化工原理 PPT 1 流体流动

1、1,第一章 流体流动,2,本章要求： 正确理解流体流动过程中的基本原理及流体在管内的流动规律； 正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念； 重点掌握流体静力学基本方程式、连续性方程式及柏努利方程式及其应用； 熟练掌握流体流动阻力的计算、简单管路的设计型和操作型计算； 了解测速管、文丘里流量计、孔板流量计和转子流量计的工作原理和基本计算。,3,1. 研究流体流动问题的重要性,流体流动是最普遍的化工单元操作之一；,流体是气体与液体的总称。,研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,概述,4,化工厂原貌,5,化工厂原貌,6,1. 研究流体流动问题的重要性,流体流动是最普遍的化工单元操作之一

2、；,流体是气体与液体的总称。,研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,概述,7,2. 流体的特征,流动性 无固定形状 受外力作用时内部发生相对运动,概述,8,3.流体的分类,可压缩性流体 不可压缩性流体,液体可视为不可压缩流体 气体在压力变化较小时视为不可压缩流体,概述,9,概述,4.连续介质假定,随机波动,确定的极限值,10, V0 为质点特征体积，即此微元体积中的所有流体分子的集合称为质点。,注意：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。,概述,4.连续介质假定,流体的连续介质模型：流体是由连

3、续分布的流体质点所组成，流体微团连续布满整个流体空间，从而流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数。,11,1.1 流体的物理性质 （ P10 ）,1.1.1 流体密度,1.1.2 流体的粘度,1.1.3 非牛顿型流体简介（自学）,12,一、定义,kg/m3,二、液体的密度,1.1.1 密度（ p11 ）,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,1.1 流体的物理性质,13,混合液体的密度:,设定混合液体的体积= 分体积之和, 即:,液体的密度:,以 1 kg混合液体为基准，有,14,一、定义,kg/m3,二、液体的密度,1.1.1 密度（ p11 ）,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,三、

4、气体的密度,1.1 流体静力学,15,气体密度：,一般可当成理想气体处理:,混合气体密度:,(质量守恒),16,一、定义,kg/m3,二、液体的密度,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,三、气体的密度,四、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m3/kg,1.1.1 密度（ p11 ）,1.1 流体静力学,17,1.1 流体的物理性质（ P10 ）,1.1.1 流体密度,1.1.2 流体的粘度,18,流体所具有的抵抗相邻流体层相对运动的性质称为流体的粘性。 粘性是流体固有的物理性质。 流体在运动时，任意相邻两层流体有相互抵抗力, 这种相互抵抗的作用力称为内摩擦力（粘滞力，粘性摩擦力）

5、,牛顿粘性定律（p12）：,19,2、流体流动的内摩擦力是流动阻力产生的依据。,1、流体在流动时有一定的速度分布,粘滞力所产生的后果,理想流体在管内的速度分布,粘性流体在管内的速度分布,20,牛顿粘性定律（p12）：,21,牛顿粘性定律（p12）：,牛顿粘性定律,粘度（粘滞系数，动力粘度） 内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力，（N/m2或Pa），方向：平行于作用面,凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 ( 如水、空气等), 否则为非牛顿型流体。,22,粘度是流体的重要物理性质之一, 它是流体组成和状态 ( 压力、温度) 的函数。,一般而言:,气体:,液体:,物理意义：促使流体流动产生

6、单位速度梯度的剪应力,流体的粘度,23,的单位:,SI制:,工程制: 泊 (P); 厘泊 (cP 或 mPa.s),关系:,运动粘度:,常用流体的粘度可以查表求得，见p341表14和p344表15,24,常压气体混合物粘度, 可采用右式计算,非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算,混合物粘度的估算:,理想流体与粘性流体,具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体,的流体称为理想流体,25,高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。,非牛顿流体的粘度 不再为一常数，而与 dux/ dy 有关,牛顿型流体：

7、服从牛顿粘性定律的流体，所有气体和大多数液体属于牛顿型流体。,1.1.3 非牛顿流体(p14 ),26,牛顿流体与非牛顿流体,27,1.2 流体静力学基本方程式,1.2 .1 静止流体的压力,28,压力单位:,1.2.1 静止流体的压力 ( 工程上习惯将压强称为压力),29,kPa,1 kPa=1000 Pa,工程制:,标准大气压 (atm) ，工程压力 (kgf/cm2), 某流体柱高度等。,1 atm=101.325 kPa=101325 N/m2=760 mmHg =1.033 kgf/cm2=10.33 mH2O,1 mmHg=133.32 Pa 1at（工程大气压） =1 kgf/c

8、m2=9.807 104 Pa,压力P的单位:,30,真空度与表压,压力单位:,1.2.1 静止流体的压力 ( 工程上习惯将压强称为压力),31,真空度与表压,当被测流体的压力 ( 或绝对压力)小于大气压时:,当被测流体的压力 ( 或绝对压力)大于大气压时:,表上读数= 大气压 绝对压力,表上读数= 绝对压力大气压,真空度,表压,真空表,压力表,32,表压与真空度与当地大气压有关,真空度与表压,压力单位:,1.2.1 静止流体的压力 ( 工程上习惯将压强称为压力),33,对表压和真空度必须加以标注，如： 2000 pa （表压），并指明当地大气压。,例: 有一设备要求绝压为 20 mmHg ，

9、成都, 拉萨的大气压分别为 720 mmHg ， 459.4 mmHg,问真空度各为多少 Pa?,成都的真空度 =720 20=700 mmHg =700 101325/760 =93326 Pa,解:,拉萨的真空度 =459.4 20=439.4 mmHg =439.4 101325/760 =58581 Pa,1 mmHg=133.32 Pa,表压与真空度与当地大气压有关,34,1.2 流体静力学基本方程式,1.2 .1 静止流体的压力,1.2.2 流体静力学的基本方程式,35,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（ 1 ）上端面所受总压力,（ 2 ）下端面所受总压力,（ 3

10、 ）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,1.2.2 流体静力学基本方程式（ p18 ）,36,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,一、静力学基本方程,37,（ 1 ）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,静力学基本方程的讨论,（ 2 ）物理意义：,38,（ 3 ）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。 （

11、 4 ）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,静力学基本方程的讨论,应用要点: 1.等压面; ( 静止的、连通的、均匀的、同一水平面压力相等) 2.上下压力：,h,P,39,讨论:,pA 与 pB 之关系?,(4),(3),40,pA 与 pB 之关系?,pC与 pD 之关系?,讨论,41,【例1-3】(p19) （1）判断下列关系是否成立，即：,（2）h？,解：（ 1 ）,（ 2 ）,水层h2=0.6m， 2=1000kg/m3,油层h1=0.8m， 1=800kg/m3,42,一、压强与压强差的测量,二、液位的测量,三、液封高度的计算,1.2.3 静力

12、学基本方程的应用（ p20）,43,普通 U 型管压差计（Simple manometer） 倒置 U 型管压差计（Up-side down manometer） 倾斜 U 型管压差计（Inclined manometer） 双液体 U 型管压差计（Two-liquid manometer）,液柱压差计（Manometers) P20,44,U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,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，计算式为:,普通 U 型管压差计（Simple manometer）,p0,p0,0,p1,p2

13、,R,a,b,45,讨论：,（ 1 ） U 形压差计可测系统内两点的压力差，当将 U 形管一端与被测点连接, 另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,（ 2 ）指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,46,？,47,倾斜管段公式的推导,48,当z1= z2 时, 则有,U形压差计的读数R反应的是虚拟压强之差。只有当 管道水平放置时，测量的才是真实的压差！,令：P p+gz ，称为虚拟压强,则：,P1 P2Rg (0- ),49,50,采用倾斜 U 型管可在测量较小的压差 Dp 时

14、，得到较大的读数 R1 值。,压差计算式,2. 倾斜 U 型管压差计（使压力计）（ p16 ）,51,微差压计，支管顶端有一个扩大室。扩大室内径一般大于U型管内径的10倍。压差计内装有密度分别为 r01 和 r02 的两种指示剂。 有微压差 Dp 存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的 R 读数。,对一定的压差Dp，R 值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，R 值就越大，读数精度也越高。,双液体 U 型管压差计（Two-liquid manometer）,52,一、压强与压强差的测量,二、液位的测量（自学）,三、液封高度的计算（自学）,1.2.3 静

15、力学基本方程的应用（ p20）,53,解：（1）,【例1-5(p21)】A：水，B：密度为810kg/m3的某溶液 （1）当pA=29103Pa（表压）时，R=0.25m，h=0.8m，求pB？ （2）pA/=20 103Pa（表压），pB不变，R？,54,解:(2)左侧水银面上升和右侧水银面下降高度：,【例1-5(p21)】A：水，B：密度为810kg/m3的某溶液 （1）当pA=29103Pa（表压）时，R=0.25m，h=0.8m，求pB？ （2）pA/=20 103Pa（表压），pB不变，R？,习题（p76）：1 .2.3.5,55,1.3.1 流体的流量与流速 1.3.2 定态流动与

16、非定态流动 1.3.3 定态流动系统的质量守恒 连续性方程 1.3.4 定态流动系统的能量守恒 柏努利方程 1.3.5 柏努利方程式的应用,1.3 流体流动的基本方程,56,3.二者关系：,一、流量,1.体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 VSm3/s或m3/h,1.3.1 流量与流速（ p25 ）,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。,57,2. 质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,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,流速,平均流速：,二、流速,58,对于圆

17、形管道：,一般由生产任务决定的流量。,流速选择：,三、管径的估算,59,水及一般液体 13 m/s 粘度较大的液体 0.51 m/s 低压气体 815 m/s 压力较高的气体 15 25 m/s,四、常用流体适宜流速范围,适宜流速的大小与流体性质及操作条件有关，如悬浮液不宜低速，高粘度、高密度及易燃易爆流体不宜高流速。,60,【例 1-10（ p26 ）】精馏塔进料量为 ws=50000 kg/ h ， =960 kg/ s ，其它性质与水接近，试选择适宜管径。,解：解题思路：初选流速计算管径查取规格核算流速。具体计算过程如下：,选流速 u=1.8 m/s(0.5-3.0 m/s),用式 1-

18、24 计算管径，即,由 p357 附录23查管子规格，选取 108 4 mm 的无缝钢管（ d=0.1 m ）。,核算流速：,61,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,1.3.2 稳态流动与非稳态流动 (p26),化工生产中多属连续定态过程，主要讲稳态流动。,62,对于稳态流动系统，根据物料衡算方程：,推广至任意截面,连续性方程,1.3.3 连续性方程（ p27 ）,63,不可压缩性流体，,圆形管道：,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； 流体在均匀直管作定态流动时，

19、平均流速保持定值，不会因内摩擦而减速。,1.3.3 连续性方程 (p27),64,1.3.4 柏努利方程 (p22),一、总能量衡算,衡算范围： 1-1 与 2-2 两截面及内壁面 衡算基准： 1 kg流体 基准水平面： 0-0 平面,65,机械能：位能、动能、静压能, 定态流动过程的总能量衡算式,或,式中， v 流体的比容， m3/ kg,66,（一）流动系统的机械能衡算式, 流体定态流动的机械能衡算式,思路：将总能量衡算式中的 U 和 Q 除去,根据热力学第一定律，有：,又：,得到：,1kg流体所获得的热，J/kg,换热器向1kg流体提供的热，J/kg,hf1kg流体流经两截面间的沿程能量

20、损失（转化为内能），J/kg, 总能量衡算式,67,（二）柏努利方程式（p30）,对于不可压缩流体，,，因而将上式中的,项积分后可得,或,E 表示某一截面的总的机械能，则：,实际流体的柏努利方程式,68,（二）柏努利方程式（p30）,理想流体的柏努利方程式（柏努利方程式）,如果为理想流体，,若无外功加入，则有,提问：柏努利方程中各项的物理意义。,柏努利方程适用于不可压缩流体连续的定态流动。,实际流体的柏努利方程式,J/kg,J/kg,69,不可压缩理想流体机械能守恒表达式,柏努利（Bernoulli）方程,讨论:,1.实验现象的解释,70,流体静力学基本方程,液柱高度相同,阀门关闭时,71,阀

21、门打开时，液柱高度如何变化?,如此变化吗?,72,由上可知:,流体的动能与静压能可相互转化,73,2.工厂的设计开发应用,74,工厂应用实例: 真空蒸发浓缩骨胶,1,1,0,0,当p0低于pa时，产生真空。,75,为什么热水可从喷头流出？,76,实 验,77,阀门打开时,阀门关闭时,实际流体流动的柏努利方程,78,总能量是守恒的,在工程实际中，为了克服阻力损失，使用流体输送机械补充机械能，对单位质量流体而言补充的机械能为We。,J/ kg,实际流体流动的柏努利方程,实际流体存在流动阻力,从 1-1 截面到 2-2 截面的阻力损失以 hf,1-2 表示,79,以单位重量流体为基准(p31),令,

22、 外加压头或有效压头, 压头损失,则,式中各项单位为：,80,以单位体积流体为基准,将(1-23a)式各项同乘以 :,式中各项单位为,对于可压缩流体的流动，当 时，仍可用上式 计算，但式中的要用两截面间流体的平均密度m 代替,81,不可压缩流体稳态流动过程机械能衡算式的讨论:,82,1.看是否符合应用条件;( a稳流；b 非稳流针对某一瞬时) 。,2.画示意图,3.截面的选取： 1）与流体的流动方向相垂直； 2）两截面间流体应是稳态连续流动； 3）截面宜选在已知量多、计算方便处。,4.位能基准面的选取 1）必须与地面平行； 2）宜于选取两截面中位置较低的截面； 3）若截面垂直于地面，则该截面位

23、高z 为管中心线的离基准面的垂直距离。,5.各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。,柏努利方程的解题要点：,0,0,83,1.2.5 柏努利方程的应用（ p27 ）,四、阻力损失；,一、管内流体的流量；,二、设备间的相对位置；,三、输送设备的有效功率；,84,P=10000Pa(表),d=0.027m,u为管内流速m/s,1.求:V=?m3/h,85,求:,2.一定管系，由V求d,要求V=0.03m3/s,解题注意以下处理:,关于2-2截面,选内侧:,选外侧:,86,解：以高位槽液面为1-1截面，以管出口外侧为2-2截面，以2-2截面所在管的中心线为基准面，在1

24、-1与2-2截面之间列柏努利方程式：,87,1.2.5 柏努利方程的应用（ p27 ）,四、阻力损失；,一、管内流体的流量；,二、设备间的相对位置；,三、输送设备的有效功率；,88,要求:,H=?,2.求H,P=30000pa(表压）,89,解:以高位槽液面为1-1截面,低位槽液面为2-2截面,在1-1 及2-2截面间列柏氏方程为:,90,1.2.5 柏努利方程的应用（ p27 ）,四、阻力损失；,一、管内流体的流量；,二、设备间的相对位置；,三、输送设备的有效功率；,91,为完成一定输送任务,要求功率N的确定,流体输送机械给单位质量流体提供的有效功，J/kg,We的物理意义：,流体质量流量为

25、ws kg/s时需流体输送机械提供的功为：,（J/s，W）,Ne有效功率,流体输送机械实际消耗的功率称为轴功率，N,（J/s，W）,92,【例 】用泵将贮液池中常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管直径为 76 3 mm ，排水管出口喷头连接处的压强为 6.15 104 Pa( 表压) ，送水量为 34.5 m3/ h ，水流经全部管道（不包括喷头）的能量损失为 160 J/ kg，求泵的有效功率,解：泵的有效功率计算式为：,Ne=Wews,式中 ws 为规定值，We则需用 柏努利方程式计算，即,注：基准水平面的选取如本例附图所示，但要注意 2-2 截面

26、必须选在排水管口与喷头的连接处，以保证水的连续性,93,式中,于是：,若泵的效率为 0.75 ，则泵的轴功率为,94,1.2.5 柏努利方程的应用（ p27 ）,四、阻力损失；,一、管内流体的流量；,二、设备间的相对位置；,三、输送设备的有效功率；,95,测得:,大管,小管,解:(1)在如图所示的截面间列柏氏方程,4.查定,假定R读数在U形管的右侧,96,假定R读数在U形管的右侧,解:(1)在如图所示的截面间列柏氏方程：,其中：,97,得,R为负说明液柱读数在U形管的左侧。,假定R读数在U形管的右侧,本例说明:虽然 ，但读数R反映的是：,98,1. 4 流体流动现象,1.4.1 流体类型与雷诺

27、数,1.4.2 流体在圆管内流动时的速度分布,1.4.3 边界层的概念,99,问题引出：,对于水平直管,人们发现两种规律,雷诺实验表明，存在两种流动类型,100,雷诺实验,1.4.1 流体类型与雷诺数（ p37 ）,101,层流（ Laminar flow）与湍流（Turbulent flow）,102,流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动类型：层流与湍流。,层流（ Laminar flow）与湍流（Turbulent flow）,层流(滞流)：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，不产生流体质点的宏观混合。,过渡流：层流向湍流过渡的中间状态，流动不稳定，时而为层流，时而为湍流。不属于一

28、种单独的流动类型。,湍流（紊流）：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小和方向不断改变。,103,雷诺准数（雷诺数）,流体在管内流动时：,数值仅做参考，实际的流动类型还与具体的设备和流动条件有关。,流型判别的依据雷诺准数（雷诺数）,Re 2000 稳定的层流区 2000 Re3000）属湍流区；而当2000Re,u,时，与层流相同, 对无影响。 当EA，所以假设正确,习题：25，26，27，28,190,1.7 流量测量,1.7.1 测速管 1.7.2 孔板流量计 1.7.3 文丘里流量计 1.7.4 转子流量计,191,结构：为一同心套管

29、，内管前端开口，外管前端封闭，距端头一定距离在外管壁上沿周向开有几个小孔。,测速管（ Pitot 管）,原理：由流体冲压能（动压能与静压能之和）与静压能之差检测流速。,192,由于内管前端开口正对来流方向，来流必在一点（驻点）处停滞。来流的动能在驻点处将全部转化为势能。,1 1,2 2,考虑制造精度的影响，有：,皮托管测得的是点速度，可用来测速度分布曲线。,C校正系数,193,皮托管的安装,测量点位于均匀流段，上下游50d直管距离。 管口截面严格垂直于流动方向。 毕托管直径d0小于管径d的1/50，即d0d/50，尽可能减小干扰。,优点：结构简单，对被测流体的阻力小，尤其适用于低压、大管道气体

30、流速的测量。 缺点：输出的压差信号较小，一般需要放大后才能较为精确地显示其读数。,194,孔板流量计（ Orifice Meter ）,195,孔板流量计,当流体通过孔板时，因流道缩小使流速增加，势能增加，流体流过孔板后，由于惯性，实际流边将继续缩小到截面2（缩脉）。然后流边扩大，这样，由于逆压强梯度的存在，引起边界分离，造成能量损失。 截面1和截面2可以认为是均匀流，所谓均匀流指各流线平行，且与截面垂直。,一、测量原理,196,考虑粘度的影响，且u2难以实测，以u0代替，将上式校正：,先按理想流体处理，再考虑粘度的影响。,197,孔流系数C0,m = (d0/d1)2,设计或选用孔板流量计应尽量使其工作在该范围内， C0 值为常数，一般在 0.6-0.7 之间。,198,孔板流量计,孔板流量计安装时，上游须有1540d 。下游5d的直管距离。 优点：是构造简单，制作、安装都方便因而应用十分广泛。 缺点：孔板的锐孔结构使流体产生较大的局部阻力损失。,安装与阻力损失,199,孔板流量计,文丘里流量计,200,文丘里流量计（ Venturi Meter ）,原理：通过改变流体流通截面积引起动能与静压能改变来进行测量，其原理与孔板流量计相同。 结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层分离而