化工原理课件1流体.ppt

1、17:51,1,第一章流体流动,17:51,2,（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,17:51,3,1.1 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。,17:51,4,把流体当作是由密集

2、质点构成的、内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,17:51,5,1.1.2 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，

3、K,定义：流体空间某点上单 位体积流体的质量,17:51,6,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/m3,17:51,7,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,17:51,8,1.1.3 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

4、理性质 流动性 粘 性 抵抗流动的特性,流体在圆管内分层流动示意图,17:51,9,流体的粘性- 图示,u,y,u +du,u,dy,y,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,17:51,10,二、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）,17:51,11,粘度的物理意义,粘度的物理意

5、义： 当 du/dy = 1 时， = 说明在相同的流动条件下，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),17:51,12,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,17:51,13,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）；,运动粘度，动量扩散系数:,17:51,14,1.2.1

6、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）。,17:51,15,二、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,17:51,16,1.2.2 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

7、相等地作用于 各个方向,17:51,17,二、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 / cm2,1atm = 1.013105 N / m2 = 760 mmHg = 10.33 m H2O,物理大气压,工程大气压,17:51,18,三、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 大气压时）绝对压力 =

8、 大气压 - 真空度,表压、真空度,17:51,19,p0,p1,p2,z1,z2,h,p2= p1 +r hg,流体静力学基本方程式,r,p0,z2,H,p2,p2= p0 +r Hg,1.2.3 流体静力学方程 （p14),式中： z 测压点距基准面的高度，m r 流体的密度，kg/m3,(h = z1-z2),(H = z1-z2),17:51,20,2. 静止的连通着的同一液体内，处于同一水平面上各点 的压力都相等：,4. 压力或压力差的大小可以用 一定高度的液柱来表示：,压力相等的水平面称为等压面。,1.,p= p0 +r hg,3. 液面上方的压力大小相等地传遍整个液体。,17:5

9、1,21,【例 1-1】如右图所示的开口容器中盛有水和油。HA =HA , HC =HC =0, 油层高度H1= 0.7 m,密度1=800kg/m3水层高度H2=0.6m,密度2 = 1000kg/m3（1）判断下列关系式是否成立; pA=pA pB=pB pC=pC（2）计算水在玻璃管内的高度 H 。,注意：流体静力学方程只能用于 静止的、连通的、同一种流体内部,H1,H2,H,解：（1） pApA， A、A 虽然是在静止的连通的流体中， 且在同一水平面上，但两点不在同一流体中； pB pB，B、B 虽然是在静止的连通的同一流体 (水) 中，但不在同一水平面上； pC = pC，C、C 在

10、静止的连通的同一流体（水）中， 且在同一水平面上。,17:51,22,pC = p0 + r1gH1+ r2gH2,pC= p0 + r2gH,(2）计算水在玻璃管内的高度 H,r2H = r1H1+ r2H2,17:51,23,1.2.4 流体静力学方程的应用 一、压力与压力差的测量 （p16),01 02 ,液 柱 压 差 计,17:51,24,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,H,1

11、7:51,25,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 0,17:51,26,【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,h=?,解：选等压面，在图上取1、2两点，则有 p1=p2。,p1=炉内压力= p= p0 +(80/760) 101.33= p0 +10666 Pa p2= p0 +r水gh ; p1= p2,p0 +10666 = p0 +r水gh,r水gh = 10666,17:51,27,1.3 流

12、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。,17:51,28,稳态流动,非稳态流动,稳态与非稳态流动示意动画,17:51,29,绕流示意动画,17:51,30,1.3.2 流量与平均流速（p

13、21),二、流速 u ：单位时间内流体流过的距离， m / s,点速 ：ur,平均流速 u : 单位时间单位面积上所流过的流体体积量。,17:51,31,三、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过的流体质量，kg/m2.s。,对于圆管,17:51,32,注意：管径的表示方法 594.5 mm, 管内径 d = 59 - 24.5 = 50 mm,17:51,33,1.3.3 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,17:51,34,二、雷诺实验现象,两种稳

14、定的流动状态：层流、湍流。,用红墨水观察管中水的流动状态,17:51,35,17:51,36,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,17:51,37,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,三、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。,17:51,38,当流体在管内作层流流动时，无径向脉动速度，

15、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,17:51,39,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

16、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。,17:51,40,1.4.1 总质量衡算连续性方程 (p25),对于稳定流动体系，无生成、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 qV2,1.4 流体流动的基本方程,17:51,41,对于液体：r1 = r2 = r,连续性方程,qm= r1 qV1= r2 qV2,qV1=

17、 A1u1= qV2 = A2 u2,（p26）,A1 = （4）d12 A2 = （4）d22,17:51,42,1.4.2 总能量衡算方程 （p27）,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,17:51,43,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 e

18、nergy)： 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：,17:51,44,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/kg 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 + U2,1kg流体流入1-1截面带入能量： gz1 + u12 /2 + p1v1 + U1 1kg流体流出2-2截面带出能量： gz2 + u

19、22 /2+ p2v2 + U2,17:51,45,单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式。,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 + U2,17:51,46,二、 流动系统的机械能衡算方程：,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 + hf,Q0 = 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

20、学变换可得：,17:51,47,不可压缩流体连续稳定流动系统的机械能衡算方程:,17:51,48,机械能衡算方程（广义的伯努利方程）3 种表达形式及意义,17:51,49,三、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,17:51,50,（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。,以 0 0 面为基准：Dz = z2- 0,17:51,51,（2）压力能 p / ：,p1、p2 的基准要相

21、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,以绝对零压为基准有： p1=101.3 kPa p2= (101.3 + 4) kPa Dp = 4 kPa,17:51,52,（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 （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

22、 （泵、风机）,17:51,53,2、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 , u1 2-2: z2 , p2 , u2 = u1 p1/r = z2g +p2/r （ p1 - p2）/ r = z2g 0,说明 1-1 截面上的静压能部分转换为 2-2 截面上的位能,17:51,54,静压能与动能之间的转换,u,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

23、（ 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,17:51,55,位能与动能之间的转换,说明 1-1 截面上的位能部分转换为 2-2 截面上的动能,17:51,56,3、流体静力学基本方程 （p15),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,17:51,57, 注意伯努利方程的适用条件； 重力场中，连续

24、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；,17:51,58,伯努利方程演示动画,17:51,59,1.5 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 20% 时， 可将其视为不可压缩流体，但m = (1 + 2 ) / 2,包括所

25、选 截面间全部管路阻力损失,17:51,60,1.5.2 流体输送管路计算类型,设计型计算：,规定了输送任务，要求设计经济合理的管路，即正确确定管路的直径与流体流速，以及管路布置。,输送流体 4000 kg/h,（操作型计算，自学）,17:51,61,若 qV 一定： u，则 d ；若 u ，则 d 。,u 的大小，反映了操作费用（经常费用）的多少； d 的大小，反映了设备费用（固定费用）的多少。,费用,u,操作费,设备费,总费用,u最佳,首先根据经验数据（p22，表 1-1）选择适当的流速，算出管径，再根据管道标准进行调整。 （参考：p22，【例1-7】）,17:51,62,1.5.3 流体

26、输送管路计算步骤,二、确定基准面：一般可以地面为基准或以低截面为基准；,一、根据题意画出简图，并标出已知数据；同时列出其它 已知数据和参数，并统一单位制（SI 制）；,三、选择计算截面： 截面与流体流动方向垂直； 两截面之间包含未知数（We)； 计算截面上已知量最多。,四、根据已定基准，在所选截面之间列伯努利方程，结合 其它方程（如连续方程）进行计算。,17:51,63,例 1-3 计算输送机械的有效功率 32 页,【例 1-3】计算输送机械的有效功率（p32） 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，输水管的直径为 76 mm 3 mm，排水管出

27、口喷头连接处的压力为 6.15 10 4 Pa（表压）， 送水量为 34.5 mh-1，水流经全部管道（不包括喷头）的能量损失为 160 Jkg-1，试求泵的有效功率。,解：以贮液池的水面为上游截面 1 1，排水管出口与喷头连接处为下游截面 2 2，并以 1 1为基准水平面,1,1,2,2,1,1,2,1,1,2,1,1,2,2,1,1,z1=26m,附图,17:51,64,例1-4 b,或,式中：z1 = 0 z2 = 26 m p1 = 0（表压） p2 = 6.15 10 4 Pa（表压）,hf = 160 Jkg -1 水的密度 = 1000 kgm-3,因贮液池的截面远大于管道界面，

28、故 u1 0,两截面之间机械能衡算方程为,17:51,65,例1-4 c,将上述数据代入公式,泵的有效功率为,17:51,66,1.5.4 流体在管内流动的阻力 （p41）,流体阻力 损失hf,直管阻力损失 hf ：流经直管时由于流体的内 摩擦产生。,局部阻力损失hf ：流经管件阀件时，流道 突变产生的。由管件的阻力特性决定。,一、 直管摩擦阻力损失计算 (p59),直管阻力产生原因：,流体流动时内部存在速度梯度，动量将自发地由高动量区向低动量区进行传递。由于流体的内摩擦力作用，动量向壁面传递，且有部分传递给了管壁，从力学角度看，应该带着管壁前进，但管壁不动，这部分能量就变成 直管阻力损失。,

29、17:51,67,直管摩擦阻力计算通式范宁（fanning）公式：,式中： ：摩擦系数,包含了所有因素对直管阻力损失的影 响，流动类型不同，计算方法不同。,L/d :直管的长度与直径的比值(m/m)，反映设备条件 对流动阻力损失的影响。 u ： 流体平均速度， m/s,17:51,68,流体在圆直管内层流流动时，其阻力损失与 流速的一次方成正比；摩擦系数l与雷诺数Re 成反比。,管内层流时直圆管摩擦系数计算式,代入,可求 hf,u = 0.5 umax,层流时的摩擦系数,17:51,69,湍流时的直圆管摩擦系数 （p49),湍流时，平均流速与最大点速之关系:,u = 0.8 umax,系数 K

30、 和指数 e、g 都需要通过实验数据关联确定， 所以目前都采用经验公式（p49）。,湍流时的直管摩擦系数,17:51,70,摩擦系数曲线图 (p50),以 Re 和 / d 为参数，在双对数坐标中标绘测定的摩擦系数 l 值,Re = 105, e/d = 0.003,l = 0.027,湍流时的直管摩擦系数,17:51,71,二、 管路上局部阻力损失计算（p51),局部阻力的产生,流速改变（管径改变，阀门，缩头、容 器接管，管道出口、流量计等）,流速发生改变之处 流动方向改变之处,流动方向改变：弯管、三通等。,局部阻力损失,17:51,72,阻力系数法：,当量长度法：, 局部阻力系数，p53，

31、表1-3,Le 当量长度,把局部阻力折换为相应的管道长度 p54，图124,局部阻力损失计算方法,17:51,73,100 mm 的闸阀 1/2 关,Le = 22 m,100 mm 的标准三通,Le = 2.2 m,100 mm 的闸阀全开,Le = 0.75 m,局部阻力损失,当量长度共线图的使用 （p 54 ),17:51,74,【例】某溶剂在位差推动下由容器 A 流入容器 B。为保证流量恒定，容器 A 设置溢流管，两容器间用均压管连通来保持液面上方压力相等。溶剂由容器 A 底部一具有液封作用的倒 U 型管排出，该管顶部与均压管相通。容器 A 液面距排液管下端 6.0 m，排液管为 60

32、3.5 mm 钢管，由容器A至倒 U 型管中心 处，水平管段总长 3.5 m，其间 有球阀 1 个 ( 全开 ) ，90标准 弯头 3 个。 试求：要达到 12 m3/h 的流量， 倒 U 型管最高点距容器 A 内液 面的高差 H。 （溶剂的密度为 900 kg/m3，粘度为 0.610-3 Pas）。,17:51,75,解：溶剂在管中的流速为,1-1： u1 = 0 p1 z1 = H 2-2: u2 = u p2 = p1, z2 = 0,以倒 U 形管顶部为基准，在 1-1 与 2-2 截面之间列伯氏方程：,u = 1.51 m/s,p = 0,z = H,We = 0 hf,0 = - Hg + u2