化工原理课件1流体

1、第一章流体流动9/18/20221 （1）流体静力学基本方程式及其应用； （2）管内流动的连续性方程、机械能衡算方程的物理意义、适用条件及其应用； （3）管路系统的摩擦阻力、局部阻力和总阻力的计算方法。 第一章 流体流动本章应重点掌握的内容9/18/202221.1 流体的重要性质物质三态：固态、液态和气态 固体、液体和气体固体和流体流体：无定形、易于流动 液体：不可压缩流体（*本课程不再强调） 气体：可压缩流体 固体：有一定形状、不易变形 流体的共性 流动性气体和液体统称为流体描述流体性质及其运动规律的物理量有：压力、密度、组成、速度等。9/18/20223 把流体当作是由密集质点构成的、内

2、部无空隙的连续体来研究，则流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数。可利用数学工具质点：含有大量分子的流体微团，其尺寸宏观上 远小于设备尺寸但分子数量足够多、微观 上远大于分子平均自由程（ 3.310-7cm) 。 1.1.1 连续介质假定注：本课程所指流体均符合此假定，特别强调的除外9/18/202241.1.2 流体的密度（kg/m3）和比容（m3/kg）混合气体的密度常温、常压下一般气体均可按理想气体处理：式中： 气体的密度，kg/m3 p 气体的绝对压力，kPa Mm 气体的摩尔质量，g/mol R 摩尔气体常数，其值为：8.314 J/molK T 热力学温度，K定义：流体空间某点上

3、单 位体积流体的质量9/18/20225混合气体的平均摩尔质量式中： Mm 混合气体的平均摩尔质量，g/mol yn 气体混合物中各组分的摩尔分数混合液体的密度m （忽略混合前后体积变化）式中： wi 混合物中各纯组分的质量分数 i 混合物中各纯组分的密度，kg/m39/18/20226注意：上述公式中每个参数的物理意义、单位及使用条件v1式中：v 流体的比容，m3/kg 流体的密度，kg/m3流体的比容（比体积）v定义：单位质量流体的体积9/18/202271.1.3 流体的粘性 （p11 )1.1.3 流体的粘性 （p11 ) 一、粘性 ：是流体的固有的物理性质 流动性 粘 性 抵抗流动的

4、特性 流体在圆管内分层流动示意图9/18/20228流体的粘性- 图示uyu +duudyy上层对下层有牵引力下层对上层有阻滞力速度梯度速度分布这对力称为内摩擦力。流体流动时产生内摩擦力，此特性又称为 粘性9/18/20229二、粘度 衡量流体粘性大小的物理量 速度梯度： 由实验知：du / dy s-1牛顿粘性定律 (p11)式中： F 内摩擦力，N A 两流体层间的接触面积，m2式中： 剪应力（切向应力），N / m2 粘度，动量传导系数， Ns / m2 = Pas （动力粘度）9/18/202210粘度的物理意义 粘度的物理意义： 当 du/dy = 1 时， = 说明在相同的流动条件

5、下，流体的粘度越大,内摩擦力也就越大，需要克服的阻力越大。 理想流体： = 0 的流体（自然界中并不存在） 粘性流体： 0 的流体（自然界中普遍存在） (实际流体)9/18/202211牛顿型流体与非牛顿流体 凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体（如水、空气等）； 凡不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。K m注意：非牛顿流体 了解内容，同学们自学。非牛顿流体9/18/202212粘度的单位SI 制温度、压力对粘度的影响压力对粘度的影响可忽略不计（极高压力除外）；温度对粘度的影响很大 液体：温度，m；气体：温度, m 。运动粘度，动量扩散系数:习惯使用单位：1 P = 1dyns / c

6、m2 = 0.1 Ns / m2 =100 cP（泊）（厘泊）9/18/2022131.2.1 流体的受力一、体积力（场力、质量力） 非接触作用力，施加在每个质点上的力 （重力场、离心力场、电场、磁场）特征：不需要接触； 受力大小与质点质量成正比。 1.2 流体静力学 （p13） 本课程只涉及地球引力（重力）。9/18/202214二、表面力特征：必须直接接触。 二、表面力 定义：通过直接接触，施加在接触表面的力(法向应力)正应力 p 垂直作用于流体单位表面积的 力，习惯上称为压强，也称 压力，N/m2 = Pa 切应力 平行作用于单位表面积的力， 习惯上称为剪应力， N/m2=Pa 表面力9

7、/18/2022151.2.2 静止流体的压力特性（p14)一、压力（压强）定义： 压力的基本特性 1. 为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中 的传播2. 其方向与作用面相垂直，并指向作用面 3. 静止流体中的压力称为静压力 4. 在流体空间的任一点处，静压力数值相等地作用于 各个方向9/18/202216二、压力单位二、压力单位 1at = 9.807104 N/ m2 = 735.6 mmHg = 10.00 mH2O = 0.100 MPa = 1.000 kgf / cm21atm = 1.013105 N / m2 = 760 mmHg = 10.33 m H2O物理大气压

8、工程大气压 9/18/202217三、压力的习惯表述：大气压表压绝对压力压力绝对压力真空度0绝 对 零 压 线绝对压力：流体的真实压力测压表上的读数（真实压力 大气压时）绝对压力 = 大气压 + 表压（真实压力 r）（r0 r）（r0 r）01 02 液柱压差计9/18/202223普通 U 型管压差计p0 p0 0 p1 p2 R a b 要求： 指示剂密度r 0 被测流体密度r ； 指示剂不与被测流体发生化学反应，并不互溶。 由指示液高度差 R 计算压差。 若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，上式可简化为 uH pa = p1 + r g (H + R) pb = p2 + r g

9、 H + r0 g R pa = pb9/18/202224倒置 U 型管压差计 用于测量液体的压差，指示剂密度 r0 小于被测液体密度 r ， 由指示液高度差 R 计算压差。若 0Hu p1 = pa+ r g ( R + H ) p2= pb + r0 g R+ r g H pa = pb9/18/202225【例 1-2】要控制乙炔发生炉内压力不超过 80 mmHg (表压)，需在炉外设置安全液封，求液封管插入水中高度 h = ?二、液封高度的计算p p h=? 解：选等压面，在图上取1、2两点，则有 p1=p2。12p1=炉内压力= p= p0 +(80/760) 101.33= p0

10、 +10666 Pap2= p0 +r水gh ; p1= p2p0 +10666 = p0 +r水gh r水gh = 106669/18/2022261.3 流体流动概述 (p20) 1.3.1 流动体系的分类一、定态与非定态流动（稳态与非稳态流动） 定态流动流动参数不随时间变化，如：T = f ( x, y, z ) 非定态流动流动参数随时间变化，如：T = f (x, y, z,) 二、一维流动与多维流动根据流速及相关物理参数随空间坐标变化的特征来区分。化工类工业上一维流动居多：基本上都在封闭管道内流动。三、绕流与封闭管道内的流动绕流：颗粒沉降、在填充床内流动等；其它均为封闭管道内的流动。

11、9/18/202227稳态流动非稳态流动稳态与非稳态流动示意动画9/18/202228绕流示意动画9/18/202229 1.3.2 流量与平均流速（p21)一、流量体积流量 qV : m3 / s ，m3 / h 单位时间内流经管道任一截面的流体体积。质量流量 qm ： kg / s ，kg / h 单位时间内流经管道任一截面的流体质量。二、流速 u ：单位时间内流体流过的距离， m / s点速 ：urdurrumaxu平均流速 u :单位时间单位面积上所流过的流体体积量。 9/18/202230三、质量平均流速 G四、 qV、qm、u、G、A 之间的关系五、管径 d 单位时间单位面积上所流

12、过的流体质量，kg/m2.s。 对于圆管 9/18/202231注意：管径的表示方法 594.5 mm 管内径 d = 59 - 24.5 = 50 mm5950壁厚外径9/18/2022321.3.3 流体流动类型（层流及湍流）及雷诺数 一、雷诺实验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验DBAC墨水流线玻璃管雷诺实验9/18/202233二、雷诺实验现象两种稳定的流动状态：层流、湍流。用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流9/18/202234层 流：流体的质点平行于管道中心方向作有规则的 运动，不产生宏观混合。 过渡流：时而层流时而湍流

13、，不稳定。湍 流：流体的质点作不规则的紊乱运动。管 径 d流体性质 、 平均流速 u组成一个无因次数群（无单位）Re，称为雷诺准数 Reynolds number 。 三、 雷诺数9/18/202235 雷诺数 Re 的定义及意义： u ：单位时间流过单位截面积的流体的质量， kg/(m2s)u /d ：流体内部速度梯度， 1/s单位时间流过单位截面积的流体的动量，与单位截面积 上的惯性力成正比 = 单位面积上流体的内摩擦力9/18/202236圆形直管内流动类型的判别 Re 是无因次数，因此 d，u，r。m 必须用同一单位制 层 流: Re 2000 过渡流: 2000 Re 4000 三、

14、当量直径的概念 对非圆形管中的特征尺寸可用当量直径代替圆形管直径 d0 ： de= 4 rH ； rH = A / LP式中： rH水力半径， m； A流道的截面积，m2； LP流道的润湿周边长度， m。9/18/202237 当流体在管内作层流流动时，无径向脉动速度，流体内部动量、热量和质量在径向上的传递依赖于分子扩散。因此层流时只有在流体层兼作随机运动的分子间的动量交换所产生的内摩擦力 湍流流体内部动量、热量和质量在径向上的传递除了分子扩散还有宏观涡流扩散两部分产生。 与层流相区别，流体微团的湍动与混合是湍流的主要特征。 层流与湍流流动结构截然不同，但可共存于同一流动体系、尤其是固体壁面附

15、近。例如雷诺实验中，即使管中心部位的流体已经处于充分的湍动混合，管壁上的一层流体却被管壁所粘附而处于静止。受其牵制，管壁附近总有一层流体处于层流状态，称之为层流底层。湍流与层流区别与联系9/18/202238层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内(底)层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流边界层及层流内(底)层 应用意义: （1）测定管内流体流速时，测定位置应在流动进口段 之后；（2）无论流体的湍动程度如何，始终存在滞流内层。9/18/202239 1.4.1 总质量衡算连续性方程 (p25) 对于稳定流动体系，无

16、生成、无积累、无泄漏、无加入 连续性方程： 流过任一截面的 质量流量相等。 qm1= r1 qV1= qm2 = r2 qV2系统输出输入稳定过程积累0输入输出1.4 流体流动的基本方程9/18/202240对于液体：r1 = r2 = r 连续性方程 qm= r1 qV1= r2 qV2qV1= A1u1= qV2 = A2 u2（p26） A1 = （4）d12 A2 = （4）d22 9/18/2022411.4.2 总能量衡算方程 （p27）z2z122z2, u2 , p2 11z1, u1 , p1换热器，Q0 J/kg泵，We J/kg 首先做流体流动的总能量衡算。右图为一个连续

17、稳定的流动系统。 以1 kg 流体，对进出系统的能量做衡算。 一、流动系统的总能量衡算方程9/18/202242z2z122z2, u2 , p2 11z1, u1 , p1换热器，Q0 J/kg泵，We J/kg 内能（internal energy) U1 J/kg 位能（potential energy) z1g J/kg mm/s2 = kgm2 /s2kg = Nm/kg 动能（kinetic energy)： u12 /2 m2/s2 = J/kg 压力能（静压能）： p1v1 (N/m2)(m3/kg) = J/kg对于 1 kg 流体，进入系统的能量为： 9/18/202243

18、外界加入的能量： 换热器：1kg 流体获得能量 Q0 J/kg 泵: 1kg 流体获得能量We J/kg1kg流体：流入总能量 = 流出总能量,则有： We + Q0 + gz1 + u12 /2 + p1v1 + U1 = gz2 + u22 /2+ p2v2 + U2z2z122z2, u2 , p2 11z1, u1 , p1换热器，Q0 J/kg泵，We J/kg1kg流体流入1-1截面带入能量： gz1 + u12 /2 + p1v1 + U11kg流体流出2-2截面带出能量： gz2 + u22 /2+ p2v2 + U29/18/202244单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式

19、。意义：两截面间流体的各项能量的变化量的代数和 等于外界加入的能量。形式：流动系统的热力学第一定律表达式。 1kg 流体：流入总能量 = 流出总能量 ，则有： We + Q0 + gz1 + u12/2 + p1v1 + U1 = gz2 + u22/2 + p2v2 + U29/18/202245 二、 流动系统的机械能衡算方程：功或可转换为功的能量机械能与热量有关的能量1kg 流体克服流动阻力而消耗的机械能 ：hf ，J/kg 流体接受总热量：Q = Q0 + hfQ0 = Q - hf流动阻力损失对不可压缩流体连续稳定流动系统，经数学变换可得：9/18/202246 不可压缩流体连续稳定

20、流动系统的机械能衡算方程:如果We = 0，hf = 0 ( 理想流体）伯努利方程:广义的伯努利方程:令则9/18/202247式中： 压力降机械能衡算方程（广义的伯努利方程）3 种表达形式及意义机械能损失位能静压能动能有效功压力头损失 位头压力头动压头有效压头（速度头）9/18/202248三、对伯努利方程的讨论非常重要的方程贯穿于流体流动及输送全过程1、式中各项的单位和意义： 单位： J / kg 意义：单位质量流体所具有的能量或功9/18/202249（1）位能 gz 以 0 - 0 面为基准：Dz = z2 - z1标高基准面一定是水平面；水平管以管道中心水平面为基准；取较低面为基准。

21、1122z2 z1z2 00u以 0 0 面为基准：Dz = z2- 0 9/18/202250 （2）压力能 p / ： p1、p2 的基准要相同 已知 p2 = 4 kPa（表）则以大气压为基准有： p1 = 0 （表） p2 = 4 kPa（表） Dp = 4 kPa敞口贮液槽吸收塔1122 以绝对零压为基准有： p1=101.3 kPa p2= (101.3 + 4) kPa Dp = 4 kPa9/18/202251（3）动能 Du2 / 2 : Du2 = u22 - u12 (u2-u1 )2（4）机械能损失（流动阻力损失） hf ： 流体在两个截面之间消耗的能量，始终为正值 （

22、5）有效功率 Pe ：流体真正得到的能量 有效功率 Pe = qmWe ， kg/s J/kg = J/s = W 轴功率 P = Pe / h ， W输送机械的效率（泵、风机）9/18/2022522、两截面上的机械能守恒： 若 We = 0, hf = 0, 则有 静压能与位能之间的转换 以 1-1 截面为基准：1-1： z1= 0, p1 , u12-2: z2 , p2 , u2 = u1 p1/r = z2g +p2/r （ p1 - p2）/ r = z2g 0 2211说明 1-1 截面上的静压能部分转换为 2-2 截面上的位能9/18/202253 静压能与动能之间的转换z2z

23、12211d2d10000u 以 0 - 0 截面为基准： 1-1： z1, p1 , u1 2-2： z2 = z1, p2 , u2 u1 p1/r + u12/ 2 = p2/r + u22/ 2 （ p1 - p2）/ r = ( u22 - u12 ） / 2说明 1-1 截面上的静压能部分转换为 2-2 截面上的动能 9/18/202254 位能与动能之间的转换22z211z1说明 1-1 截面上的位能部分转换为 2-2 截面上的动能 以 0-0 截面为基准：1-1： z1, p1 = p0 , u102-2: z2, p2 = p0 , u2 z1g = z2g + u22/2

24、（ z1 - z2）g = u22/2 9/18/2022553、流体静力学基本方程 （p15) z op0 1 2 H z2 z1 h 若 We = 0, u = 0, 自然hf = 0, z1g + p1/r = z2g + p2/r p2 = p1 +（z1 - z2）r g = p1 + hr g将上表面移至液面，则p2 = p0+hrg流体静力学基本方程 伯努利方程之特例9/18/202256 注意伯努利方程的适用条件； 重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体。 对可压缩流体，若开始和终了的压力变化不超过 20%，密度取平均压力下的数值，也可应用。流体静止， 关于伯努利方程小结： 注意

25、式中各项的意义及单位； 三种形式机械能（位能、静压能和动能）的相互转换和守恒； 伯努利 方程与静力学方程关系；9/18/202257伯努利方程演示动画9/18/202258 1.5 机械能衡算方程的应用流体输送管路计算连续性方程 伯努利方程 体积平均流速 流体输送机械的有效功率轴功率1.5.1 基本方程：不可压缩流体对于可压缩流体，当（p1 - p2）/ p1 4000局部阻力损失9/18/202276 H = ( 1.512 / 2 + 16.97 - 0.688 H) / 9.81 H = 18.11 / 10.5 = 1.73 m管进口突然缩小 z 1 = 0.5球心阀（全开） z 2 = 6.490的标准弯头 z 3-5 = 0.75局部阻力系数9/18/2022771.6 流体输送管路计算 (p56) 简单管路：无分支等径管路变径管路等径直管：qm , qV = 0.785 d2u hf =l (L/d)(u2/2)变径管路: qm1 = qm2 = qm3 = qm u不可压缩流体： qV1 = qV2 = qV3 = qV u1d12 = u2d22 = u3d32 hf = l1(L1/d1)(u12/2) + l2(L2/d2)(u22/2