化工原理第三节动力学

①研究流体在什么条件下流动。③理论应用:确定流量,输送设备的有效功率,相对位置,

管路中的压强。②流动过程中流体物理量（u、P或E）的变化规律。任务:连续性方程:质量衡算柏努利方程:能量衡算§1.3流体动力学1

（1）

体积流量单位时间内流经管道任意截面的流体体积。

VS——m3/s或m3/h

（2）质量流量单位时间内流经管道任意截面的流体质量。

WS——kg/s或kg/h。

二者关系：1、流量一、流量与流速包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件22、流速（2）

质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。（1）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。

kg/（m2·s）流量与流速的关系：

m/s包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件3常用流体适宜流速范围：

水及一般液体1~3m/s粘度较大的液体0.5~1m/s低压气体8~15m/s压力较高的气体

15～25m/s内径为27mm的自来水管，其设计输水能力为0.3m3/h3m3/h300m3/h30m3/h4对于圆形管道：流量VS一般由生产任务决定。流速选择：3、管径的估算

uu适宜费用总费用设备费操作费↑→d↓→设备费用↓

流动阻力↑→动力消耗↑→操作费↑均衡考虑包头钢铁职业技术学院化工原理电子课件5二、粘性——牛顿粘性定律运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力——流体阻力产生的依据(动画1)6流体的粘度①物理意义：衡量流体粘性大小的一个物理量促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来②物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。μ＝0，流体无粘性理想流体:不可压缩的无粘性流体7③粘度的单位

P（泊）或cP（厘泊）换算关系:8属物性之一，④获取方法由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。⑤运动粘度[m2/s]牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。

⑥流体类型[cm2/s]——斯9三、流体定常流动过程的物料衡算——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：

推广至任意截面

112210不可压缩性流体，圆形管道：即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比。——上式均为连续性方程11四、定态流动系统的能量守恒——柏努利方程

1、理想流体定常流动时的机械能衡算p2,u2,r2p1,u1,r12’'21’10'0z2z1（1）流体流动具有的机械能形式12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a位能：流体受重力作用在不同高度所具有的能量。质量为m流体的位能

单位质量流体的位能

13

流体以一定的流速流动而具有的能量。

b

动能：质量为m，流速为u的流体所具有的动能

单位质量流体所具有的动能

c压强能（流动功）

通过某截面的流体具有的用于克服压力功的能量14静压能=1kg的流体所具有的静压能为

(J/kg)lAV15理想流体流动时：＝0的流体动能J/kg位能J/kg静压能J/kg（2）理想流体的机械能衡算—理想流体的柏努利方程式1kg流体带入1-1’截面的机械能总和为

1kg流体带入2-2’截面的机械能总和为p2,u2,r2p1,u1,r12’'21’10'0z2z116流体入流体出z1z21122实际流体流动时：w------机械能衡算方程（柏努利方程）有效功J/kg摩擦损失J/kg永远为正2、实际流体定常流动时的机械能衡算外功(有效功)：1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We(J/kg)。摩擦损失：设1kg流体损失的能量为ΣWf（J/kg）实际流体：按机械能守恒，有：机械能的输入=机械能的输出+机械能损失17任意两截面间的机械能衡算式为——均为扩展了的柏努利方程J/kgb以单位重量流体为基准a以单位质量流体为基准

c以单位体积流体为基准

183.柏努利方程的讨论

（1）若流体处于静止，u=0，ΣWf=0，We=0，则柏努利方程变为

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。（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即19

We、ΣWf

——在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。（3）zg、、——某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能；有效功率：轴功率：20（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ρ应以两截面的平均密度ρm代替。214．柏努利方程的应用

管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：22b.两截面间流体连续，封闭（除进、出口处除外）注意:（1）运用柏努利方程解题步骤:①作图:根据题意画出流动系统示意图，标明流动方向确定衡算范围②选择流体进、出系统的截面a.截面须与流体流动方向垂直c.所求未知量应在截面上或在两截面之间,且截面上的P,u,Z等有关物理量,除所求取的未知量外,都应该是已知或可通过其他关系计算出.d.两截面上P,u,Z的与两截面间的∑hf都应相互对应一致23③选取基准水平面。注意:1.水平面与地面平行2.尽可能选已使问题简化的水平面为计算基准水平管:选管中心线地面容器液面④计量单位要求一致。推荐采用SI制，使结果简化。⑤关于阻力讨论的问题,后面详述24在φ45×3mm的管路上装一文丘里管，文丘里管上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水视为理想流体，试判断池中水能否被吸入管中？25分析：判断流向比较总势能求P？柏努利方程

解：在管路上选1-1’和2-2’截面，并取3-3’截面为基准水平面设支管中水为静止状态。在1-1’截面和2-2’截面间列柏努利方程：26式中：27∴2-2’截面的总势能为

3-3’截面的总势能为

∴3-3’截面的总势能大于2-2’截面的总势能，水能被吸入管路中。28思考（1）若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？（2）70页p1p2z2RAA’z1

32页（动画2）静动结合题（动画3）29用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33×103Pa，蒸发器上部的蒸发室内操作压强为26670Pa（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内液面15m，进料量为20m3/h，溶液流经全部管路的能量损失为120J/kg，求泵的有效功率。管路直径为60mm。30解：取贮槽液面为1―1截面，管路出口内侧为

2―2截面，并以1―1截面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程。

式中Z1=0Z2=15mp1=0（表压）p2=－26670Pa（表压）

u1=0

=120J/kg31将上述各项数值代入，则

泵的有效功率Ne为：

Ne=We·ws式中

Ne=246.9×6.67=1647W=1.65kW32实际上泵所作的功并不是全部有效的，故要考虑泵的效率η，实际上泵所消耗的功率（称轴功率）N为

设本题泵的效率为0.65，则泵的轴功率为：

33轴功的计算

已知管道尺寸为1144mm，流量为85m3/h，水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg（不包括出口阻力损失），喷头处压力较塔内压力高20kPa，水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。求泵的有效轴功率。气体气体1m1m5m0.2m114433废水池洗涤塔泵2234气体气体1m1m5m114433废水池洗涤塔泵220.2m35流向判断

喉径内径与水管内径之比为0.8。若忽略水在管中流动时的能量损失，试判断垂直小管中水的流向。36解：假设垂直小管中流体静止1-1和4-4间1-1和2-2间37小管中的水自下而上流动。Et2<Et3

思考：小管多长时，水静止不动？38小管中的水自上而下流动思考：若将垂直小管改为弯头小管，弯头迎着来流方向，如图所示，试判断此时弯头小管中水的流向。Et2>Et339思考题：某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为φ108×4mm的钢管，管中的流速为1.2m/s，出口管为φ76×3mm的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。4020m1.5m41五、实际流体的基本流动现象

1、流体的流动类型（1）雷诺实验(动画4)42雷诺实验装置示意图溢流恒液面贮水槽高位贮液槽a.清晰的细直线b.较清晰的波浪线c.染色细流与水流混合观察液体流动状态调节阀门针形细管43实验现象不难看出b状态是a,c状态的过渡阶段玻璃管内染色线的变化情况44

通过雷诺实验,可以发现液体在流动中存在两种内部结构完全不同的流态：层流和湍流。层流和湍流的特点？45（2）两种流动类型层流（LaminarFlow）湍流（TurbulentFlow）(动画5)46层流（LaminarFlow）

当流速较小时，流体质点(微团)沿管轴线方向作直线运动，与周围流体间无宏观的混合。这种型态的流动叫层流。47湍流（TurbulentFlow）

当流速较大时，流体内部充满大小不一的，在不断运动变化着的漩涡，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做湍流。48过渡流（Transitionalflow）是层流与湍流之间的过渡阶段即可能是层流,也可能是湍流与外界条件有关。49

在雷诺实验中，改变的只有流速这一物理量，流体的流动状态还与哪些物理量有关？如何判断流体的流动类型？50（3）雷诺准数实验发现，影响流体流动类型的(四个)因素有：流体的流速:u管内径:d

流体的密度:ρ

流体的粘度:μ51雷诺将这四个物理量组成一个数群：雷诺准数：雷诺数的量纲：可见，Re是一个无量纲数群(或称无因次数)。52通过实验发现，对于圆管内的流动：流动总是层流流动一般为湍流流动为过渡流,即可能是层流,也可能是湍流所以，Re是流体流动类型的判别准则53流体在管道截面上的速度分布规律因流型而异（1）层流时的速度分布理论分析和实验