流体流动概述

1、12教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：课课 型：型：教学方法：教学方法：1.3 1.3 流体流动概述流体流动概述根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程和柏努利方程，进一步理解绪论中提出的化和柏努利方程，进一步理解绪论中提出的化工基础中的基本规律，并讨论它们在实际生工基础中的基本规律，并讨论它们在实际生产中的应用。产中的应用。连续性方程和柏努利方程及其应用连续性方程和柏努利方程及其应用理论知识课理论知识课谈话、讲述谈话、讲述3流体静力学基本方程流体静力学基本方程 根据用液柱表示压强的方法，p=h g，则在静止静止液面下面深度h处的压强为：ghpp0（流

2、体静力学方程）（流体静力学方程）描述描述静止静止流体内流体内部压强的变化规律部压强的变化规律4流体流动流体流动的系统中，任一截面上流体的的系统中，任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但量仅随位置而改变，但进水进水溢溢流流u=uNOTE：连续操作连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。的化工生产中大多数流动属于定态流动。恒位槽恒位槽随时间而改变随时间而改变。空白空白空白空白1.3.1 流体体系的分类流体体系的分类一、定态与非定态流动5=f(t)流动过程中任一流动过程中任一 截面上流体的性截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流动参质（如密度、粘

3、度等）和流动参数（如流速、压强等）数（如流速、压强等）随时间而随时间而改变改变。NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变化，在求算时用化，在求算时用微分微分式子表达，用式子表达，用积分积分法求解。法求解。u6 若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此流动为流动为一维流动一维流动；依赖于两个曲线坐标称为；依赖于两个曲线坐标称为二二维流动维流动；依赖于三个曲线坐标则称为；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动三维流动。 应予指出应予指出, ,过程工业中的流体输送因多在封过程工业中的流体输送因多在封闭管道内进行，故其流动

4、以一维居多。闭管道内进行，故其流动以一维居多。二、一维与多维流动二、一维与多维流动7绕流流动绕流流动 流体绕过一个浸没的物体流过，故也称为外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。充床内的流动等。封闭管道内的流动封闭管道内的流动 被输送的流体在管路中的流动。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。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三、绕流与封闭管道内的流动8体积流量体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，：单位时间内通

5、过导管任一横截面的流体的体积， 称为体积流量，称为体积流量， qV,s 流量流量(flow,flux)体积流量体积流量(volume flow rate)质量流量质量流量(mass flow rate)质量流量质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量， 称为质量流量，称为质量流量， q m,s（m3s-1）。（kgs-1）。q m,s = q V,s 摩尔流量摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量， 称为摩尔流量，称为摩尔流量，qn(mol.s-1) 摩尔流量摩尔流量(molar

6、flow rate)1.3.2 1.3.2 流量与平均流速流量与平均流速9流流 速速 (velocity of flow) 点速度点速度(spot speed)：单位时间内流体质点在流动方向上单位时间内流体质点在流动方向上 通过的距离，通过的距离，uz（mS-1） 平均流速平均流速(average flow rate)：u= q V ,s/A（ms-1）= 4 qV / d 2 质量流速质量流速: 单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，单位时间内流体流经管路单位截面积的质量， kg.s-1.m-2uAqGsm/,10管径的计算管径的计算 q V,s是由生产是由生产任务决定的任务决定的ud材料

7、费用材料费用设备费用设备费用阻力阻力能量消耗能量消耗操作费用操作费用优化优化：两者之两者之和最小和最小uqdVs ,4573mmmm壁厚壁厚外径外径附录十七附录十七附录附录十八十八管径的选择管径的选择管子规格管子规格11 1.3.3 流体流动的型态与雷诺数流体流动的型态与雷诺数一、一、雷诺实验雷诺实验 1883年年, , 英国物理学家英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。作了如下实验。溢流示踪剂恒位槽阀门12雷诺实验现象：雷诺实验现象： 两种两种稳定稳定的流动状态：层流、湍流。的流动状态：层流、湍流。用用红墨水红墨水观察管中水的流动状态观察管中水的流动状态(a)层流层流(b)

8、过渡流过渡流(c)湍流湍流13湍流湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动；主体做轴向运动，同时有径向脉动； 特征：流体质点的脉动特征：流体质点的脉动 。 层流层流： * 流体质点做直线运动；流体质点做直线运动； * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。流动阻力来源于层间粘性摩擦力。 过渡流过渡流： 不是独立流型（层流不是独立流型（层流+湍流），湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。 14二、雷诺数二、雷诺数duudRe、0003ReTMLLTMLMTLLdu影响状态的因素：影

9、响状态的因素：Re是量纲为一数群是量纲为一数群 圆形直管中圆形直管中 Re2000 稳定的稳定的层流层流 Re 4000 稳定的稳定的湍流湍流2000 Re 4000 不稳定的不稳定的过渡流过渡流154eHdrHpArL（1-26）式中 Lp流道的润湿周边长度，m； A流道的截面积，m2。三、当量直径的概念三、当量直径的概念当量直径水力半径161.4 1.4 流体流动的基本方程流体流动的基本方程控制体控制体： 在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对象象, 称这个空间为控制体。称这个空间为控制体。s1s2s3u1u2u3 控制体17 1.4.1 1.4.1

10、总质量衡算总质量衡算连续性方程连续性方程 衡算原则：质量守恒原理衡算原则：质量守恒原理 输入质量流量输入质量流量 - - 输出质量流量输出质量流量 = =质量积累速率质量积累速率截面1截面2定态流动定态流动时，时， 输入质量流率输入质量流率 = = 输出质量流率输出质量流率qm,1 = qm,2 （连续性方程）（连续性方程）0/ddm18分支管路分支管路：总管中的：总管中的质量流量为各支管质质量流量为各支管质量流量之和。量流量之和。qm,s=qV ,s =uAA1u11 =A2u22对不可压缩性流体：对不可压缩性流体： 1 = 2总管总管支管支管1支管支管2（园管）园管）21221221ddA

11、Auu191.4.2 1.4.2 总能量衡算方程总能量衡算方程 一、流动系统的总能量衡算方程一、流动系统的总能量衡算方程图1-12 流动系统的总能量衡算1-换热器; 2-流体输送机械20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 则热力学第一定律可表述为21n流体流动时所具有的能量：流体流动时所具有的能量：1/2 qmu2qmgZ位能位能(potential energy):(J/s)动能动能(energy of motion):(J/s)内能内能(internal energy):(J/s)qmU压力能压力能(static energy):VVpqAqpA(J/s)2

12、2质量为质量为m、体积为、体积为qV1的流体，通过的流体，通过截面截面1所需的作用力所需的作用力F1=P1A1，流体，流体推入管内所走的距离推入管内所走的距离qV1/A1，故与，故与此功相当的压力能此功相当的压力能 压力能压力能 = 压力能压力能(static energy):J/s111111VVqpAqAp123根据能量守恒定律，可得 21111,112mmmVeq Uq gzq up qQP22222,212mmmVq Uq gzq up q上式经整理，可得一、流动系统的总能量衡算方程一、流动系统的总能量衡算方程2()2eeuUg zpvQW 定态流动过程的总能量衡算方程 (J/s)(J

13、/kg)241.1.机械能的转换与损失机械能的转换与损失式式1-331-33中所中所包括的能量包括的能量机械能机械能动能动能位能位能压力能（流动功）压力能（流动功）外功外功内能和热内能和热25流体输送过程中各种机械能相互转换。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。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。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二、流动系统的机械能衡算方程理想流体理想流体流动时，若流动过程中没有热量输入，其温度和内能流动时

14、，若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。没有变化，则能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。26对于对于理想流体理想流体的流动，又无外功加入的流动，又无外功加入 202upg z 或2211221222upupgzgz二、流动系统的机械能衡算方程二、流动系统的机械能衡算方程伯努利(Bernoulli)方程适用条件：不适用条件：不可压缩可压缩理想流理想流体体(J/kg)27对于对于实际不可压缩流体实际不可压缩流体，为常数为常数 212efpg zuWh 2211221222efupupgzWgzh或或二、流动系统的机械能衡算方程二、流动系统的机

15、械能衡算方程工程伯努利工程伯努利(Bernoulli)方程方程适用条件：适用条件：不不可压缩流体可压缩流体(J/kg)28三、对伯努利方程的讨论三、对伯努利方程的讨论式式1-381-38表明，表明，理想流体理想流体在管路中作定态流动而又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。以相互转化，但其总量不变。 1.1.2211221222upupgzgz(1-38a) (1-38a) 能量转换能量转换060629三、对伯努利方程

16、的讨论三、对伯努利方程的讨论2.2.伯努利方程的其他形式：伯努利方程的其他形式：将各项均除以重力加速度将各项均除以重力加速度g g /,eeffHWgHhg 2211221222efupupzHzHgggg令令(m) 位头位头速度速度头头动压动压头头压力头压力头压头损失压头损失外加外加压头压头 工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的工程上将单位重力的流体所具有的各种形式的 能量统称为能量统称为压头压头( (head)head)。30三、对伯努利方程的讨论三、对伯努利方程的讨论3.3.有效功率有效功率PePe(J/s(J/s) )：输送机械在单位时间内所：输送机械在单位时间内所作的有效功称为有

17、效功率，用下式计算作的有效功称为有效功率，用下式计算 emePq W(1-39) HegqPem311.4.3 机械能衡算方程的应用机械能衡算方程的应用nBernoulli方程在工程上用以计算流体的方程在工程上用以计算流体的流速流速或或流量流量、流体流体输送所需的压头输送所需的压头和和功率功率以及有关流体流动方面的问题。以及有关流体流动方面的问题。1、作图作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；根据题意画出示意图，注明有关参数；2、选截面：、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；正确选取截面，以确定衡算范围； 截面选取必须具备的条件：截面选取必须具备的条件： 与流体流动方向垂直；与流体流动方向

18、垂直；两截面间的流体是连续的；两截面间的流体是连续的；截面应包括题目所给的已知和未知条件截面应包括题目所给的已知和未知条件3、选基准水平面：、选基准水平面： 任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。4、单位要一致：、单位要一致： 统一使用统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。单位；压强的表示方法要一致。NOTE：32习题习题 流体输送设备所需功率的计算流体输送设备所需功率的计算习题习题用泵将碱液槽中的碱液抽往吸收塔顶，经喷头喷出作吸收用泵将碱液槽中的碱液抽往吸收塔顶，经

19、喷头喷出作吸收剂用。泵的汲入管为剂用。泵的汲入管为21/2 “，压出管为，压出管为2 “。碱液在喷头口前的。碱液在喷头口前的静压强按压力指示表为静压强按压力指示表为0.3kgfcm-2(表压表压)，密度为，密度为1100kgm-3。输送系统中压头损失为输送系统中压头损失为3米碱液柱计划送液量为米碱液柱计划送液量为25th-1。若泵的若泵的效率为效率为55%，试求泵所需的功率。，试求泵所需的功率。1.5m16m解：解：1Zgu221gp12Zgu222gp2HfHe？12基准面u1=0 ms-1；u2= qv/A2=qm/A2P1=0 Pa(表压)；P2=0.3kgfcm-2=3g kPa(表压

20、表压)输送所需理论功率（输送所需理论功率（JS-1）：）： Pe = He g qm实际需功率：实际需功率：Pa=Pe / 33例例2 容器间相对位置的计算容器间相对位置的计算从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为为452.5mm的钢管，要求送液量为的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为。设料液在管内的压头损失为1.2m （不包括出口能量损失），试问高位槽的（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？液位要高出进料口多少米？fehgpugzHgpugz222212112121？110smu1222796. 004. 0785. 036006 . 34smdquV p1=0 Pa（表压）；（表压）；p2=0 Pa（表压）（表压） 34fehgpugzHgpugz222212112121例例2 2 送料用压缩空气压力的确定送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送某车间用压缩空气送20的浓硫酸。的浓硫酸。要求输送量为要求输送量为0.036m3.min-1，管径为，管径为38 3mm，设浓硫酸流经全部管路的，设浓硫酸流经全部管路的能量损失为能量损失为1.22J.N-1（不包括出口的能（不包括出口的能量损失），试求压缩空气