A，得dp+gdZ=0,25,25,25,25,Integration(积分)，得,or,25,26,26,26,26,如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱Za-Zbh，则上式可改写为p=p0+gh,26,27,27,27,27,讨论,1）等压面静止的，连续的同一液体内，深度相等的各点压力相等。2）P0变化时，内部各点变化值相等。3）液柱高度：h=P2-P0/g4)气体压力温度变化不大时（20%以内），可视为不可压缩流体。,27,28,28,28,28,(5)energyconservation（能量守恒）P/g+Z=constant(morJ/N)P/+Zg=constant(NorJ/kg)P+gZ=constant(PaorJ/m3),statichead,staticenergy,staticpress,potentialhead,potentialenergy,potentialpressure,Z-从基准面算起的位压头，P/g-从基准面算起的静压头，,28,29,29,29,29,例题2,1)判断下列两关系是否成立，即pA=pApB=pB计算水在玻璃管内的高度h,30,30,30,30,2.3.3流体静力学基本方程式的应用,(1)测压强U形管液位压差计（U-tubemanometer）.,30,31,31,31,31,b.inclinedmanometer(斜管压差计),R=R/sin,31,32,32,32,32,c.two-liquidmanometer(双液压差计),P1-P2=Rg(a-b)(a-b)越小,R越大.,32,33,33,33,33,(2)measurementoftheliquidlevel,ThesmallerR,thehigherliquidlevel.,R,x,33,34,34,34,34,(3)heightofliquidseal(确定液封高度)？p1(gaugepressure)h=p1/(H2Og)Considerationofsafe,hisshallower(nodeeper)thanthevaluecalculated.,34,35,35,35,35,Homework,P59思考题1-4，P60，习题1-2，1-5，1-8推导题,35,36,36,36,36,3.流体流动基本方程,管道中流动的流体1.流量与流速2.稳定流动与不稳定流动3.ContinuityEquation(连续性方程式)4.BernoulliEquation(柏努利方程式)5.实际流体机械能衡算式,36,37,37,37,37,3.1流量与流速,3.1.1流量(1)Vs(体积流量)，m3/s(2)ws(质量流量)，kg/sws=Vs3.1.2流速(1)u(平均流速)，m/su=Vs/AA-截面积,m2流量与流速的关系：ws=uA,37,38,38,38,38,点速度localvelocity与平均速度averagevelocity,产生原因:流体有粘性.,38,39,39,39,39,G、ws与T、P无关。,39,(2)G(质量流速),kg/(m2.s)G=ws/A=uA/A=u,40,40,40,40,3.1.3管道直径的估算(d)u=Vs/AA=d2/4=0.785d2(Vs/0.785u)1/2一般的u范围见下页表.液体0.5-3m/s,气体10-30m/s.Examples,40,41,41,41,某些流体在管道中常用的流速范围,41,液体种类及状况常用流速范围（m/s）自来水（3105Pa）1.01.5水及低黏度液体1.53.0高黏度液体0.51.0低压气体8.015易燃易爆的低压气体（如乙炔）此时管壁粗糙度对的影响与滞流时相近Re，b,类似于层流。),156,157,157,157,157,(3)完全湍流，L,则简化为,207,208,208,208,208,平均速度u的测定,测速管所测的是管道截面上某一点的轴向速度ur。若要测定截面上的平均速度，应测定管中心至管壁若干点的速度，然后用积分法求其平均值。若已知管截面上的速度分布规律，也可根据管中心的速度与平均速度的关系求出平均速度。u/umax与管内Re的大小有关，如图1-20所示。若要求平均速度，可将皮托管放在管道中心线上（r=0），测出最大流速umax，求出Remax=dumax/，查图1-20，求出u/umax再求出u。,208,209,209,209,209,皮托管的安装,测量点应取在充分发展了的流动管段，保证位于均匀流段，即测量点距管口或转弯处l/L050d。应与流动方向平行安置，保证管口截面严格垂直于流动方向。测速管外径d0d/50。,209,210,210,210,210,7.2.孔板流量计,(1)工作原理Bernoulliequation,Asmaller,ularger,andPsmaller,p通过U型管测量。,210,圆孔的金属板插入管道内与管轴垂直孔的中心位于管道的中心线上，孔板称为节流元件。,211,211,211,211,211,212,212,212,212,A1A0A2A3(=A1),u1u0u2u3(=u1),P1p0p2p3(被测流体从底部进入，顶部流出在玻璃管外表面上刻有读数，根据转子的停留位置，即可读出被测流体的流量,220,220,220,220,220,测量原理,流体在环隙中的速度较大，压强较小，于是在转子的上、下端面形成一压差，转子将“浮起”随着转子的上浮，环隙面积逐渐增大，环隙中的流速将减小，两端压差也随之降低当转子上浮至某一高度时，转子上下端面的压差造成的升力恰好等于转子的净重力时，转子不再上升，悬浮于该高度上,221,222,222,222,222,222,223,223,223,223,Forceanalysis,pAf=Vf(f-)gp=Vf(f-)g/Af当浮子不动时，p恒定。,223,224,224,224,224,计算流速：,A2:环隙面积.CR:转子流量计系数.,Vs与A2有关.,u恒定,p=Vf(f-)g/Af,224,225,225,225,225,修正：,转子流量计的安装应严格垂直安装,225,226,226,226,226,比较：,PitottubeOrificemeterRotameter:,226,习题,227,228,228,228,228,4.某车间丙烯精馏塔的回流系统如附图所示，塔内操作压强为1304kPa（表压），丙烯贮槽内液面上方的压强为2011kPa（表压），塔内丙烯出口管距贮槽的高度差为30m，管内径为145mm，送液量为40ton/h。丙烯的密度为600kg/m3，设管路全部能量损失为150J/kg。问：将丙烯从贮槽送到塔内是否需要用泵？计算后简要说明。,228,229,229,229,229,解：（1）将丙烯从贮槽送到塔内是否用泵，必须用柏努利方程式求出We值后才能判断。（2）取贮槽液面为1-1截面，且定为基准水平面，取塔内丙烯出口管的管口为2-2截面，如图示。（3）在两截面间列出柏努利方程：各量确定：z1=0，z2=30m，u10，u2可求出，P1=2011kPa，=600kg/m3，P2=1304kPa，hf=150J/kg。（4）求u2及We。,229,230,230,230,230,（5）说明：We的涵义是外加功，计算结果We为负值，说明系统不需要用泵，而依靠贮槽与塔两个设备的压强差即可满足输送丙烯的要求。,230,231,231,231,231,5.右附图所示的侧压分别与三个设备A、B、C相连通。连通管下部是汞，上部都是水，三个设备内液面在同一水平面上。问：（1）在同一水平面上的1、2、3三处压强是否相同，为什么？（2）在同一水平面上的4、5、6三处压强是否相等，为什么？,231,232,232,232,232,解：（1）1、2、3三处压强不等，因为它们虽是静止，且在同一水平面上，但这三处都不是连通着的同一种流体。（2）4、5、6三处压强相等，因为这三处是静止的，连通着的同一种流体，并在同一水平面上。,232,233,233,233,233,补充习题1(不讲）,如图1-1所示，容器A、B内=800kg/m3，u型管内流体密度=10400kg/m3，接于a、b两点，读数分别为R1、R2。若将测压点a和压强计一起向下移h=0.5m，R1、R2如何变化？,图1-1,233,234,234,234,234,补充习题2（不讲）,如图2-1所示，一高位槽下接水管，以便将水排至大气中。在管中部有一喉管，喉管内径与水管内径之比为0.8。现在喉管处接一垂直小管与下方1m处的另一水槽相通，若忽略水在管中流动时的机械能损失，（1）试判断垂直小管中水的流向；（2）若将垂直小管改为弯头小管，弯头迎着来流方向，如图2-2所示，试判断此时弯头小管中水的流向。,234,235,235,235,235,图2-1,图2-2,235,236,236,236,236,补充习题3（不讲）,如图3-1所示，流体从高位槽A流向槽B，两槽液面均维持不变。若将阀门k1开大，则管内流量及阀门前后压力表读数pM、pN如何变化？,图3-1,236,系数减小，则流速增大。pM减小。pN。,237,237,237,237,解：由两个大截面间柏努力方程，阻力不变。,237,238,238,238,238,1.7液体密度1250kg/m3.大液面上方29.4kpa（表压）.问：(1)R=？（指示液密度1400kg/m3);(2)A、B处的表压？,238,239,239,239,239,1.8出口管57mm3.5mm.出口阀全关，压力表读数为30.4kpa.出口阀全开，压力表读数为20.3kpa.管中压头损失0.5m.问：流量？,239,240,240,240