化工原理 第一章3-4.ppt

1、1/66,第 1 章 流体流动（幻灯片2）,水塔多麽高？泵功率？管道粗细几何？,核心问题,日常生活中的管道故事 洗澡的感觉有时很不爽 做饭时间煤气总显不足,管道的主要情结 流量（大小及控制）,流体输送的意义,过程的对比,平衡判定和速率计算是过程科学的核心问题,5/66,* 本节内容提要 主要是研究和学习流体流动的宏观规律及不同形式的能量的如何转化等问题，其中包括： （1）质量守恒定律连续性方程式 （2）能量守恒定律柏努利方程式 推导思路、适用条件、物理意义、工程应用。 * 本节学习要求 学会运用两个方程解决流体流动的有关计算问题,方程式子牢记 物理意义明确 适用条件注意,灵活应用 高位槽安装高

2、度? 解决问题 输送设备的功率?,6/66,* 本节重点 以连续方程及柏努利方程为重点，掌握这两个方程式推导思路、适用条件、用柏努利方程解题的要点及注意事项。通过实例加深对这两个方程式的理解。 * 本节难点 无难点，但在应用柏努利方程式计算流体流动问题时要特别注意流动的连续性，上、下游截面及基准水平面选取正确性。正确确定衡算范围(上、下游截面的选取)是解题的关键。,7/66,1.3 流体流动中的守恒原理,基本概念,点速度 u，单位 m/s,1。流量和流速,又称质量通量，kg/(m2s),又称平均流速，m/s,8/66,1.3 流体流动中的守恒原理,2。稳定流动与不稳定流动,流动参数都不随时间而

3、变化，就称这种流动为稳定流动。否则就称为不稳定流动。,9/66,1.3 流体流动中的守恒原理,1.3.1 质量守恒,10/66,假定：无流体泄漏、无积累,流入质量流量 = 流出质量流量,-管内流动的连续性方程,即管道内稳定流动，/t=0，上式变为：,不可压缩流体,11/66,思考： 如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,12/66,1.3.2 机械能守恒,1.3 流体流动中的守恒原理,单位质量流体的总能量E,1-1面、2-2面和管壁围成控制体,13/66,输入能量 + 外加功 + 外加热量 = 输出能量 + 能量损失,讨论：,（1）假设：流体不可压缩，1 = 2 = 流体流动时温度

4、不变，U1 = U2 流体流动时与外界无热交换，Q = 0,机械能衡算式,流体流动的能量衡算,14/66,（2）机械能衡算式的物理意义,u2/2 单位质量流体具有的动能，称为动能 u2/2g 单位重量流体具有的动能，称为动压头、速度头 （z + p/g + u2/2g ） 总机械能，称为总压头 He 外加压头，Hf 压头损失,工程计算时可近似取1，则,15/66,使用机械能衡算方程时，应注意的问题,控制体的选取：,控制体内的流体必须连续、均质； 有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直，且已知条件最多； 包含待求变量。,基准水平面的选取,16/66,（3）假设：流体流动时没有阻力（

5、理想流体）、 无外功加入,柏努利方程式,柏努利方程的物理意义：三项机械能之和为常数,柏努利方程的应用条件： 重力场，定态流动，不可压缩的理想流体,17/66,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：,18/66,应用时应注意：,2.画示意图,3.截面选取 大截面 u0,1.看是否符合应用条件（连续流，满流）,标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围,与流体的流动方向相垂直；截面宜选在已知量多、计算方便处。,19/66,？,分析:,20/66,21/66,工程应用,（1）测风量,由11至22列方程：,

6、压差计：,可得：,22/66,（2）虹吸,由11至22列方程：,23/66,（3）马利奥特容器,求水面在aa面以上时的放水速度,由aa面至出口小孔截面22列方程：,这时的流动条件是定态的,24/66,例1. 关于能头转化,假设流体是理想的，液面高度一直保持不变，2点处直的细管内液柱高度如图所示。2、3处为等径管。试定性画出其余各细管内的液柱高度。,11面和22面之间,22面和33面之间,2,1,1,H,z3,3,4,25/66,例2 如附图所示，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。送液为452.5mm的,钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为

7、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？,26/66,牛顿第二定律可写成：,1.3.3 动量守恒,取单位时间计：,单进单出：,条件：定态流动，管截面上速度均匀分布,27/66,工程应用,取一节作分析,（1）流量分配,忽略壁面摩擦阻力，按x方向动量守恒式,因水从支管中流出，u2 p1,28/66,（2）压力射流,根据动量守恒，压力射流的小孔流速是多少呢？,解：划虚线控制体，按水平方向列动量守恒式,这样,得,按实用形式，,得 C00.7,（3）弯管受力（P18）,如何考虑本章的核心问题？,机械能衡算：柏努利方程,Bernoulli方程,白努力了？！,如何计算流体阻力？,

8、流体阻力如何产生？,流体内部是什么样子？,32/66,1.4 流体流动的内部结构,内容： 流体流动产生能量损失的原因 流体在管内流动的状态及影响因素,雷诺实验,1.4.1 流体的型态,人们发现两种规律：,表明存在两种流动类型,33/66,雷诺实验（1883年）,雷诺实验装置 1-小瓶；2-细管；3-水箱； 4-水平玻璃管；5-阀门；6-溢流装置,34/66,雷诺数,判断依据：,35/66,直管内流动时， Re4000 湍流,流型判据：,流型只有两种：层流和湍流,36/66,雷诺数的物理意义,单位时间通过单位截面积的动量。,单位面积上流体黏性力的大小,Re越大，流体湍动程度越大。,2000,40

9、00,20004000,流体的稳定性和平衡 层流：平衡态、稳定 过渡流：平衡态、不稳定 湍流：不稳定、不能平衡的状态,38/66,多普勒激光测速仪测得的雷诺数为6500时圆管中轴向速度,一维湍流可以视作平均流动上叠加轴向和横向的速度脉动，因此，湍流有脉动频率和平均振幅这两个特征量。,湍流,1.4.2 湍流的基本特征,39/66,时均速度和脉动速度,湍流的另一种图象，是在平均流动上叠加大大小小以不同速度旋转的旋涡，这种旋涡有旋转速度和旋涡大小尺寸之分，由此引出湍流时的湍流强度和湍流尺寸两个特征值。,41/66,湍流粘度,湍流的强度和尺度,湍流：主体流动各种大小、强弱的漩涡,定量：不同位置的流速？

10、,定性：层流&湍流,流体内部是什么样子？,43/66,1.4.3 边界层及边界层理论,1904年，普兰特凭他丰富的经验和物理直觉，提出了著名的边界层理论。他在海德贝尔格的数学年会上宣读了“具有很小摩擦的流体运动”，证明了绕固体的流动可以分为两个区域，一是物体附近很薄的一层(边界层)，其中摩擦起着主要的作用；二是该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。 边界层理论的重大意义在于，在人们还不可能求解完整的N-S方程以前，解决了阻力问题，使人类的飞行至少提前了半个世纪。 所以，普兰特不愧是近代流体力学的奠基人。,44/66,边界层,（1）边界层理论的主要内容：,1)紧贴壁面非常薄的一层，该薄层内速

11、度梯度很大，这一薄层称 边界层。,即流速降为主体流速的99以内的区域。,45/66,（2）边界层的形成和发展,实验表明，在平板边界层中，边界层由层流变为湍流大致发生在Re5l033105之间，具体值还与主流区的湍流度和固体表面粗糙度有关。,46/66,圆管入口段边界层的发展,?,流体在管道中发生的事情,进口端与速度分布的形成 3050d,47/66,充分发展的边界层厚度为圆管的半径 进口段内有边界层内外之分 也分为层流边界层与湍流边界层,进口段长度： 层流： 湍流：,48/66,49/66,湍流流动时：,50/66,湍流主体：速度脉动较大，以湍流黏度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化； 过渡

12、层：分子黏度与湍流黏度相当； 层流内层：速度脉动较小，以分子黏度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,51/66,（3）边界层分离,52/66,53/66,AC：流道缩小，加速减压（顺压强梯度）； CS：流道增大，减速增压（逆压强梯度）； CC以下：在逆压强梯度的推动下形成倒流，产生大量旋涡,54/66,边界层的分离,边界层脱体的后果：1.产生大量的漩涡，2.造成较大能量损失,55/66,流线型,如：平板不会发生脱体（无倒压区） 流线型物体也不发生脱体（尾部收缩缓慢，动量来得及传入）,边界层分离的必要条件是：逆压强梯度 外层

13、动量来不及传入,流体具有黏性,56/66,边界层分离现象,57/66,流体流过管束,58/66,数学描述方法： a.取控制体（微分控制体或积分控制体） b.作力（热量、质量）衡算 c.结合本过程的特征方程（如 ）解方程 d.将结果整理成所需要的形式,1.4.4 圆管内流体运动的数学描述,59/66,取控制体作力衡算,上式与流体性质、流体类型无关,60/66,层流时的速度分布,-牛顿黏性定律,61/66,圆管内层流流动的平均速度为管中心最大速度的一半,62/66,湍流时的速度分布,流动阻力是这样产生的,阻力是管壁对流体的力 阻力大小决定于管壁处的速度梯度 中心区域湍动增加了边沿的速度梯度 能量消耗原因和能量转化,64/66,层流和湍流的区别：,无微团作径向运动,有微团作径向运动,层流层从中心到管壁,层流内层附壁,层流,湍流,65