流体流动概述

关于流体流动概述12教学目的：重点难点：课型：教学方法：1.3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产中的应用。连续性方程和柏努利方程及其应用理论知识课谈话、讲述第2页,共36页，2024年2月25日，星期天3流体静力学基本方程根据用液柱表示压强的方法，p=hg，则在静止液面下面深度h处的压强为：（流体静力学方程）描述静止流体内部压强的变化规律第3页,共36页，2024年2月25日，星期天4定态流动(steadystate):流体流动的系统中，任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但进水溢流u=uNOTE：连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。恒位槽不随时间而改变。空白空白1.3.1流体体系的分类一、定态与非定态流动第4页,共36页，2024年2月25日，星期天5非定态流动(non-steadystate):=f(t)流动过程中任一截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压强等）随时间而改变。NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变化，在求算时用微分式子表达，用积分法求解。u第5页,共36页，2024年2月25日，星期天6若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此流动为一维流动；依赖于两个曲线坐标称为二维流动；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动。应予指出,过程工业中的流体输送因多在封闭管道内进行，故其流动以一维居多。二、一维与多维流动第6页,共36页，2024年2月25日，星期天7绕流流动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、填充床内的流动等。封闭管道内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。三、绕流与封闭管道内的流动第7页,共36页，2024年2月25日，星期天8体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，称为体积流量，qV,s流量(flow,flux)体积流量(volumeflowrate)质量流量(massflowrate)质量流量：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，qm,s（m3•s-1）。（kg•s-1）。qm,s=

qV,s•

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，称为摩尔流量，qn(mol.s-1)

摩尔流量(molarflowrate)1.3.2流量与平均流速第8页,共36页，2024年2月25日，星期天9流速(velocityofflow)※点速度(spotspeed)：单位时间内流体质点在流动方向上通过的距离，uz（m•S-1）※平均流速(averageflowrate)：u=qV,s/A（m•s-1）=4qV/d2※质量流速:单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，kg.s-1.m-2第9页,共36页，2024年2月25日，星期天10管径的计算∴qV,s是由生产任务决定的ud材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化：两者之和最小壁厚外径附录十七附录十八管径的选择管子规格第10页,共36页，2024年2月25日，星期天111.3.3流体流动的型态与雷诺数一、雷诺实验

1883年,英国物理学家OsboneReynolds作了如下实验。溢流示踪剂恒位槽阀门第11页,共36页，2024年2月25日，星期天12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)湍流第12页,共36页，2024年2月25日，星期天13湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动；特征：流体质点的脉动。层流：*流体质点做直线运动；*流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；*流动阻力来源于层间粘性摩擦力。

过渡流：不是独立流型（层流+湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。第13页,共36页，2024年2月25日，星期天14二、雷诺数①影响状态的因素：Re是量纲为一数群

②圆形直管中

Re≤2000稳定的层流

Re≥4000稳定的湍流2000＜Re＜4000不稳定的过渡流第14页,共36页，2024年2月25日，星期天15（1-26）式中Lp—流道的润湿周边长度，m；

A—流道的截面积，m2。三、当量直径的概念当量直径水力半径第15页,共36页，2024年2月25日，星期天161.4流体流动的基本方程控制体：

在流场中任意划定一个封闭空间作为研究对象,称这个空间为控制体。s1s2s3u1u2u3控制体第16页,共36页，2024年2月25日，星期天17

1.4.1总质量衡算——连续性方程衡算原则：质量守恒原理输入质量流量-输出质量流量=质量积累速率截面1截面2定态流动时，输入质量流率=输出质量流率qm,1=qm,2

（连续性方程）第17页,共36页，2024年2月25日，星期天18分支管路：总管中的质量流量为各支管质量流量之和。qm,s=qV,s·

=u·A·

A1·u1·

1

=A2·u2·

2对不可压缩性流体：

1

=

2总管支管1支管2（园管）第18页,共36页，2024年2月25日，星期天191.4.2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-流体输送机械第19页,共36页，2024年2月25日，星期天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第20页,共36页，2024年2月25日，星期天21流体流动时所具有的能量：1/2qm•u2qmgZ位能(potentialenergy):(J/s)动能(energyofmotion):(J/s)内能(internalenergy):(J/s)qmU压力能(staticenergy):(J/s)第21页,共36页，2024年2月25日，星期天22质量为m、体积为qV1的流体，通过截面1所需的作用力F1=P1A1，流体推入管内所走的距离qV1/A1，故与此功相当的压力能

压力能=压力能(staticenergy):[J/s]1第22页,共36页，2024年2月25日，星期天23根据能量守恒定律，可得上式经整理，可得一、流动系统的总能量衡算方程定态流动过程的总能量衡算方程(J/s)(J/kg)第23页,共36页，2024年2月25日，星期天241.机械能的转换与损失式1-33中所包括的能量机械能动能位能压力能（流动功）外功内能和热第24页,共36页，2024年2月25日，星期天25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。二、流动系统的机械能衡算方程理想流体流动时，若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。第25页,共36页，2024年2月25日，星期天26对于理想流体的流动，又无外功加入或二、流动系统的机械能衡算方程伯努利(Bernoulli)方程适用条件：不可压缩理想流体(J/kg)第26页,共36页，2024年2月25日，星期天27对于实际不可压缩流体，ρ为常数或二、流动系统的机械能衡算方程工程伯努利(Bernoulli)方程适用条件：不可压缩流体(J/kg)第27页,共36页，2024年2月25日，星期天28三、对伯努利方程的讨论 式1-38表明，理想流体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。1.(1-38a)能量转换06第28页,共36页，2024年2月25日，星期天29三、对伯努利方程的讨论 2.伯努利方程的其他形式：将各项均除以重力加速度g

令(m)位头速度头动压头压力头压头损失外加压头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压头(head)。第29页,共36页，2024年2月25日，星期天30三、对伯努利方程的讨论 3.有效功率Pe(J/s)：输送机械在单位时间内所作的有效功称为有效功率，用下式计算

(1-39)第30页,共36页，2024年2月25日，星期天311.4.3机械能衡算方程的应用Bernoulli方程在工程上用以计算流体的流速或流量、流体输送所需的压头和功率以及有关流体流动方面的问题。1、作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；2、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；

截面选取必须具备的条件：与流体流动方向垂直；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3、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。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。4、单位要一致：统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。NOTE：第31页,共36页，2024年2月25日，星期天32习题

流体输送设备所需功率的计算习题用泵将碱液槽中的碱液抽往吸收塔顶，经喷头喷出作吸收剂用。泵的汲入管为21/2“，压出管为2“。碱液在喷头口前的静压强按压力指示表为0.3kgf•cm-2(表压)，密度为1100kg•m-3。输送系统中压头损失为3米碱液柱计划送液量为25t•h-1。若泵的效率为55%，试求泵所需的功率。1.5m16m解：HfHe？12基准面u1=0m•s-1；u2=qv/A2=qm/A2•

P1=0Pa(表压)；P2=0.3kgf•cm-2=3gkPa(表压)输送所需理论功率（J•S-1）：Pe=He

•g•qm实际需功率：Pa=Pe/

第32页,共36页，2024年2月25日，星期天33例2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，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为φ45×2.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？？