流体流动-2.ppt

1、Chapter 1 Fluid Flow Phenomena,流体(Fluid),流体液体和气体的总称。 Nature of fluid 流动性，即抗剪抗张（shear stresses)能力都很小。 无固定形状，随容器的形状而变化。 在外力作用下流体内部发生相对运动。 流体质点： 含有大量分子的流体微团。,流体连续性假设,假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。 连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动，而从宏观的角度来研究流体的流动规律。,研究内容,流体的静止规律； 流体静力学方程式 流体的流动规律； 柏努利方程 压强、流量、流速等的测量； 流体输送机械和管道

2、特性和有关计算； 如何利用有关规律去强化生产过程，解决实际问题。,流体静力学应用设计大坝,流体静力学应用,研究流体流动规律的重要性,研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。 管路或设备内压强、流速及流量的测量为了了解和控制生产过程，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。 为强化设备提供适宜的流动条件。化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。,流体密度（Density of fluid）,流体某点的密度,气体,或：,温度、压力和体积变化关系,气体混合物，当P 、T适中, M 用Mm代替，,气体平均分子量（y为摩尔分率）：,当压力温

3、度适中，按照理想气体状态方程，,混合物密度,对于液体（以1公斤为基础,xw为质量分率）,对于气体（以1立方为基础，xV为体积分率）,流体比容（specific volume ）,不可压缩性（incompressible)流体,一般流体的密度都是随压强和温度的变化而变化的。 对于液体(如水），压强的变化对其密度的影响很小，可以忽略不计，流体的特性称为不可压缩性。 液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关，即：(T),可压缩性（compressible) 流体,它的密度随温度和压强的不同而出现较大的差别。气体是可压缩流体。 一般在压强不太高。温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。即： (p,T

4、),流体的静压强Hydrostatic pressure of fluid,定义：流体垂直作用于单位面积上的静压力,其它单位及换算,工程上，将 近似看作为一个大气压，称为 一工程大气压,压强其它表示方法,基 准：绝对真空(零压)和大气压强 绝对压强：以绝对真空(零压)为基准量得的压强。 相对压强：以大气压强为基准量得的压强，表示为表压或真空度。 表压=绝对压强-大气压强 真空度=大气压强-绝对压强= 表压,绝对压强、表压强和真空度的关系,大气压随着大气温度和所在地的海拔高度而改变，所以，绝对压强是唯一的，相对压强是会变化的。,绝对压强,绝对压强,表压强,真空度,?,Example 1-1.,例

5、1：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为若干。兰州地区的平均大气压强为85.3103Pa，天津地区的平均大气压强为101.33103Pa。,解：根据兰州地区的大气压强条件，可求得操作时塔顶的 绝对压强为： 绝对压强=大气压强-真空度=85300-80000=5300Pa 在天津操作时，要求塔内维持相同的绝对压强，由于大气压强与兰州的不同，则塔顶的真空度也不相同，其值为： 真空度=大气压强-绝对压强=101330-5300=96030Pa,流体静力学基本方程式 Hydrostatic Equations of F

6、luid,研究对象 处于相对静止的流体在重力和压力作用下，处于平衡状态的规律 本质 静止流体内部压力（压强）变化的规律,流体静力学基本方程式 Hydrostatic Equations of Fluid,形 式,流体静力学基本方程式推导,流体静力学基本方程式推导,流体静力学基本方程式讨论,液体视为不可压缩的流体，在静止流体 取任意两点,流体静力学基本方程式讨论,设1点处于容器液面上，液面上方压强为p0，距液面h点2的 压强,(2)当液面上方的压强po有改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的改变。 (3)上式可改写为： （压强差可用一定高度液柱表示）,(1)当容器液面上方的压强po一定时，

7、静止液体内部任一点压强p的大小与液体密度和深度h有关。在静止的、连续的同一液体内、处于同一水平面上各点的压强都相等。,问题？,(1)1、2、3、4各点的压强是否都相等? (2)5、6、7、8各点的压强是否都相等： (3)9、10、11、12各点的压强是否都相等?,例1-2,1)判断下列两关系是否成立，即 2)计算水在玻璃管内的高度h,水，h2=0.6m, 2=1000kg/m3,油，h1=0.7m, 1=800kg/m3,流体静力学基本方程式应用,压强和压强差的测量； 液位的测量； 液封高度的测量。,一、压强和压强差的测量,Simple manometer,Simple manometer,压

8、强与压强差的测量,当Z=0时,问题,当Z=0时,当Z=0,R0 ? Or R0,绝对压强测定,倾斜液柱压差计Inclined manometer,微差压差计,(1)压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，而指示液C与被测流体B亦向不相溶。 （2）为了读数方便，U管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称为“水库”,例1-1 R=400,求P,二、液位测量,h1,h2,A,远距离测定液位装置,三、 液封高度的计算,液封高度的计算,容器内表压10.7KPa,h,P0,1,2,P1=P0+10.7103pa,P2=P0+gh,P1=P2,h=1.09m,煤气柜,研究内容,流体的静止规律； 流体静力学方

9、程式 流体的流动规律； 柏努利方程 压强、流量、流速等的测量； 流体输送机械和管道特性和有关计算； 如何利用有关规律去强化生产过程，解决实际问题。,流体在管内的流动,体积流量Vs 质量流量ws 二者关系： 流速u 流量与流速,质量通量G,圆 管,d和u的关系,u大，d小，管材耗量少(设备费用小)，但操作费用增大(流动阻力增大)；反之亦成立。 故以u的确定对总的费用(操作费+设备费)而言，存在最佳值(或最适宜值)： 对于液体：u=0.53 m/s 一般 对于气体：u=1030 m/s 对于蒸汽：u=3050 m/s,某些流体在管道中常用的流速范围,液体种类及状况 常用流速范围 （ m/s） 自来

10、水（3105Pa） 1.01.5 水及低黏度液体 1.53.0 高黏度液体 0.51.0 低压气体 8.015 易燃易爆的低压气体（如乙炔） 8 压力较高的气体 1525 饱和水蒸气（0.8MPa） 4060 饱和水蒸气（0.3MPa） 2040 过热水蒸气 3050,取流速大小的原则,密度小，流速取大 易沉淀，流速不宜取小 黏度小，流速取大 大流量，长距离，得考虑年操作费年折旧费为最小,取流速大小的原则,例：要求安装输水量为30m3/h的一条管路，试选择适当规格的水管 解：选流速为1.8 m/s 则： d=(V/(u/4)1/2 =(30/3600/(0.7851.8)1/2 =0.077

11、(m),实际流速u =(30/3600/0.785/0.0805)1/2=1.6(m/s),公称直径 外径 壁厚 *80/mm 88.5/mm 4/mm(普通管),查阅相关规格,流体在管内的流动,体积流量Vs 质量流量ws 二者关系： 流速u 流量与流速,流体的黏度,u,u=0,x,O,du,dy,y,图1-1 平板间液体速度变化图,在运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，它是流体黏性的表现，又称为黏性摩擦力,为比例系数，称为黏性系数，简称黏度,牛顿黏性定律,运动黏度,温度对黏度的影响 流体的分类 理想流体 牛顿型流体 非牛顿型流体,定态流动和非定态流动,在流动系统中

12、，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而变，这种流动称为定态流动； 若同时随位置和时间变化，称非定态流动,连续性方程,流入体系的质量流量=流出体系的质量流量,表示在稳定流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变，而流速u随管道截面积A及流体的密度而变化. 若流体可视为不可压缩的流体（常数），改写为： 说明不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，它们 的体积流量也等 它反映了在稳定流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律 此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关,u1A11= u2A22=const,连续性方程,1-2-3 连续性

13、方程,柏努利方程,作用于两端的总压力：pA （p+dp）A,质量为dm的流体，其重力为g dm，沿x方向的分力为：,作用于微管段流体上的各力沿x方向的分力之和为：,流体流经管路时，不仅压力发生变化，而且动量也要发生改变。流体流进微管段的流速为u，流出的流速为（u+du），因此动量的变化速率为：,柏努利方程,理想流体的柏努利方程,柏努利方程适用条件,在任一流动截面上单位质量流体的总机械能 守恒；而每一种形式的机械能不一定相等， 可以相互转换。,式中每一能量项的单位为J/。,柏努利方程式讨论,位压头,静压头,动压头,若在某处管道的截面积缩小,流速增大 动能增加,因总机械能为常数 静压能就要相应降低

14、 即一部分静压能转变为动能,反之,当另一处管道的截面 积增大时,流速减小 动能减小,则静压能增加,柏努利方程应用,理想流体的柏努利方程式讨论,柏努利(Bernonlli) 方程式讨论,实际流体的柏努利方程式,实际流体的柏努利方程式讨论,能量衡算方程方程式,衡算基准：1kg流体。基准水平面：oo平面,u1、u2 流体分别在截面1-1与2-2 处的流速, m/s p1、p2 流体分别在截面1-1与2-2处的压强, N/m Z、Z 截面1-1与2-2的中心至基准水平面o-o的垂直距离, m A1、A2 截面1-1与2-2的面积，m2 v1、v2 流体分别在截面1-1与2-2处的比容, m3/kg,能

15、量形式,内能,动能,位能,静压能,热 ，外功,能量衡算方程方程式,热 外功,进出累积,流动系统的机械能衡算式,密度变化问题,常数,柏努利方程式讨论,对于可压缩流体的流动，若两截面间的 绝对压强变化 20 时，仍可用式 进行计算，但此时式中的流体密度应以平均密度m来代替。所导致的误差在工程计算上是允许的。,柏努利方程式讨论,如果系统里的流体是静止的，则u0；没有运动，自然没有阻力，即,与流体静力学基本方程式无异,柏努利方程式讨论,式两边同时除以g,式中每一能量项的单位为J/,m虽是一个长度单位，但在这里却反映了一定物理意义，它表示单位重量流体所具有的机械能，可以把它自身从基准水平面升举的高度,柏

16、努利方程式讨论,式两边同时乘以,单位体积流体所具有的能量N.m/m3=N/ m2Pa,实际流体柏努利方程式讨论,单位重量： （N.m/N=m）,单位体积：（ N.m/m3=N/ m2）,单位质量：（J/kg),柏努利方程,柏努利方程应用,一、确定管道中流体的流量(流速)； 二、确定容器间的相对位置； 三、确定输送设备的有效功率； 四、确定管路中流体的压强,截面选取,基准面,垂直于流动方向 连续 未知量最少,一般取最低面,BE式各项物理量的单位必须一致,作图与确定衡算范围,柏努利方程应用,柏努利方程应用注意事项,大截面容器和小管子 两个横截面积相差很大 u1u2 u12/20,大截面小管子 质量

17、守恒 截面处不允许有急弯,截面间允许有急弯,作图与 确定 衡算范围,根据题意画出流动系统的示意图,指明流体的流动方向,定出上、下游截面,明确流动系统的衡算范围,柏努利方程应用注意事项,两截面均应与流动方向相垂直，并且在两截面间的流体必须是连续的,所求的未知量应在截面上或在两截面之间,除所需求取的未知物理量外，都应该是已知的或能通过其它关系计算出来,两截面上的u、p、Z与两截面间的hf都应相互对应一致,截面的选取,柏努利方程应用注意事项,基准水平面的选取,目的：确定流体位能的大小，在柏努利方程式中所反映的是位能差(Z=Z2-Z1)的数值,基准水平面可以任意选取，与地面平行,Z 值：截面中心点与基

18、准水平面间的垂直距离,截面与地面平行，则基准水平面 与该截面重合，Z =0,衡算系统为水平管道 基准水平面通过管道的中心线，Z =0,通常取基准水平面通过衡算范围的 两个截面中的任一个截面,单位必须一致： 物理量换算成一致的SI单位 两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致 从柏努利方程式的推导过程得知，式中两截面的压强为绝对压强，但由于式中所反映的是压强差(p=p2-p1)的数值，且绝对压强大气压表压，因此两截面的压强也可以同时用表压强来表示 外加能量W，轴功率？,柏努利方程应用注意事项,确定管道中流体的流量(流速)；,20空气,流过文丘里管,能量损失可忽略不计。当U管压差计读数R=25mm、h=0.5m时，试求时空气的流量为若干m3h?当地大气压强为101.33103Pa。 解：,80mm,20mm,确定管