化工原理第一章 流体力学基础

1、化工原理第一章 流体力学基础第1页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.1 概述1 流体的压缩性 流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩性。实际流体都是可压缩的。 液体的压缩性很小，在大多数场合下都视为不可压缩，而气体压缩性比液体大得多，一般应视为可压缩，但如果压力变化很小，温度变化也很小，则可近似认为气体也是不可压缩的。 第2页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.1 概述2 作用在流体上的力 作用在流体上的所有外力F可以分为两类：质量力和表面力，分别用FB、FS表示，于是： 质量力：质量力又称体积力，是指作用在所考察对象的每一个质点上的力，属于非接触

2、性的力，例如重力、离心力等。 第3页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.1 概述2 作用在流体上的力 表面力：表面力是指作用在所考察对象表面上的力。 任一面所受到的应力均可分解为一个法向应力（垂直于作用面，记为ii）和两个切向应力（又称为剪应力，平行于作用面，记为ij，ij），例如图中与z轴垂直的面上受到的应力为zz（法向）、zx和zy（切向），它们的矢量和为：第4页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.1 概述2 作用在流体上的力 类似地，与x轴、y轴相垂直的面（参见图1-2）上受到的应力分别为：第5页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，

3、星期二1.2 流体静力学及其应用 1.2.1 静止流体所受的力1.2.2 流体静力学基本方程 第6页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.2.1静止流体所受的力静止流体所受的外力有质量力和压应力两种,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。（1）压力单位 在国际单位制（SI制）中，压力的单位为N/m2，称为帕斯卡（Pa），帕斯卡与其它压力单位之间的换算关系为： 1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压） =1.013105Pa =760mmHg =10.33mH2O 第7页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.2.1静

4、止流体所受的力（2）压力的两种表征方法 绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。 表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。 第8页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.2.2 流体静力学基本方程对连续、均质且不可压缩流体， =常数， 对于静止流体中任意两点1和2，则有： 两边同除以g 静力学基本方程第9页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.2.2 流体静力学基本方程讨论（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面；（3）压力具有传递性：液面上方压力变化时，

5、液体内部各点的压力也将发生相应的变化。即压力可传递，这就是巴斯噶定理； （4）若记， 称为广义压力，代表单位体积静止流体的总势能（即静压能p与位能gz之和），静止流体中各处的总势能均相等。因此，位置越高的流体，其位能越大，而静压能则越小。第10页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二 1.3 流体流动的基本方程1.3.1 基本概念1.3.2 质量衡算方程-连续性方程 1.3.3 总能量衡算和机械能衡算方程 第11页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1 基本概念1稳定流动与不稳定流动 流体流动时，若任一点处的流速、压力、密度等与流动有关的流动参数都不随

6、时间而变化，就称这种流动为稳定流动。 反之，只要有一个流动参数随时间而变化，就属于不稳定流动。 第12页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1 基本概念2流速和流量流速 （平均流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。第13页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1 基本概念2流速和流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积， Vm3/s或m3/h。质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量， mkg/s或kg/h。 第14页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星

7、期二1.3.1 基本概念3粘性及牛顿粘性定律 当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为粘性。产生内摩擦力的根本原因是流体的粘性。 牛顿粘性定律 : 服从此定律的流体称为牛顿型流体。 第15页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1 基本概念3粘性及牛顿粘性定律 粘度的单位 : = Pas 在制中，的常用单位有dyns/cm2即泊（P），以及厘泊（cP），三者之间的换算关系如下： 1Pas=10P=1000cP 第16页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1基本概念4.非牛顿型流体 凡是剪应力与速度梯

8、度不符合牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿型流体。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度成曲线关系，或者成不过原点的直线关系，如图1-11所示。 第17页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1基本概念5.流动类型和雷诺数 第18页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1基本概念5.流动类型和雷诺数 实验研究发现，圆管内流型由层流向湍流的转变不仅与流速u有关，而且还与流体的密度、粘度 以及流动管道的直径d有关。将这些变量组合成一个数群du/，根据该数群数值的大小可以判断流动类型。这个数群称为雷诺准数，用符号Re表示，即 其因次为： = m0kg0s0 第19

9、页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.1 基本概念当Re2000时为层流；当Re4000时，圆管内已形成湍流；当Re在20004000范围内，流动处于一种过渡状态。若将雷诺数形式变为： u2与惯性力成正比，u/d与粘性力成正比，由此可见，雷诺准数的物理意义是惯性力与粘性力之比。第20页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.2 质量衡算方程-连续性方程 对于定态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：即对均质、不可压缩流体， 1=2=常数 有对圆管，A=d2/4，d为直径，于是 第21页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二

10、1.3.2 质量衡算方程-连续性方程 如果管道有分支，则稳定流动时总管中的质量流量应为各支管质量流量之和，故管内连续性方程为 推广至任意截面 第22页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.2 质量衡算方程-连续性方程例1-1一车间要求将20C水以110m3/h的流量送入某设备中，若选取平均流速为1.0m/s，试计算所需管子的尺寸。(流量Q=流速V 截面积S，即：110/3600=1R2，由此算出管子半径0.1m) 若在原水管上再接出一根 1594.5的支管，如图1-16所示， 以便将水流量的一半改送至另一 车间，求当总水流量不变时，此 支管内水流速度。55m3/h -1

11、6 图1 第23页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程 1.总能量衡算方程 衡算范围： 1-1、2-2截面以及管内壁所围成的空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0水平面 00第24页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程（1）内能 贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为U（J/kg）。（2）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg)第25页，共78页，2022年，5月20日，0点39

12、分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程（4）静压能静压能= lAV1kg的流体所具有的静压能为 (J/kg)（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。 第26页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程2.机械能衡算方程 （1）以单位质量流体为基准 并且实际流体流动时有能量损失。设1kg流体损失的能量为hf（J/kg），有： 式中各项单位为J/kg。 假设 流体不可压缩， 则 流动系统无热交换，则 流体温度不变， 则 第27页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程2.机械

13、能衡算方程 (2) 以单位重量流体为基准 将(1)式各项同除重力加速度g ,且令 we/g=he，wf/g=hf ，则可得到以单位重量流体为基准的机械能衡算方程： z称为位头，u2/2g称为动压头（速度头），p/g称为静压头（压力头），he称为外加压头，hf称为压头损失。 上式中各项均具有高度的量纲。第28页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程2.机械能衡算方程 （ 3）以单位体积流体为基准 将(1)式各项同乘以 : 式中各项单位为压力损失第29页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程关于

14、机械能衡算方程的讨论： （1）理想流体的柏努利方程 无粘性的即没有粘性摩擦损失的流体称为理想流体 。 （2）若流体静止，则u=0，we=0，wf=0，于是机械能衡算方程变为： 第30页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程关于机械能衡算方程的讨论： （3）若流动系统无外加轴功，即we=0，则机械能衡算方程变为： 由于wf0，故Et1 Et2。这表明，在无外加功的情况下，流体将自动从高（机械能）能位流向低（机械能）能位，据此可以判定流体的流向。 第31页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程关

15、于机械能衡算方程的讨论： （4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。第32页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程关于机械能衡算方程的讨论： 4）使用机械能衡算方程时，应注意以下几点：a作图 为了有助于正确解题，在计算前可先根据题意画出流程示意图。b控制面的选取 控制面之间的流体必须是连续不断的，有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直。所选的控制面已知条件应最多，并包含要求的未知数在内。通常选取系统进出口处截面作为流通截面。c基准水平面的选取 由

16、于等号两边都有位能，故基准水平面可以任意选取而不影响计算结果，但为了计算方便，一般可将基准面定在某一流通截面的中心上，这样，该流通截面的位能就为零。d压力 由于等号两边都有压力项，故可用绝压或表压，但等号两边必须统一。 第33页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程3.摩擦损失wf的计算 工程上的管路输送系统主要由两种部件组成：一是等径直管，二是弯头、三通、阀门等等各种管件和阀件: 第34页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程第35页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1

17、.3.3总能量衡算和机械能衡算方程蝶阀第36页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程3.摩擦损失wf的计算直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。第37页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程（1）直管摩擦损失计算通式 对圆形等径直管内的流动，如图1-29所示，根据机械能衡算方程可知长度l管段内的摩擦损失为：又范宁因子f的定义式f =2w /u2 ,摩擦因数 = 4f 直管阻力通式（范宁Fannin

18、g公式） 第38页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程（1）直管摩擦损失计算通式 1层流时的 前面已经推出,圆管内层流时（Re2000）摩擦因数为： 其中： 由此可见，层流时摩擦因数只是雷诺数Re的函数。 2湍流时的 湍流的计算主要依靠实验方法或用半理论半经验的方法建立经验关联式。第39页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程3.非圆管内的摩擦损失 当量直径： 套管环隙，内管的外径为d，外管的内径为D : 边长分别为a、b的矩形管 :第40页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，

19、星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程注意：（1）Re与hf中的直径用de计算；（2）层流时计算：正方形 C57套管环隙 C96 （3）流速用实际流通面积计算 。第41页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程(2)局部摩擦损失的计算 1局部摩擦损失的两种近似算法 a.当量长度法 此法近似地将流体湍流流过局部障碍物所产生的局部摩擦损失看作与某一长度为le的同直径的管道所产生的摩擦损失相当，此折合的管道长度le称为当量长度。于是，局部摩擦损失计算式为： le之值由实验确定. 第42页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3

20、.3总能量衡算和机械能衡算方程b.局部阻力系数法 此法近似认为局部摩擦损失是平均动能的某一个倍数，即 式中，是局部阻力系数，由实验测定。 第43页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程注意显然，采用当量长度法便于将直管摩擦损失与局部摩擦损失合起来计算。 (2)在管路系统中，直管摩擦损失与局部摩擦损失之和等于 总摩擦损失，对等径管，则(3)长距离输送时以直管摩擦损失为主，短程输送时则以局部摩擦损失为主。 (1)以上两种方法均为近似估算方法，而且两种计算方法 所得结果不会完全一致。但从工程角度看，两种方法均可。 第44页，共78页，2022年，5

21、月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程2突然扩大和突然缩小第45页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程（1）突然扩大 突然扩大时摩擦损失的计算式为： 故局部阻力系数 式中 A1、A2小管、大管的横截面积； u1小管中的平均流速。 第46页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.3.3总能量衡算和机械能衡算方程（2）突然缩小 突然缩小时的摩擦损失计算式为： 故局部阻力系数 式中 A1、A2小管、大管的横截面积； u1小管中的平均流速。 第47页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1

22、.3.3总能量衡算和机械能衡算方程例1-3 如图所示，将敞口高位槽中密度870kg/m3、粘度0.810-3Pas的溶液送入某一设备B中。设B中压力为10kPa（表压），输送管道为382.5无缝钢管，其直管段部分总长为10m，管路上有一个90标准弯头、一个球心阀（全开）。为使溶液能以4m3/h的流量流入设备中，问高位槽应高出设备多少米即z为多少米？ pa 1 1 pB z 2 2 B 图1-34 第48页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4 管路计算 1.4.1 简单管路 1.4.2 复杂管路1.4.3 管网简介1.4.4 可压缩流体的管路计算 第49页，共78页，20

23、22年，5月20日，0点39分，星期二1.4.1 简单管路一、特点 （1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。 (2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。V1,d1V3,d3V2,d2 不可压缩流体第50页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.1 简单管路二、管路计算基本方程：连续性方程柏努利方程 物性、一定时，需给定独立的9个参数，方可求解其它3个未知量。阻力()计算第51页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.1 简单管路（1）设计型计算 先选择适宜流速确定经济管径d 设计要求：规定输液量Vs与输送距离

24、l，确定经济管径d，计算出供液点提供的位能z1(或静压能p1)。 给定条件： （1）供液与需液点的距离，即管长l； （2）管道材料与管件的配置，即及 ； （3）需液点的位置z2及压力p2。计算方法：由输液量Vs 设计要求：规定输液量Vs与输送距离l，供液点提供的位能z1(或静压能p1)，确定经济管径d。试差法第52页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.1 简单管路（2）操作型计算 已知：管子d、l，管件和阀门 ，供液点z1、p1，所需液点的z2、p2，输送机械He； 求：流体的流速u及供液量VS。 已知：管子d、 l、管件和阀门 、流量Vs等； 求：供液点的位置z1

25、； 或供液点的压力p1； 或输送机械有效功He 。第53页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.1 简单管路 试差法计算流速的步骤：（1）根据柏努利方程列出试差等式；（2）试差：符合？可初设阻力平方区之值注意：若已知流动处于阻力平方区或层流，则无需 试差，可直接解析求解。第54页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.2 复杂管路 复杂管路指有分支的管路，包括并联管路（见图1-39a）、分支（或汇合）管路（见图1-39b）。第55页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.2 复杂管路1.并联管路 并联管路的特点是：(1)总管流

26、量等于并联各支管流量之和，对不可压缩流体，则有： (2)就单位质量流体而言，并联的各支管摩擦损失相等，即 第56页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.2 复杂管路并联管路的流量分配:将摩擦损失计算式带入 得： 将 代入得： 上式即并联管路的流量分配公式，具有如下特点：支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小； 反之 流量越大。第57页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.2 复杂管路2分支（或汇合）管路 这类管路的特点是：（1）总管流量等于各支管流量之和，对如图1-39(b)所示的不可压缩流体，则有 即 （2）对单位质量流体而言，无论分支（或汇

27、合）管路多么复杂，均可在分支点（或汇合点）处将其分为若干个简单管路，对每一段简单管路，仍然满足单位质量流体的机械能衡算方程，以ABC段为例，有： 第58页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.2 复杂管路例1-4 设计型问题 某一贮罐内贮有40C、密度为710kg/m3的某液体，液面维持恒定。现要求用泵将液体分别送到设备一及设备二中，有关部位的高度和压力见图1-40。送往设备一的最大流量为10800kg/h，送往设备二的最大流量为6400kg/h。已知1、2 间管段长l12=8m，管子尺寸为1084 mm；通向设备一的支管段长l23=50m， 管子尺寸为763mm；通向

28、设备二的支 管段长l24=40m，管子尺寸为763mm。 以上管长均包括了局部损失的当量长 度在内，且阀门均处在全开状态。流 体流动的摩擦因数均可取为0.038。 求所需 泵的有效功率Ne。 p3=5.0104Pa 3 p4=7.0104Pa 设4 备 37m p1=5.0104Pa 设 一 1 1 30m 备 2 二 5m 图1-40 第59页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.2 复杂管路例1-5操作型问题分析如图1-41所示为配有并联支路的管路输送系统，假设总管直径均相同，现将支路1上的阀门k1关小，则下列流动参数将如何变化？（1）总管流量V及支管1、2、3的流

29、量V1、V2、V3； （2）压力表读数pA、pB。 1 1 pA pB 1 k1 2 A 2 k2 B 2 3 k3 图1-41 第60页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.3 管网简介 管网是由简单管路组成的网络系统，其中包含并联、分支或汇合等管路组合形式。如图1-43所示是一简单的管网。 1 3 2 4图1-43 简单的管网第61页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.3 管网简介 管网的计算原则： （1）管网中任一单根管路都是简单管路，其计算与前述的简单管路计算遵循着同样的定律。（2）在管网的每一结点上，输入流量与输出流量相等。 （3）若

30、无外功输入，则在管网的每一个封闭的回路上压头损失的代数和等于零。 第62页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.4 可压缩流体的管路计算 1可压缩流体管路计算的一般式 对于图1-44所示的管道内均质、可压缩流体的稳定流动，任取一微元段，在该微元管段中，流体可视为不可压缩，上述机械能衡算方程仍然成立。 -可压缩流体的机械能衡算方程 第63页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.4 可压缩流体的管路计算（1）等温流动 等温流动时，温度T为常数，、Re=du/=Gd/基本不变，因而可视为常数。 又 带入一般式中整理得：-可压缩流体等温流动时的机械能衡算

31、方程 第64页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.4 可压缩流体的管路计算（2）绝热过程 代入一般式中得：气体在管道内流动时，由于压力降低、体积膨胀，温度往往要下降。若过程为绝热的，则由热力学知识可知，其压力（绝压）与比容的关系为： 式中 为绝热指数，且 。对于单原子气体=1.667；双原子气体=1.4；多原子气体=1.33。 第65页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.4.4 可压缩流体的管路计算（3）多变过程若气体流动时既不等温，又不绝热，则称此过程为多变过程。此过程中p=常数，为多变指数，其值介于1与 之间，取决于气体和环境的传热情况。 对多变过程，等温过程式仍可使用，只是应以 代替 ，即第66页，共78页，2022年，5月20日，0点39分，星期二1.5 流量的测量 1.5.1 孔板流量计 1.5.2