第一章流体流动2

1、2022-4-5化工原理 绪论1化化 工工 原原 理理主讲人主讲人: : 姜美英姜美英2022-4-5化工原理 绪论2第二节第二节 流体动力学流体动力学 一、流量与流速一、流量与流速 二、稳定流动与不稳定流动二、稳定流动与不稳定流动 三、稳定流动时的物料衡算三、稳定流动时的物料衡算连续性方程连续性方程 四、稳定流动时的能量衡算四、稳定流动时的能量衡算伯努利方程伯努利方程 五、伯努利方程的应用五、伯努利方程的应用研究流体流动时研究流体流动时的基本规律的基本规律2022-4-5化工原理 绪论32) 质量流量质量流量 :单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称

2、为质量流量，以为质量流量，以qm表示，其单位为表示，其单位为kg/s或者或者 kg/h。1）体积流量）体积流量:单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以体积流量，以qV表示，其单位为表示，其单位为m3/s。 qV, m3/h一、流量与流速一、流量与流速1、流量、流量体积流量与质量流量之间的关系为：体积流量与质量流量之间的关系为： qm=qv （1-14）单位时间内流体流经管道任一截面的流体的量，称为流量，单位时间内流体流经管道任一截面的流体的量，称为流量，以以V表示，其单位为表示，其单位为m3/s。2022-4-5化工原理 绪论4 实验证

3、明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零。上，其速度等于零。 流速流速：单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。一般是指平均流速。用一般是指平均流速。用u 表示表示 ,单位为单位为m/s 2、流速、流速2022-4-5化工原理 绪论5流速与流量的关系：流速与流量

4、的关系： 流量与流速关系为：流量与流速关系为： AqAqumvAuqqAuqvvm.式中式中 A 管道的截面积，管道的截面积，m222785. 04ddA圆形管道：圆形管道：2022-4-5化工原理 绪论6单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为质量流速。它单位时间内流体流经管道单位截面积的质量称为质量流速。它与流速及流量的关系为：与流速及流量的关系为： Gqm/A=Au/A=u （1-17） 由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将

5、之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。 3、质量流速、质量流速2022-4-5化工原理 绪论74Vqdu 对于圆形管道：对于圆形管道：流量流量qV一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：4. 管径的估算管径的估算 d 设备费用设备费用 u 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费2022-4-5化工原理 绪论8例例1-7 1-7 某厂要求安装一根输水量为某厂要求安装一根输水量为30m30m3 3/h/h的管道，试的管道，试选择合适的管径。

6、选择合适的管径。mmm77077.08.10.78530/3600d0.785uvd 解：依式（解：依式（1-181-18）管内径为）管内径为 选取水在管内的流速选取水在管内的流速u u1.8m/s (1.8m/s (自来水自来水1-1.5, 1-1.5, 水水及低粘度液体及低粘度液体1.5-3.0 )1.5-3.0 )2022-4-5化工原理 绪论9思考思考?在流量一定的情况下在流量一定的情况下,管径管径是否越小越好是否越小越好?2022-4-5化工原理 绪论10 二、稳态流动与非稳态流动二、稳态流动与非稳态流动稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量稳态流动：各截面上的温度、压力、流速

7、等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；仅随位置变化，而不随时间变化； 不不稳稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。置变化，也随时间变化。稳定流动稳定流动不稳定流动不稳定流动2022-4-5化工原理 绪论11说明说明： 稳定流动中，流速、压强等有关物理参数只随空间稳定流动中，流速、压强等有关物理参数只随空间位置而变，而与时间无关。而不稳定流动中，流速、位置而变，而与时间无关。而不稳定流动中，流速、压强等物理参数除与空间位置有关外，还与时间有关。压强等物理参数除与空间位置有关外，还与时间有关。 在正常情况下，连续生产过程中的流体流动

8、多属于在正常情况下，连续生产过程中的流体流动多属于稳定流动。稳定流动。 本着重讨论稳定流动问题。本着重讨论稳定流动问题。2022-4-5化工原理 绪论12三、连续性方程式三、连续性方程式 如图所示：如图所示： 对于稳态流动系统，对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情在管路中流体没有增加和漏失的情况下：况下： 输入物料量输入物料量=输出物料量输出物料量21mmqq 222111AuAu 推广至任意截面推广至任意截面 常常数数 uAAuAuqm 222111连续性方程式连续性方程式11 2 21 1、流体连续性的假设：、流体连续性的假设：1)1)连续不间断连续不间断;1);1)充满整个管

9、道充满整个管道 2、稳定流动系统的物料衡算、稳定流动系统的物料衡算-连续性方程连续性方程2022-4-5化工原理 绪论13常常数数 uAAuAuqV22111 1、如果流体液体，、如果流体液体，212 2、如果是圆形管道、如果是圆形管道 ：2121221 ddAAuu 结论二：流速与管内径的平方成反比结论二：流速与管内径的平方成反比 。讨论：讨论：结论一：流速与管道截面积成反比结论一：流速与管道截面积成反比注意：流速的变化规律与管路情况无关注意：流速的变化规律与管路情况无关2022-4-5化工原理 绪论14四、稳定流动系统的能量衡算四、稳定流动系统的能量衡算-伯努利方程式伯努利方程式（一）流体

10、在流动过程中的能量分析（一）流体在流动过程中的能量分析1、本身、本身具 有 的具 有 的机械能机械能能能量量2、从外界、从外界获得的能量获得的能量3 、 流 动 过、 流 动 过程中损失的程中损失的能量能量mpmumgz静压能动能位能22pugz静压能动能位能22以每以每Kg为基准为基准外加功：每外加功：每kg流体从外界流体从外界获得的能量用获得的能量用We表示表示能量损失：每能量损失：每kg流体在流动流体在流动过程中损失的能量用过程中损失的能量用hf表示表示2022-4-5化工原理 绪论15220 011z2z111, pu22, puZ1、Z2:分别表示分别表示1-1和和2-2截面截面 与

11、基准面的垂直距离与基准面的垂直距离u1、u2 :分别表示流体在分别表示流体在1-1和和2-2截面处的流速截面处的流速P1、P2 :分别表示流体在分别表示流体在1-1和和2-2截面处的压强截面处的压强2022-4-5化工原理 绪论16衡算基准1-1截面2-2截面位能位能动能动能静压能静压能位能位能动能动能静压静压能能外加外加功功能量能量损失损失1kg(J/kg)1N(m)各种能量的表达式：各种能量的表达式：gz1gz2221u222u1p2pfhw1z2zgu221gu222gp1gp2HfH输入系统输入系统的能量的能量能量损失能量损失输出系统输出系统的能量的能量能量衡算式：能量衡算式：=+20

12、22-4-5化工原理 绪论17（二）稳定系统中的能量衡算（二）稳定系统中的能量衡算输入能量输入能量=输出能量输出能量+能量损失能量损失以每以每kg为为基准基准单 位单 位J/kg（1）zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kg ；221u单位质量流体所具有的动能，单位质量流体所具有的动能，J/kg。各项意义：各项意义：2022-4-5化工原理 绪论18将将(1)(1)式各项同除重力加速度式各项同除重力加速度g :式中各项单位为式中各项单位为mNJN/kgJ/kg z 位压头位压头gu22动压头动压头gp

13、静压头静压头总压头总压头压头：单位重量流体所具有的能量。单位是压头：单位重量流体所具有的能量。单位是m2022-4-5化工原理 绪论19221211221122fppzuHzuHgggg WHg ffhHg 其中其中He外加压头或有效压头，外加压头或有效压头，m;hf压头损失，压头损失，m。以每以每N重流体为重流体为衡算基准衡算基准以每以每kg重流重流体为衡算基准体为衡算基准2022-4-5化工原理 绪论20（三）伯努利方程的讨论（三）伯努利方程的讨论 1、如没有能量损失（称理想流体）且没有外加功则：、如没有能量损失（称理想流体）且没有外加功则：2222222111upgZupgZ表明理想流体

14、的机械能守恒，流体流动的过程各种能量表明理想流体的机械能守恒，流体流动的过程各种能量可以相互转化，流体流动的过程也就是能量转化的过程。可以相互转化，流体流动的过程也就是能量转化的过程。常数22upgz2022-4-5化工原理 绪论21思考思考1122 11 2 2 如图所示问流动过程中动能、如图所示问流动过程中动能、位能、静压能如何变化？位能、静压能如何变化？动能：变小动能：变小 位能：不变位能：不变 静压能：静压能增大静压能：静压能增大动能：不变动能：不变 位能：减小位能：减小 静压能：静压能增大静压能：静压能增大2022-4-5化工原理 绪论222、实际流体，如果没有外加能量，其自发流动的

15、方向只、实际流体，如果没有外加能量，其自发流动的方向只能从能从高能量处高能量处向向低能量处低能量处流动，反之必须输入外加能量流动，反之必须输入外加能量泵的有效功率泵的有效功率NeNe ：轴功率轴功率 ：eNN轴vmqgHeqWeNe泵的效率2022-4-5化工原理 绪论233 3、若流体处于静止，、若流体处于静止，u=0，hf=0，W=0，则柏努，则柏努利方程变为利方程变为 说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律示流体静止状态的规律 。 2211pgzpgz 2022-4-5化工原理 绪论244、伯努利方程式伯努利方程式适用于不可压

16、缩性流体。适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当对于可压缩性流体，当 时，仍可时，仍可用该方程计算，但式中的密度用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均应以两截面的平均密度密度m代替。代替。%20121 ppp221211221122fppz guWz guh 2022-4-5化工原理 绪论25五、伯努利方程的应用五、伯努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备的功率；输送设备的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：2022-4-5化工原理 绪论2

17、6（1 1）根据题意根据题意画出流动系统的示意图，画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围 ；1、应用注意事项、应用注意事项（2 2）选取截面）选取截面目的是目的是确定衡算范围确定衡算范围 原则：原则：1 1、与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应、与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；是定态连续流动； 2 2、一律以上游为、一律以上游为1-11-1截面，下游为截面，下游为2-22-2截面；截面； 3 3、截面宜选在已知量多、计算方便处。、截面宜选在已知量多、计算方便处。 2022-4-5化工原理 绪论27（4 4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。即同为绝压或同为表压。 （3 3）选取基准面）选取基准面确定确定Z